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顾及星座稳定性及综合成本的低轨导航星座优化设计方法

贺备 蔡昌盛 潘林 蔡成林

贺备, 蔡昌盛, 潘林, 蔡成林. 顾及星座稳定性及综合成本的低轨导航星座优化设计方法[J]. 全球定位系统, 2022, 47(5): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2022092
引用本文: 贺备, 蔡昌盛, 潘林, 蔡成林. 顾及星座稳定性及综合成本的低轨导航星座优化设计方法[J]. 全球定位系统, 2022, 47(5): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2022092
HE Bei, CAI Changsheng, PAN Lin, CAI Chenglin. Optimization design method for low earth orbit navigation constellation considering constellation stability and comprehensive cost[J]. GNSS World of China, 2022, 47(5): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2022092
Citation: HE Bei, CAI Changsheng, PAN Lin, CAI Chenglin. Optimization design method for low earth orbit navigation constellation considering constellation stability and comprehensive cost[J]. GNSS World of China, 2022, 47(5): 9-15. doi: 10.12265/j.gnss.2022092

顾及星座稳定性及综合成本的低轨导航星座优化设计方法

doi: 10.12265/j.gnss.2022092
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFA0713501);国家自然科学基金项目(42174040);湖南省自然科学基金(2020JJ4111)
详细信息
    作者简介:

    贺备:(1998—),男,硕士,主要研究方向为低轨卫星导航增强

    蔡昌盛:(1977—),男,博士,教授,主要研究方向为GNSS导航和精密定位

    潘林:(1989—),男,博士,副教授,主要研究方向为GNSS精密定位

    蔡成林:(1969—),男,博士,教授,主要研究方向为卫星导航和无线通信

    通讯作者:

    蔡昌盛 E-mail:csucai@csu.edu.cn

  • 中图分类号: P228.4

Optimization design method for low earth orbit navigation constellation considering constellation stability and comprehensive cost

  • 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.

     

  • 图  1  铱星三维构型

    图  2  遗传算法搜索铱星星座最优解过程

    图  3  优化后的铱星星座三维构型

    图  4  铱星优化前后星座随纬度变化的可见卫星数

    图  5  遗传算法搜索混合星座最优解过程

    图  6  优化后的低轨混合星座三维构型

    图  7  北斗/低轨混合星座三维构型

    图  8  不同星座可见卫星数沿纬度位置变化分布

    表  1  铱星星座决策变量范围

    决策变量i/(°)F
    下限300
    上限905
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    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2.32.35.3
    铱星优化后2.90.74.5
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    表  3  混合星座轨道倾角与高度构型设计

    构型倾角/(°)高度/km
    1161360
    262 975
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    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460460
    上限1012$ {P_1} $−11012$ {P_2}{\kern 1pt} $−1
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    表  5  不同星座性能

    构型可见卫星数STD
    低轨混合星座2.41.2
    北斗星座6.91.1
    北斗/低轨混合星座9.30.4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-25
  • 录用日期:  2022-08-25
  • 网络出版日期:  2022-09-26

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