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计算机测量与控制 2023年第9期31卷 297-304,331页

作者：刘金磊曹炳尧李正璇上海大学特种光纤与光接入网重点实验室上海200444

星间激光通信已经成为现如今的发展热潮,星间链路容易受到外界环境或卫星本体的振动影响,致使通信质量受损;在卫星的轨道建模以及可视化领域,传统方案极少引入卫星平台振动对链路的影响,无法满足未来星网仿真的需求;为反应星间链路通信... 详细信息

星间激光通信已经成为现如今的发展热潮,星间链路容易受到外界环境或卫星本体的振动影响,致使通信质量受损;在卫星的轨道建模以及可视化领域,传统方案极少引入卫星平台振动对链路的影响,无法满足未来星网仿真的需求;为反应星间链路通信过程中平台振动对其的影响,提出了星间激光链路状态模型,主要对地心角、激光功率、以及平台振动等主要参数进行了研究;实验验证了星间可见性方法的计算准确性和功能有效性,分别对方位角、俯仰角、星间距离进行误差对比验证,其中方位角和俯仰角误差控制在30μrad以内,星间距离误差控制在110 m以内,并通过振动叠加实验,验证了卫星平台振动对链路干扰的程度,较好的还原星间链路的真实情况。

关键词：星间可见性平台振动 ATP系统链路状态可视化仿真

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卫星通信网络可见性分析与路由算法研究

卫星通信网络可见性分析与路由算法研究

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作者：李庆河北科技大学

学位级别：硕士

近年来,卫星通信技术进入飞速发展阶段,人们日常生活中对于卫星通信依赖程度逐渐加深,进而对于通信的速度与质量有了更高的要求。为了探究影响通信质量的因素并提高通信质量,从可见性和路由算法两方面进行研究,通过可见性分析探究影响... 详细信息

近年来,卫星通信技术进入飞速发展阶段,人们日常生活中对于卫星通信依赖程度逐渐加深,进而对于通信的速度与质量有了更高的要求。为了探究影响通信质量的因素并提高通信质量,从可见性和路由算法两方面进行研究,通过可见性分析探究影响通信质量的因素,通过路由算法提高通信质量。主要研究内容如下:首先,获取卫星的位置信息。通过简化常规摄动(SGP4)模型预测出卫星位置矢量信息,对模型误差原因进行分析,并通过卫星工具包(STK)验证模型的准确性。其次,根据卫星位置确定各卫星间的几何关系,展开对可见性算法的研究。依据可见性主体不同,可见性问题分为星间可见性与星地可见性两大类。星间可见性问题包含近地卫星间可见性与近地、高轨卫星间可见性。近地卫星间可见性从几何可视性、天线可视性两方面进行分析;近地、高轨卫星间的可见性根据高轨卫星的视场半锥角来确定。星地可见性问题包含地面站近地卫星可见性与地面站高轨卫星可见性。地面站近地卫星可见性分析引入星下点概念,依靠可视球冠进行求解;地面站高轨卫星间可见性依据卫星的高度角进行分析。上述分析结束后得到对于可见性的定性分析结果,接下来对定性分析结果添加约束,提出一种可见性质量评价指标,定量描述可见性的优劣程度。最后,进行路由算法研究。根据可见性分析结果,将卫星转化为节点,建立无向图。Dijkstra算法能够在无向图中求得一条从开始节点到结束节点的最短路径,但是它只能针对单参数问题求解,无法解决多约束问题。基于此,提出一种结合链路状态的单个组合尺度(SMM-LS)算法的Dijkstra算法,解决了单一参数计算的局限性,对多参数进行组合归一化处理。同时针对遗传、蚁群算法解决多约束问题存在的易于陷入局部最优、收敛速度慢等问题,提出一种改进的遗传蚁群算法。然后将研究过程进行网页端可视化,展示路由建立全过程。最终通过提升可见性质量评价指标和提高路由算法的迭代速度的方式提高通信质量。

关键词：卫星通信 SGP4模型星间可见性星地可见性多约束路由算法 Dijkstra算法遗传蚁群算法

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面向激光互联卫星的数字孪生技术研究

面向激光互联卫星的数字孪生技术研究

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作者：刘金磊上海大学

学位级别：硕士

星间激光通信已经成为现如今的发展热潮,其通信速率高、保密性强,具有十分广阔的发展前景。然而星间链路易受到外界环境或卫星本体的振动影响,致使通信质量受损。在卫星的轨道建模以及可视化仿真领域,传统方案极少引入卫星平台振动对链... 详细信息

