留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

    通信作者:

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
  • [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
  • 加载中
图(8) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  406
  • HTML全文浏览量:  79
  • PDF下载量:  63
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回