衛(wèi)星星座理論與設(shè)計(jì)

前言

衛(wèi)星由于其相對(duì)地球表面的高遠(yuǎn)位置優(yōu)勢(shì)，在通信廣播、導(dǎo)航定位、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，并深刻而廣泛地改變了人們的生活方式。衛(wèi)星是在地球萬(wàn)有引力作用下運(yùn)動(dòng)的飛行器，始終以一定的速度繞地球質(zhì)心飛行，除地球靜止軌道衛(wèi)星外，衛(wèi)星不能夠固定在地球表面某點(diǎn)的上空，其覆蓋區(qū)域總是隨時(shí)間的變化而不斷變化，而且這種變化規(guī)律嚴(yán)格受軌道高度和軌道傾角等因素的制約。因此，在大多數(shù)情況下，單靠一顆衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)全球或特定區(qū)域的不間斷通信和觀測(cè)。由于衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間上遵循一定的規(guī)律，利用多顆衛(wèi)星相互補(bǔ)充和銜接共同完成同一任務(wù)，既能同時(shí)覆蓋更為廣闊的區(qū)域，也能使特定區(qū)域的覆蓋特性得到改善，從而保證目標(biāo)區(qū)域能夠以任務(wù)要求的時(shí)間間隔或覆蓋重?cái)?shù)為衛(wèi)星覆蓋。衛(wèi)星星座（簡(jiǎn)稱“星座”）就是指由多顆衛(wèi)星組成的、衛(wèi)星軌道形成穩(wěn)定的空間幾何構(gòu)型、衛(wèi)星之間保持固定的時(shí)空關(guān)系從而完成特定航天任務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星星座能夠更大程度地發(fā)揮衛(wèi)星的作用，拓展衛(wèi)星的應(yīng)用形式，其在全球性、多重性、時(shí)效性、連續(xù)性等方面具有單顆衛(wèi)星所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星星座是由多顆衛(wèi)星組合而成的系統(tǒng)，衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)、導(dǎo)航與控制等是星座理論與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于星座中所有衛(wèi)星的軌道運(yùn)行必須滿足一定的空間約束，所以星座中衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在著一定的軌道運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系不僅體現(xiàn)在星座的軌道動(dòng)力學(xué)關(guān)系上，還體現(xiàn)在星座的各種性能參數(shù)上。在進(jìn)行衛(wèi)星星座的分析與設(shè)計(jì)時(shí)，必須將星座中的所有衛(wèi)星作為一個(gè)有機(jī)整體加以研究，相對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，星座從分析、設(shè)計(jì)到運(yùn)行與維持控制都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。平衡星座成本與性能、降低運(yùn)行維持代價(jià)、提高星座的穩(wěn)定運(yùn)行、協(xié)同工作與自主生存能力是發(fā)展星座系統(tǒng)要解決的主要問(wèn)題。這就需要從星座構(gòu)型及其與系統(tǒng)各種性能之間關(guān)系的分析，多種約束及邊界條件下星座的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高星座穩(wěn)定性的參數(shù)設(shè)計(jì)，構(gòu)型保持控制策略確定，系統(tǒng)重構(gòu)、備份、部署以及星座自主導(dǎo)航方法等方面尋求有效的技術(shù)途徑。雖然星座理論與設(shè)計(jì)方法得到了較為廣泛的研究和發(fā)展，但早期的星座理論主要集中在星座構(gòu)型和覆蓋的幾何理論研究上，近年來(lái)雖然針對(duì)特定星座系統(tǒng)也有關(guān)于星座優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)型維持與重構(gòu)、自主導(dǎo)航等一系列研究，但這些研究比較分散。就作者所知，目前還沒(méi)有系統(tǒng)研究星座理論與設(shè)計(jì)的專門(mén)著作。

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)介紹了衛(wèi)星星座的基本理論和方法，并對(duì)星座設(shè)計(jì)、部署、運(yùn)行控制與維持過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題給出了解決途徑。內(nèi)容主要包括星座的基本概念，星座的構(gòu)型及動(dòng)力學(xué)特性，星座的構(gòu)型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及提高星座穩(wěn)定性的攝動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法，星座維持和重構(gòu)控制的策略和方法，星座備份和階段部署策略和方法，基于星間觀測(cè)的星座自主導(dǎo)航方法，導(dǎo)航、預(yù)警、通信等星座的分析設(shè)計(jì)實(shí)例等?！　”緯?shū)適合航空宇航科學(xué)與技術(shù)和控制理論與工程領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程技術(shù)人員閱讀，也可作為高等院校有關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生及研究生的教學(xué)參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

