本书主要介绍低轨大规模卫星星座理论与控制方法。全书分为12章,系统地介绍了低轨大规模卫星星座的概念和发展现状,总结了低轨大规模卫星星座的相关理论和关键技术,包括星座优化设计方法、定轨方法、分阶段部署方法、星座维持控制方法、星座重构方法、星座内部与外部**性分析方法以及低轨大规模卫星星座的评估方法。 本书可供从事卫星星座设计与控制方向的科研人员使用,也可作为高等院校航天专业的高年级本科生、研究生的教材。

第1章 绪 论 1 1.1 低轨大规模卫星星座概述 1 1.1.1 卫星星座的概念 1 1.1.2 卫星星座的分类 3 1.1.3 低轨大规模卫星星座的特点 7 1.2 低轨大规模卫星星座的发展现状 8 1.2.1 国外低轨大规模卫星星座的发展现状 8 1.2.2 国内低轨大规模卫星星座的发展现状 14 1.3 低轨大规模卫星星座控制关键技术 18 1.3.1 低轨大规模卫星星座的构型优化设计 18 1.3.2 低轨大规模卫星星座的分批部署 20 1.3.3 低轨大规模卫星星座的构型维持 25 1.3.4 低轨大规模卫星星座的构型重构 26 1.3.5 低轨大规模卫星星座的**性 26 1.3.6 低轨大规模卫星星座的卫星碰撞和离轨控制 34 参考文献 35 第2章 低轨大规模卫星星座控制动力学理论 45 2.1 Walker星座及常用坐标系定义 45 2.1.1 Walker星座 45 2.1.2 常用坐标系定义 46 2.2 低轨大规模卫星星座轨道控制的摄动模型 47 2.2.1 摄动力模型建立 48 2.2.2 卫星星座相对漂移摄动源分析 52 2.2.3 连续小推力下的轨道控制动力学方程 56 2.3 低轨大规模卫星星座构型稳定性分析 57 2.3.1 卫星轨道要素摄动变分数学模型分析 57 2.3.2 基于卫星轨道要素偏差摄动的卫星星座稳定性分析 59 参考文献 60 第3章 低轨大规模卫星星座优化设计方法 61 3.1 低轨卫星星座的基本构型 61 3.1.1 近极轨道卫星星座构型 61 3.1.2 Walker δ星座构型 62 3.1.3 Flower星座构型 63 3.2 卫星星座设计方法 65 3.2.1 几何解析法 65 3.2.2 仿真比较法 66 3.2.3 基于优化算法的设计方法 66 3.3 中轨导航卫星星座卫星失效影响分析 67 3.3.1 导航卫星星座可用性分析 67 3.3.2 卫星失效分析 70 3.4 低轨混合导航卫星星座构型优化设计 78 3.4.1 低轨导航特点分析 79 3.4.2 低轨倾斜卫星星座设计 86 3.4.3 基于 NSGA Ⅱ算法的卫星星座优化设计方法 90 3.4.4 低轨极轨道卫星星座设计 95 3.4.5 低轨混合导航卫星星座性能分析 98 3.4.6 低轨混合导航卫星星座导航增强性能分析 101 参考文献 104 第4章 低轨大规模卫星星座定轨方法 109 4.1 低轨大规模卫星星座探测方法 109 4.2 初定轨算法 111 4.2.1 初定轨算法的发展 111 4.2.2 改进的拉普拉斯算法 112 4.2.3 短弧光学初定轨的 Gooding算法 116 4.2.4 圆轨道假设下的初定轨算法 119 4.2.5 仅测角短弧初定轨不确定性分析算法 122 4.3 多站联合定轨算法 131 4.3.1 问题分析 131 4.3.2 多站拉普拉斯定轨算法 132 4.3.3 多站拉普拉斯算法定轨结果的*小二乘改进 133 4.3.4 多站联合定轨结果的不确定性 133 4.3.5 多站联合定轨算法仿真验证 134 4.4 精密定轨算法 137 4.4.1 一般非线性*小二乘问题 137 4.4.2 批处理*小二乘定轨 138 4.4.3 扩展卡尔曼滤波定轨 143 4.4.4 批处理*小二乘法与扩展卡尔曼滤波的对比 144 4.5 小推力航天器定轨方法 145 4.5.1 连续小推力下的精密定轨 145 4.5.2 简化的推力参数辨识方法 147 参考文献 150 第5章 低轨大规模卫星星座分批部署方法 151 5.1 卫星初始轨道要素变分摄动演化分析 151 5.1.1 卫星初始轨道要素偏差的蒙特卡洛仿真 152 5.1.2 卫星星座结构稳定性量化分析 152 5.2 卫星星座初始化策略分析 