Optimization design method for low earth orbit navigation constellation considering constellation stability and comprehensive cost
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摘要: 利用低轨道地球卫星(LEO)进行导航增强首先需要设计低轨星座,在进行星座构型设计时,星座的稳定性及综合成本是需要考虑的两个重要因素,本文提出了顾及星座稳定性及综合成本进行低轨导航星座优化设计的方法. 首先,利用遗传算法对铱星星座进行了优化,优化后的铱星星座与未优化前星座相比较,全球可见卫星数均值由2.3颗增至2.9颗,可见卫星数标准差由2.3降至0.7,综合成本因子由5.3降至4.5,证明了本方法的有效性. 然后以Walker星座作为基本构型,在保证低轨混合星座稳定性的基础上,顾及导航性能和综合成本,利用遗传算法进行了混合星座的优化. 将优化后的低轨混合星座与北斗星座进行了组合,组合后的星座与北斗星座相比较,全球可见卫星数均值由6.9颗增至9.3颗,可见卫星数标准差由1.1降至0.4.
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关键词:
- 低轨道地球卫星(LEO) /
- 导航增强 /
- 星座设计 /
- 遗传算法 /
- 综合成本
Abstract: The first step is to design a low earth orbit satellite (LEO) for navigation augmentation using low earth orbit satellites. When designing the constellation configuration, the stability and comprehensive cost of the constellation are two important factors to be considered. This paper presents an optimal design method for low earth orbit navigation constellation considering constellation stability and comprehensive cost. First, the Iridium constellation is optimized by genetic algorithm. Compared with Iridium constellation, the mean number of visible satellites increases from 2.3 to 2.9, the standard deviation of visible satellites decreases from 2.3 to 0.7, and the comprehensive cost factor decreases from 5.3 to 4.5, which proves the effectiveness of this method. Then, taking Walker constellation as the basic configuration, the low earth orbit hybrid constellation is optimized by genetic algorithm, considering the navigation performance and comprehensive cost on the basis of ensuring the stability of the hybrid constellation. The optimized low earth orbit hybrid constellation is combined with the BDS constellation. Compared with the BDS, the mean number of visible satellites increases from 6.9 to 9.3, and the standard deviation of visible satellites decreases from 1.1 to 0.4. -
表 1 铱星星座决策变量范围
决策变量 i/(°) F 下限 30 0 上限 90 5 表 2 铱星优化前后的星座性能对比
方案 均值/颗 STD 成本 铱星优化前 2.3 2.3 5.3 铱星优化后 2.9 0.7 4.5 表 3 混合星座轨道倾角与高度构型设计
构型 倾角/(°) 高度/km 1 16 1360 2 62 975 表 4 决策变量取值范围
决策变量 $ {P_1} $ $ {N_1}{\kern 1pt} $ $ {F_1} $ $ {P_2}{\kern 1pt} $ $ {N_2} $ $ {F_2} $ 下限 4 6 0 4 6 0 上限 10 12 $ {P_1} $−1 10 12 $ {P_2}{\kern 1pt} $−1 表 5 不同星座性能
构型 可见卫星数 STD 低轨混合星座 2.4 1.2 北斗星座 6.9 1.1 北斗/低轨混合星座 9.3 0.4 -
[1] 张小红, 马福建. 低轨导航增强GNSS发展综述[J]. 测绘学报, 2019, 48(9): 1073-1087. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20190176 [2] 杨元喜. 综合PNT体系及其关键技术[J]. 测绘学报, 2016, 45(5): 505-510. DOI: 10.11947/j.AGCS.2016.20160127 [3] GR H B, LI B F, NIE L W, et al. LEO constellation optimization for LEO enhanced global navigation satellite system (LeGNSS)[J]. Advances in space research, 2020, 66(3): 520-532. DOI: 10.1016/j.asr.2020.04.031 [4] HE X C, HUGENTOBLER U. Design of mega-constellations of LEO satellites for positioning[C]//2018 Proceedings China Satellite Navigation Conference(CSNC), 2018: 663-673. DOI: 10.1007/978-981-13-0005-9_54 [5] 田野, 张立新, 边朗. 低轨导航增强卫星星座设计[J]. 中国空间科学技术, 2019, 39(6): 55-61. DOI: 10.16708/J.CNKI.1000-758X.2019.0050 [6] 徐哲宇, 杜兰, 刘泽军, 等. 基于FLOWER星座的区域导航增强低轨卫星星座设计与优化[C]//第十一届中国卫星导航年会论文集—S07 卫星导航增强技术, 2020. [7] GUAN M Q, XU T H, GAO F, et al. Optimal walker constellation design of LEO-based global navigation and augmentation system[J]. Remote sensing, 2020, 12(11): 1845. DOI: 10.3390/rs12111845 [8] MA F J, ZANG X H, LI X X, et al. Hybrid constellation design using a genetic algorithm for a LEO-based navigation augmentation system[J]. GPS solutions, 2020, 24(2): 1-14. DOI: 10.1007/s10291-020-00977-0 [9] 谢恺, 薛模根, 韩裕生, 等. 基于遗传算法的低轨天基雷达星座设计[J]. 信号处理, 2008, 24(2): 233-236. DOI: 10.3969/j.issn.1003-0530.2008.02.016 [10] YANG M Q, DONG X R, HU M. Design and simulation for hybrid LEO communication and navigation constellation[C]//2016 IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control Conference (CGNCC), 2016: 1665-1669. DOI: 10.1109/CGNCC.2016.7829041 [11] 范丽. 卫星星座一体化优化设计研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2006. [12] 雷英杰, 张善文. MATLAB遗传算法工具箱及应用[M]. 第2版. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2015. [13] 关梅倩, 焦文海, 贾小林, 等. 基于导航增强的低轨卫星星座设计[C]//第九届中国卫星导航学术年会论文集—S07 卫星导航增强技术, 2018: 22-26. [14] 莫宇. 低轨卫星通信星座多目标优化设计[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2016. [15] 章罗娜, 李心蕊, 赵书阁, 等. “星链”星座建设成本及运营分析[J]. 国际太空, 2020(11): 23-27. DOI: 10.3969/j.issn.1009-2366.2020.11.005 [16] 范丽, 张育林. 区域覆盖混合星座设计[J]. 航天控制, 2007(6): 52-55. DOI: 10.3969/j.issn.1006-3242.2007.06.010