一种异构低轨导航星座设计优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种异构低轨导航星座设计优化方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：设定轨道高度和轨道面数，根据极点处最小观测仰角，计算第一子星座的轨道倾角；步骤S2：根据最小几何精度稀释因子准则，计算第二子星座的轨道倾角；步骤S3：将子星座的数量、相邻轨道面上相邻卫星的相位因子取值进行排列组合，构成样本集；步骤S4：基于所述样本集，计算不同子星座构型的卫星覆盖层数和位置精度稀释因子，通过NSGA

【技术实现步骤摘要】
一种异构低轨导航星座设计优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及卫星星座设计领域，具体涉及一种异构低轨导航星座设计优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着各国对于卫星导航领域越来越高的重视，其发展势头愈加迅猛。但是，导航卫星存在易受到干扰和遮挡等缺陷，因此各国都在积极研究备份手段来弥补全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）在定位中的不足。其中，基于低轨机会信号的定位是一种非常有效的辅助方法。在研究低轨机会信号的定位算法时，首先需要有一个可靠的合作星座。而国内目前尚无建成的星座，国外的现有星座很多信息难以获取，因此，建立可靠的合作星座是非常重要的一个环节。
[0003]在建设低轨导航星座的过程中，需要综合考虑卫星数量、轨道高度、轨道倾角以及星座构型等因素。但是上述性能指标往往和发射成本之间相互制约，例如随着卫星数量和轨道高度的增加，在改善导航性能的同时往往也带来更高的发射成本。因此需要通过优化算法，在给定的条件下寻找一个最优解。
[0004]低轨星座优化设计作为目前的一个研究热点，吸引了很多学者的目光。根据现有文献，有基于包括粒子群、遗传、模拟退火等多种优化算法在内的星座优化设计技术。
[0005]基于改进粒子群算法的混合星座优化设计方法，虽然实现起来相对简单，但是对于星座优化设计这类离散问题，粒子群算法本身并不是一个较好的选择，此外，低轨和椭圆轨道两种不同的构型组合而成的混合星座，包含的特征参数相对较多，会提高计算复杂度。r/>[0006]基于遗传算法的低轨性导航星座构型优化设计，以减少卫星总数为首要目标，并在此基础上尽可能减少卫星的轨道数，可以较好地提升星座覆盖层数，降低PDOP值。但是该方法只针对单一构型的星座设计，功能比较简单，考虑的约束条件也不够完善。
[0007]基于模拟退火算法的低轨通信星座优化，是针对大型通信星座而设计的方法，将星座设计问题转化为多目标优化问题，以覆盖时长和覆盖重数为目标函数，主要关注的是星座的全球覆盖能力，并没有关注其导航性能。
[0008]针对上述问题，以及参考其他学者的文献和现有星座体制，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0009]本专利技术提供一种异构低轨导航星座设计优化方法及系统，以两个子星座组成的异构低轨导航星座为研究对象，均采用Walker
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δ构型，设计了一种“组合
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离散化编码”的方法，通过NSGA
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和遗传算法相结合的方式，着眼于星座的覆盖能力、导航性能以及建设成本等多个关键因素，分步优化星座的设计，可以在保证全球范围内的导航性能的同时降低星座建设的成本。
[0010]本专利技术采用的技术方案为：一种异构低轨导航星座设计优化方法，所述异构低轨导航星座包括第一子星座和第二子星座，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：设定轨道高度和轨道面数，根据极点处最小观测仰角，计算所述第一子星座的轨道倾角；步骤S2：根据最小几何精度稀释因子准则，计算在不同卫星个数的条件下所述第二子星座的轨道倾角；步骤S3：将子星座的数量、相邻轨道面上相邻卫星的相位因子取值进行排列组合，构成样本集；步骤S4：基于所述样本集，计算不同子星座构型的卫星覆盖层数和位置精度稀释因子，通过NSGA
‑Ⅱ
算法对所述卫星覆盖层数和位置精度稀释因子进行一级优化，筛选出满足第一约束条件的所有子星座构型；步骤S5：基于遗传算法对步骤S4中筛选出的子星座构型进行二级优化，找出卫星数量最小的子星座构型作为最优星座构型，确定所述第一子星座和第二子星座的星座设计方案。
[0011]进一步地，所述第一子星座和第二子星座均采用Walker
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δ构型设计。
[0012]进一步地，所述步骤S1还包括：基于卫星可视区域和用户最低观测仰角来设定所述轨道高度。
[0013]进一步地，所述步骤S1还包括：根据所述轨道面数，确定所述相邻轨道面上相邻卫星的相位因子的取值范围为 [0, 轨道面数
‑
1]。
[0014]进一步地，所述步骤S3还包括：对所述样本集进行二进制编码。