星间激光通信已经成为现如今的发展热潮,其通信速率高、保密性强,具有十分广阔的发展前景。然而星间链路易受到外界环境或卫星本体的振动影响,致使通信质量受损。在卫星的轨道建模以及可视化仿真领域,传统方案极少引入卫星平台振动对链路的影响,无法满足未来星网仿真的需求。本文通过对激光互联卫星进行数字孪生技术的研究,实现高保真的卫星孪生体的构建。通过在孪生体中搭载振动-链路表征组件,模拟卫星平台振动进而表征星间链路状态,提供更加真实可靠的孪生卫星。本文以Unity3D作为孪生平台开发引擎,开展卫星轨道运行与振动模拟监测方法的研究,利用数字孪生技术实现了高保真的激光互联卫星孪生仿真平台。在卫星轨道运行仿真方法的研究中,本文提出了适用于数字孪生机理层的轨道时空一致性同步方法,解决了星历轨道预测、时间对准以及空间维度转换问题。本文通过构建自定义时间系统,统一完成时间对齐操作,以此为基础借助SGP4模型完成实时预测每颗卫星的轨道空间位置的功能。再针对物理卫星与孪生卫星的空间维度映射问题,采用空间一致性模型进行转换。实验结果表明,上述方法具有较高的精度表现,与目前商用软件的卫星运行预测精度保持一致,能够满足卫星数字孪生计算的工作需要。在振动-链路表征组件研究中,本文提出了基于星间可见性的振动模拟监测方法,并构建了星间激光链路状态数学模型。针对星间可见问题,本文通过对地心角、激光功率、方位角以及俯仰角等重要参数进行研究,获得星间可见结果以及激光发射朝向。为保证振动信号的可靠性,本文通过功率谱密度对比,模拟仿真出高保真的卫星平台振动信号,实际中亦可导入卫星在轨真实数据。实验结果表明,所提方法具备计算准确性和功能有效性,基本满足振动监测仿真工作。基于以上两个方面,本文设计实现了面向激光互联卫星的高保真孪生仿真平台,通过构建卫星数字孪生体,完成系统架构分层,最终提供卫星轨道运行、星间可见测试、振动模拟监测等功能,为卫星平台振动信号相关研究提供仿真环境,对未来航天领域的数字孪生研究提供了新的思路。

关键词：激光互联数字孪生时空一致性星间可见性振动监测

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卫星导航星间链路分配优化算法研究

卫星导航星间链路分配优化算法研究

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作者：杨飞湖南大学

学位级别：硕士

导航卫星星座通过星间链路组网进行星间测距与数据传输能够极大提高导航卫星系统的性能,建设星间链路已成为全球导航卫星系统的发展趋势。不仅如此,通过星间链路组网进行星间测距还能弥补我国无法全球布站所带来的观测量不足的劣势。链... 详细信息

导航卫星星座通过星间链路组网进行星间测距与数据传输能够极大提高导航卫星系统的性能,建设星间链路已成为全球导航卫星系统的发展趋势。不仅如此,通过星间链路组网进行星间测距还能弥补我国无法全球布站所带来的观测量不足的劣势。链路分配是建立星间链路进行组网通信的前提,目前国内外大多数的研究是针对宽波束广播式天线下的星间链路分配,而针对点波束天线下的星间链路分配的研究较少。因此,本文以混合导航卫星星座为参考,研究其点波束天线下的星间链路分配算法,主要研究内容可以概括为以下几个方面：1)导航星座星间链路工作体制及拓扑结构分析。首先确定了Walker24/3/1+3GEO+3IGSO的混合星座,其次分析了导航卫星频率及天线的选择,确定了时分空分多址接入模式。最后给出了卫星网络的拓扑处理方法。2)星间链路组网性能及约束条件的研究。本文根据星间链路网络的需求,提出了星间链路的性能指标。又对星间链路的约束条件进行了数学描述与分析,并计算了星座的可见性,给出了星间俯仰角、方位角、星间距离、可见星数等取值范围及变化趋势。3)星间链路分配优化算法研究。根据星间链路的工作体制及星间可见性的计算结果,提出了一种兼顾星间测距与境内星-境外星通信的链路分配算法。并进行仿真实验,验证了该方法的可行性。仿真结果表明,本文提出的星间链路分配算法的星间PDOP值小于3,信息从境内星传播到所有境外星的通信时延小于6秒,能够满足工程试验的需求,对混合星座星间链路的建设具有一定应用价值及参考意义。

关键词：卫星导航星间链路链路分配星间可见性

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