前言第一章  緒論  1.1  衛(wèi)星星座  1.2  衛(wèi)星星座系統(tǒng)概述  1.3  衛(wèi)星星座的關(guān)鍵問(wèn)題  參考文獻(xiàn)第二章  星座構(gòu)型  2.1  星座軌道分析  2.2  典型星座構(gòu)型及其描述模型  2.3  Walker星座的地面軌跡  2.4  星座構(gòu)型狀態(tài)描述  2.5  星座構(gòu)型與運(yùn)行維持  2.6  星座構(gòu)型與星間鏈路  參考文獻(xiàn)第三章  星座構(gòu)型一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法  3.1  星座構(gòu)型一體化設(shè)計(jì)  3.2  星座設(shè)計(jì)的性能測(cè)度及其一般統(tǒng)計(jì)方法  3.3  星座設(shè)計(jì)優(yōu)化模型  3.4  多目標(biāo)進(jìn)化算法與約束處理  3.5  基于序列約束邊界法的約束處理方法  3.6  動(dòng)態(tài)分段優(yōu)化控制  3.7  星座多目標(biāo)、多約束化優(yōu)化方法  3.8  優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例  參考文獻(xiàn)第四章  衛(wèi)星星座系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法  4.1  星座系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)  4.2  星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本模型  4.3  系統(tǒng)可靠性模型  4.4  系統(tǒng)性能分析模型  4.5  系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)  4.6  基于協(xié)作優(yōu)化方法的星座系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)  4.7  優(yōu)化實(shí)現(xiàn)與結(jié)果  參考文獻(xiàn)第五章  星座構(gòu)型設(shè)計(jì)的參數(shù)偏置攝動(dòng)補(bǔ)償方法  5.1  參數(shù)偏置攝動(dòng)補(bǔ)償  5.2  衛(wèi)星軌道攝動(dòng)  5.3  攝動(dòng)影響下星座構(gòu)型穩(wěn)定性  5.4  攝動(dòng)影響下星座性能變化  5.5  提高星座構(gòu)型穩(wěn)定性的參數(shù)偏置攝動(dòng)補(bǔ)償方法  5.6  設(shè)計(jì)實(shí)例與分析  參考文獻(xiàn)第六章  星座構(gòu)型保持策略與方法  6.1  星座構(gòu)型控制  6.2  星座構(gòu)型最大容許漂移量  6.3  星座構(gòu)型保持控制  6.4  區(qū)域覆蓋星座構(gòu)型保持控制  參考文獻(xiàn)第七章  星座構(gòu)型重構(gòu)控制方法  7.1  星座構(gòu)型重構(gòu)  7.2  衛(wèi)星失效模式及性能影響分析  7.3  星座重構(gòu)控制  7.4  星座重構(gòu)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)  7.5  設(shè)計(jì)實(shí)例與分析  參考文獻(xiàn)第八章  星座空間備份策略與設(shè)計(jì)  8.1  星座空間備份  8.2  星座空間備份策略設(shè)計(jì)性能模型  8.3  星座空間備份策略優(yōu)化設(shè)計(jì)  參考文獻(xiàn)第九章  星座分階段部署策略與設(shè)計(jì)  9.1  分階段部署星座設(shè)計(jì)需求與約束  9.2  設(shè)計(jì)模型  9.3  基于多目標(biāo)進(jìn)化算法的星座優(yōu)化設(shè)計(jì)  9.4  設(shè)計(jì)實(shí)例和分析  參考文獻(xiàn)第十章  基于星間觀測(cè)的星座自主導(dǎo)航系統(tǒng)  10.1  基于星間觀測(cè)的星座整網(wǎng)定軌的數(shù)學(xué)分析  10.2  星座自主導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成  10.3  測(cè)量方案  10.4  時(shí)間同步  10.5  整網(wǎng)定位精度的影響因素  參考文獻(xiàn)第十一章  基于星間觀測(cè)的星座自主導(dǎo)航方法  11.1  基于星間觀測(cè)自主定軌的基本原理  11.2  秩虧自由網(wǎng)的平差解法  11.3  星座的整網(wǎng)定軌模型  11.4  快速平差方法研究  11.5  仿真結(jié)果與分析  參考文獻(xiàn)第十二章  抗差估計(jì)理論在星座自主導(dǎo)航中的應(yīng)用  12.1  抗差估計(jì)基本概念  12.2  抗差最小二乘估計(jì)  12.3  幾種星間測(cè)距網(wǎng)平差模型的抗差估計(jì)  12.4  星間測(cè)距網(wǎng)抗差方案設(shè)計(jì)  12.5  算例分析  參考文獻(xiàn)第十三章  星間觀測(cè)/星敏感器的組合導(dǎo)航方法  13.1  星光折射間接敏感地平導(dǎo)航原理  13.2  基于星間觀測(cè)+星敏感器的導(dǎo)航濾波器設(shè)計(jì)  13.3  組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真  參考文獻(xiàn)第十四章  基于GPS星歷的星座自主導(dǎo)航仿真試驗(yàn)  14.1  精密軌道預(yù)推  14.2  觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬  14.3  導(dǎo)航系統(tǒng)仿真  參考文獻(xiàn)第十五章  區(qū)域?qū)Ш叫亲鶅?yōu)化設(shè)計(jì)與控制  15.1  區(qū)域?qū)Ш叫亲O(shè)計(jì)的基本需求與約束  15.2  區(qū)域?qū)Ш叫亲鶅?yōu)化設(shè)計(jì)  15.3  區(qū)域?qū)Ш叫亲鶖U(kuò)充優(yōu)化設(shè)計(jì)  15.4  星座構(gòu)型穩(wěn)定性和控制策略  參考文獻(xiàn)第十六章  天基多基地雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)  16.1  天基多基地雷達(dá)系統(tǒng)概念  16.2  天基雷達(dá)覆蓋模型  16.3  天基多基地雷達(dá)性能分析  16.4  多基地雷達(dá)星座設(shè)計(jì)  參考文獻(xiàn)第十七章  通信星座設(shè)計(jì)  17.1  橢圓軌道通信星座設(shè)計(jì)  17.2  考慮頻率共享約束問(wèn)題的通信星座設(shè)計(jì)  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 緒論1.1 衛(wèi)星星座在衛(wèi)星應(yīng)用早期，主要通過(guò)單顆衛(wèi)星來(lái)完成任務(wù)。衛(wèi)星是依靠地球萬(wàn)有引力提供向心力飛行的航天器，它始終以一定速度繞地球飛行，因此，除個(gè)別特殊的情況（如地球靜止軌道衛(wèi)星），衛(wèi)星是不能夠固定在地球某點(diǎn)的上空的，基覆蓋區(qū)域總是隨時(shí)間的變化而不斷變化，而且這種變化規(guī)律嚴(yán)格受軌道高度和軌道傾角的制約。

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