星地与星间链路时间窗口快速计算方法研究

论文摘要

随着航天技术的迅速发展,我国拥有航天资源数量快速增长,各资源节点之间相互关联,形成包括星地通信链路、星地侦察链路和星间通信链路的动态拓扑结构。研究各种链路时间窗口快速计算方法,对航天任务规划及调度有着重要意义。本文主要工作包括:第一,研究了星地通信链路时间窗口快速算法。针对J2项摄动的LEO卫星与地面站通信链路,提出一种由偏近点角的超越方程计算时间窗口的新方法,采用以大圆近似星下点轨迹的方法求解此方程。仿真表明,时间窗口起始时刻误差小于1秒,时间窗口长度误差小于1.20秒,计算时间减少了99.7%。采用多项式插值的数值方法计算MEO卫星与地面站通信时间窗口,仿真表明,时间窗口起始时刻误差小于1.28秒,时间窗口长度误差小于1.30秒,计算时间减少了99.5%。第二,研究了星地侦察链路时间窗口快速算法。针对圆锥视场观测点目标,将其转化为星地通信链路时间窗口的计算问题;针对圆锥视场观测多边形区域目标和椭圆形区域目标,提出了利用“可视扩展区域”计算时间窗口的快速算法;针对矩形视场和侧摆传感器视场,采用外切圆锥法和局部搜索法计算时间窗口。仿真表明,时间窗口起始时刻误差小于1.35秒,长度误差小于1.29秒,计算时间减少了99.5%。第三,提出了中继卫星与用户星星间链路时间窗口快速算法,从星座连通性和通信时延两个方面分析了低轨预警星座星间通信性能。快速算法通过分析中继卫星与客户星通信链路的几何特性建立了三类可视球冠模型,采用以大圆近似星下点轨迹的方法计算时间窗口。仿真表明,时间窗口起始时刻误差小于0.20秒,时间窗口长度误差小于0.23秒,计算时间减少了90%。以上算法在保证时间窗口计算精度的同时,大幅度降低了计算量,为航天任务规划及调度提供有力支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 星地通信链路时间窗口快速算法
• 2.1 LEO 卫星与地面站链接时间窗口快速算法
• 2.1.1 卫星位置矢量与偏近点角的函数关系
• 2.1.2 控制方程
• 2.1.3 模型求解
• 2.1.4 算法步骤
• 2.1.5 仿真实验与结果分析
• 2.2 MEO 与地面站链接时间窗口快速算法
• 2.2.1 混合二次插值多项式
• 2.2.2 算法步骤
• 2.2.3 仿真实验与结果分析
• 2.3 小结
• 第三章 星地侦察链路时间窗口快速算法
• 3.1 成像侦察卫星观测点目标时间窗口算法设计
• 3.1.1 圆锥视场观测点目标时间窗口算法设计
• 3.1.2 计算矩形视场观测点目标时间窗口的局部搜索法
• 3.1.3 光照条件
• 3.1.4 仿真实验与结果分析
• 3.2 成像侦察卫星观测多边形区域目标时间窗口快速算法
• 3.2.1 可视扩展区域
• 3.2.2 算法步骤
• 3.2.3 矩形视场观测多边形区域目标时间窗口算法设计
• 3.2.4 仿真实验与结果分析
• 3.3 成像侦察卫星观测椭圆形区域目标时间窗口快速算法
• 3.3.1 算法设计
• 3.3.2 矩形视场观测椭圆形区域目标算法设计
• 3.3.3 仿真实验与结果分析
• 3.4 侧摆传感器观测地面目标时间窗口算法设计
• 3.4.1 侧摆圆锥视场观测地面目标时间窗口算法设计
• 3.4.2 侧摆矩形视场观测地面目标时间窗口算法设计
• 3.4.3 仿真实验与结果分析
• 3.5 小结
• 第四章 星间链路算法研究
• 4.1 中继卫星与用户星通信时间窗口快速算法
• 4.1.1 理论分析
• 4.1.2 真近点角迭代
• 4.1.3 地球形状因素
• 4.1.4 时间窗口计算
• 4.1.5 仿真实验与结果分析
• 4.2 低轨预警星座星间通信性能分析
• 4.2.1 星座连通性
• 4.2.2 通信时延
• 4.3 小结
• 第五章 结束语
• 5.1 主要工作和创新点
• 5.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间作者的学术工作