衛(wèi)星星座理論與設(shè)計

前言

衛(wèi)星由于其相對地球表面的高遠位置優(yōu)勢，在通信廣播、導(dǎo)航定位、對地觀測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益與社會效益，并深刻而廣泛地改變了人們的生活方式。衛(wèi)星是在地球萬有引力作用下運動的飛行器，始終以一定的速度繞地球質(zhì)心飛行，除地球靜止軌道衛(wèi)星外，衛(wèi)星不能夠固定在地球表面某點的上空，其覆蓋區(qū)域總是隨時間的變化而不斷變化，而且這種變化規(guī)律嚴(yán)格受軌道高度和軌道傾角等因素的制約。因此，在大多數(shù)情況下，單靠一顆衛(wèi)星難以實現(xiàn)全球或特定區(qū)域的不間斷通信和觀測。由于衛(wèi)星在軌道上的運動在時間和空間上遵循一定的規(guī)律，利用多顆衛(wèi)星相互補充和銜接共同完成同一任務(wù)，既能同時覆蓋更為廣闊的區(qū)域，也能使特定區(qū)域的覆蓋特性得到改善，從而保證目標(biāo)區(qū)域能夠以任務(wù)要求的時間間隔或覆蓋重數(shù)為衛(wèi)星覆蓋。衛(wèi)星星座（簡稱“星座”）就是指由多顆衛(wèi)星組成的、衛(wèi)星軌道形成穩(wěn)定的空間幾何構(gòu)型、衛(wèi)星之間保持固定的時空關(guān)系從而完成特定航天任務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星星座能夠更大程度地發(fā)揮衛(wèi)星的作用，拓展衛(wèi)星的應(yīng)用形式，其在全球性、多重性、時效性、連續(xù)性等方面具有單顆衛(wèi)星所無法比擬的優(yōu)勢。衛(wèi)星星座是由多顆衛(wèi)星組合而成的系統(tǒng)，衛(wèi)星的軌道設(shè)計、導(dǎo)航與控制等是星座理論與設(shè)計的基礎(chǔ)。由于星座中所有衛(wèi)星的軌道運行必須滿足一定的空間約束，所以星座中衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在著一定的軌道運動耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系不僅體現(xiàn)在星座的軌道動力學(xué)關(guān)系上，還體現(xiàn)在星座的各種性能參數(shù)上。在進行衛(wèi)星星座的分析與設(shè)計時，必須將星座中的所有衛(wèi)星作為一個有機整體加以研究，相對于單顆衛(wèi)星而言，星座從分析、設(shè)計到運行與維持控制都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。平衡星座成本與性能、降低運行維持代價、提高星座的穩(wěn)定運行、協(xié)同工作與自主生存能力是發(fā)展星座系統(tǒng)要解決的主要問題。這就需要從星座構(gòu)型及其與系統(tǒng)各種性能之間關(guān)系的分析，多種約束及邊界條件下星座的優(yōu)化設(shè)計，提高星座穩(wěn)定性的參數(shù)設(shè)計，構(gòu)型保持控制策略確定，系統(tǒng)重構(gòu)、備份、部署以及星座自主導(dǎo)航方法等方面尋求有效的技術(shù)途徑。雖然星座理論與設(shè)計方法得到了較為廣泛的研究和發(fā)展，但早期的星座理論主要集中在星座構(gòu)型和覆蓋的幾何理論研究上，近年來雖然針對特定星座系統(tǒng)也有關(guān)于星座優(yōu)化設(shè)計、構(gòu)型維持與重構(gòu)、自主導(dǎo)航等一系列研究，但這些研究比較分散。就作者所知，目前還沒有系統(tǒng)研究星座理論與設(shè)計的專門著作。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)介紹了衛(wèi)星星座的基本理論和方法，并對星座設(shè)計、部署、運行控制與維持過程中面臨的主要問題給出了解決途徑。內(nèi)容主要包括星座的基本概念，星座的構(gòu)型及動力學(xué)特性，星座的構(gòu)型設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計以及提高星座穩(wěn)定性的攝動補償設(shè)計方法，星座維持和重構(gòu)控制的策略和方法，星座備份和階段部署策略和方法，基于星間觀測的星座自主導(dǎo)航方法，導(dǎo)航、預(yù)警、通信等星座的分析設(shè)計實例等?！　”緯m合航空宇航科學(xué)與技術(shù)和控制理論與工程領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程技術(shù)人員閱讀，也可作為高等院校有關(guān)專業(yè)高年級本科生及研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