[0015]进一步地，所述步骤S5还包括：对步骤S4中筛选出的星座构型进行二次编码，并基于该二次编码后的星座构型执行所述二级优化。
[0016]进一步地，所述第一约束条件为同时满足以下两个条件：（1）在纬度[
‑
70
°
, 70
°
]之间，卫星覆盖层数的平均值≥3；（2）位置精度稀释因子的平均值≤10。
[0017]进一步地，所述步骤S1中，在不同的轨道高度下，极点处最小观测仰角和所述第一子星座的轨道倾角应满足：其中，为卫星在极点处的最小观测仰角，为所述第一子星座的轨道倾角，r
e
为地球半径，h为卫星轨道高度，γ表示此时卫星和其可视球冠边界处的切线夹角。
[0018]进一步地，所述步骤S2中，几何精度稀释因子取最小值的条件为：其中，N
j
表示第j个子星座构型中的卫星总数，K表示子星座的数量，代表第j个子星座构型的轨道倾角。
[0019]本专利技术还提供了一种异构低轨导航星座设计优化系统，所述异构低轨导航星座包括第一子星座和第二子星座，所述系统包括：子星座轨道倾角计算模块，用于基于设定的轨道高度和轨道面数，根据极点处最小观测仰角，计算所述第一子星座的轨道倾角；以及根据最小几何精度稀释因子准则，计算在不同卫星个数的条件下所述第二子星座的轨道倾角；
样本集构建模块，用于将子星座的数量、相邻轨道面上相邻卫星的相位因子取值进行排列组合，构成样本集；一级优化模块，用于基于所述样本集，计算不同子星座构型的卫星覆盖层数和位置精度稀释因子，通过NSGA
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算法对所述卫星覆盖层数和位置精度稀释因子进行一级优化，筛选出满足第一约束条件的所有子星座构型；二级优化模块，用于基于遗传算法对所述一级优化模块筛选出的子星座构型进行二级优化，找出卫星数量最小的子星座构型作为最优星座构型，确定所述第一子星座和第二子星座的星座设计方案。
[0020]本专利技术的有益效果如下：本专利技术针对异构低轨导航星座的优化设计这一问题，具体分析了影响因素，将其中关键的三个指标——卫星数量、覆盖能力和导航能力作为优化目标，提出了将NSGA
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和遗传算法相结合的方式，分步优化低轨星座的设计。对于优化过程中的一个重要环节——编码，设计了一种“组合
‑
离散化”编码方法，既兼顾了特征参数之间的相关性，同时也简化了整个优化的过程。
[0021]本专利技术是优化算法在星座设计这一领域的应用，以保证导航性能的同时降低星座建设成本为目标，为后续的仿真实验和工程应用提供了一个良好的思路。
附图说明
[0022]图1为卫星可视球冠示意图；图2为卫星高度、最小仰角和覆盖范围之间的关系示意图；图3为空间飞行器数量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异构低轨导航星座设计优化方法，所述异构低轨导航星座包括第一子星座和第二子星座，所述方法包括以下步骤：步骤S1：设定轨道高度和轨道面数，根据极点处最小观测仰角，计算所述第一子星座的轨道倾角；步骤S2：根据最小几何精度稀释因子准则，计算在不同卫星个数的条件下所述第二子星座的轨道倾角；步骤S3：将子星座的数量、相邻轨道面上相邻卫星的相位因子取值进行排列组合，构成样本集；步骤S4：基于所述样本集，计算不同子星座构型的卫星覆盖层数和位置精度稀释因子，通过NSGA
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算法对所述卫星覆盖层数和位置精度稀释因子进行一级优化，筛选出满足第一约束条件的所有子星座构型；步骤S5：基于遗传算法对步骤S4中筛选出的子星座构型进行二级优化，找出卫星数量最小的子星座构型作为最优星座构型，确定所述第一子星座和第二子星座的星座设计方案。2.如权利要求1所述的异构低轨导航星座设计优化方法，其特征在于，所述第一子星座和第二子星座均采用Walker
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δ构型设计。3.如权利要求1所述的异构低轨导航星座设计优化方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：基于卫星可视区域和用户最低观测仰角来设定所述轨道高度。4.如权利要求1所述的异构低轨导航星座设计优化方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：根据所述轨道面数，确定所述相邻轨道面上相邻卫星的相位因子的取值范围为[0, 轨道面数
‑
1]。5.如权利要求1所述的异构低轨导航星座设计优化方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：对所述样本集进行二进制编码。6.如权利要求5所述的异构低轨导航星座设计优化方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：对步骤S4中筛选出的星座构型进行二次编码，并基于该二次编码后的星座构型执行所述二级优化。7.如权利要求1所述的异构低轨导航星座设计优化方法，其特征在于，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涵，方胜良，范有臣，温晓敏，徐照菁，万颖，马昭，程东航，王孟涛，胡豪杰，彭亮，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：