前言第一章  緒論  1.1  衛(wèi)星星座  1.2  衛(wèi)星星座系統(tǒng)概述  1.3  衛(wèi)星星座的關(guān)鍵問題  參考文獻第二章  星座構(gòu)型  2.1  星座軌道分析  2.2  典型星座構(gòu)型及其描述模型  2.3  Walker星座的地面軌跡  2.4  星座構(gòu)型狀態(tài)描述  2.5  星座構(gòu)型與運行維持  2.6  星座構(gòu)型與星間鏈路  參考文獻第三章  星座構(gòu)型一體化優(yōu)化設(shè)計方法  3.1  星座構(gòu)型一體化設(shè)計  3.2  星座設(shè)計的性能測度及其一般統(tǒng)計方法  3.3  星座設(shè)計優(yōu)化模型  3.4  多目標(biāo)進化算法與約束處理  3.5  基于序列約束邊界法的約束處理方法  3.6  動態(tài)分段優(yōu)化控制  3.7  星座多目標(biāo)、多約束化優(yōu)化方法  3.8  優(yōu)化設(shè)計實例  參考文獻第四章  衛(wèi)星星座系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法  4.1  星座系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計  4.2  星座系統(tǒng)設(shè)計和成本模型  4.3  系統(tǒng)可靠性模型  4.4  系統(tǒng)性能分析模型  4.5  系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)  4.6  基于協(xié)作優(yōu)化方法的星座系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計  4.7  優(yōu)化實現(xiàn)與結(jié)果  參考文獻第五章  星座構(gòu)型設(shè)計的參數(shù)偏置攝動補償方法  5.1  參數(shù)偏置攝動補償  5.2  衛(wèi)星軌道攝動  5.3  攝動影響下星座構(gòu)型穩(wěn)定性  5.4  攝動影響下星座性能變化  5.5  提高星座構(gòu)型穩(wěn)定性的參數(shù)偏置攝動補償方法  5.6  設(shè)計實例與分析  參考文獻第六章  星座構(gòu)型保持策略與方法  6.1  星座構(gòu)型控制  6.2  星座構(gòu)型最大容許漂移量  6.3  星座構(gòu)型保持控制  6.4  區(qū)域覆蓋星座構(gòu)型保持控制  參考文獻第七章  星座構(gòu)型重構(gòu)控制方法  7.1  星座構(gòu)型重構(gòu)  7.2  衛(wèi)星失效模式及性能影響分析  7.3  星座重構(gòu)控制  7.4  星座重構(gòu)控制優(yōu)化設(shè)計  7.5  設(shè)計實例與分析  參考文獻第八章  星座空間備份策略與設(shè)計  8.1  星座空間備份  8.2  星座空間備份策略設(shè)計性能模型  8.3  星座空間備份策略優(yōu)化設(shè)計  參考文獻第九章  星座分階段部署策略與設(shè)計  9.1  分階段部署星座設(shè)計需求與約束  9.2  設(shè)計模型  9.3  基于多目標(biāo)進化算法的星座優(yōu)化設(shè)計  9.4  設(shè)計實例和分析  參考文獻第十章  基于星間觀測的星座自主導(dǎo)航系統(tǒng)  10.1  基于星間觀測的星座整網(wǎng)定軌的數(shù)學(xué)分析  10.2  星座自主導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成  10.3  測量方案  10.4  時間同步  10.5  整網(wǎng)定位精度的影響因素  參考文獻第十一章  基于星間觀測的星座自主導(dǎo)航方法  11.1  基于星間觀測自主定軌的基本原理  11.2  秩虧自由網(wǎng)的平差解法  11.3  星座的整網(wǎng)定軌模型  11.4  快速平差方法研究  11.5  仿真結(jié)果與分析  參考文獻第十二章  抗差估計理論在星座自主導(dǎo)航中的應(yīng)用  12.1  抗差估計基本概念  12.2  抗差最小二乘估計  12.3  幾種星間測距網(wǎng)平差模型的抗差估計  12.4  星間測距網(wǎng)抗差方案設(shè)計  12.5  算例分析  參考文獻第十三章  星間觀測/星敏感器的組合導(dǎo)航方法  13.1  星光折射間接敏感地平導(dǎo)航原理  13.2  基于星間觀測+星敏感器的導(dǎo)航濾波器設(shè)計  13.3  組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真  參考文獻第十四章  基于GPS星歷的星座自主導(dǎo)航仿真試驗  14.1  精密軌道預(yù)推  14.2  觀測數(shù)據(jù)模擬  14.3  導(dǎo)航系統(tǒng)仿真  參考文獻第十五章  區(qū)域?qū)Ш叫亲鶅?yōu)化設(shè)計與控制  15.1  區(qū)域?qū)Ш叫亲O(shè)計的基本需求與約束  15.2  區(qū)域?qū)Ш叫亲鶅?yōu)化設(shè)計  15.3  區(qū)域?qū)Ш叫亲鶖U充優(yōu)化設(shè)計  15.4  星座構(gòu)型穩(wěn)定性和控制策略  參考文獻第十六章  天基多基地雷達系統(tǒng)分析與設(shè)計  16.1  天基多基地雷達系統(tǒng)概念  16.2  天基雷達覆蓋模型  16.3  天基多基地雷達性能分析  16.4  多基地雷達星座設(shè)計  參考文獻第十七章  通信星座設(shè)計  17.1  橢圓軌道通信星座設(shè)計  17.2  考慮頻率共享約束問題的通信星座設(shè)計  參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 緒論1.1 衛(wèi)星星座在衛(wèi)星應(yīng)用早期，主要通過單顆衛(wèi)星來完成任務(wù)。衛(wèi)星是依靠地球萬有引力提供向心力飛行的航天器，它始終以一定速度繞地球飛行，因此，除個別特殊的情況（如地球靜止軌道衛(wèi)星），衛(wèi)星是不能夠固定在地球某點的上空的，基覆蓋區(qū)域總是隨時間的變化而不斷變化，而且這種變化規(guī)律嚴(yán)格受軌道高度和軌道傾角的制約。

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