155 5.2.1 卫星星座轨道面升交点赤经初始化策略分析 156 5.2.2 卫星星座轨道面内相位初始化策略分析 157 5.2.3 卫星星座轨道面内相位初始化仿真 158 5.3 初始化参数补偿方法 160 5.3.1 基于轨道倾角偏置的卫星升交点赤经补偿方法 160 5.3.2 基于轨道倾角偏置的卫星升交点赤经补偿方法仿真 161 5.4 低轨卫星星座分阶段部署方案设计 162 5.4.1 分阶段部署方案描述 162 5.4.2 分阶段部署模型建立 164 5.5 基于 NSGA Ⅱ算法的停泊轨道优化设计方法 167 5.5.1 决策变量与目标函数 167 5.5.2 时间和燃料消耗*小化 167 5.6 仿真分析 168 5.6.1 低轨倾斜卫星星座部署 168 5.6.2 极轨道卫星星座部署 172 参考文献 174 第6章 低轨大规模卫星星座维持控制方法 175 6.1 卫星星座构型维持研究现状 175 6.1.1 参数偏置法 176 6.1.2 大气阻力拖拽 177 6.1.3 其他方法 177 6.2 卫星星座站位保持分析 178 6.2.1 卫星星座站位保持内容 178 6.2.2 卫星星座站位保持参考基准 178 6.2.3 参考基准星相位演化分析 179 6.3 卫星星座站位保持方法 179 6.3.1 相位保持环方法 180 6.3.2 相位保持极限环控制参数计算 180 6.4 卫星星座站位保持策略分析与仿真 181 6.4.1 卫星星座站位保持策略 181 6.4.2 **相位保持策略 183 6.4.3 **相位保持策略仿真分析 184 6.4.4 相对相位保持策略 186 6.4.5 相对相位保持策略仿真分析 187 6.5 基于连续小推力的轨道控制方案优化分析 189 6.5.1 电推进模型 189 6.5.2 *优控制的数学问题 190 6.5.3 轨道参数联合控制策略分析 191 6.5.4 轨道参数联合控制策略仿真分析 194 参考文献 196 第7章 低轨大规模卫星星座重构控制方法 198 7.1 卫星星座在轨重构研究现状 198 7.1.1 在轨重构指标 198 7.1.2 在轨重构优化算法 199 7.2 卫星星座在轨重构理论分析 200 7.2.1 重构指标 200 7.2.2 重构机动方式 201 7.3 基于分解的多目标进化算法的卫星星座重构方法 202 7.3.1 编码方式 202 7.3.2 基于分解的多目标进化算法 203 7.4 重构控制仿真分析 205 7.4.1 参数设置 205 7.4.2 重构分析 206 参考文献 209 第8章 低轨大规模卫星星座内部**性分析方法 211 8.1 基于 TLE和SGP4预报模型的短期预报误差分析 211 8.1.1 坐标系定义及转换 212 8.1.2 TLE和SGP4模型介绍 213 8.1.3 基于 TLE实测数据的SGP4预报模型短期误差传播曲线 215 8.1.4 TLE误差传播曲线合理性检验 224 8.2 卫星星座内部**性分析 226 8.2.1 低轨大规模卫星星座*小相位差计算方法 226 8.2.2 卫星星座构型参数与升交点赤经漂移量对轨道面*小相位差的影响 228 8.3 低轨大规模卫星星座卫星*大漂移量分析 233 8.4 基于*小相位差的卫星星座构型参数协同设计及*大漂移量仿真 235 参考文献 239 第9章 低轨大规模卫星星座外部**性分析方法 241 9.1 低轨大规模卫星星座与空间碎片短期**性分析 241 9.1.1 空间目标接近分析 241 9.1.2 空间目标交会碰撞概率计算方法 247 9.2 低轨大规模卫星星座与空间碎片长期**性分析 251 9.2.1 模型假设 251 9.2.2 空间物体密度计算方法 252 9.2.3 壳层内空间碎片演化模型 254 9.3 碰撞仿真分析 259 9.3.1 低轨大规模卫星星座短期碰撞仿真分析 259 9.3.2 低轨大规模卫星星座长期碰撞仿真分析 261 参考文献 265 第10章 低轨大规模卫星星座离轨控制方法 267 10.1 卫星离轨控制方法 267 10.1.1 电动力缆绳离轨 268 10.1.2 大气阻力离轨 269 10.1.3 电推力器离轨 269 10.2 电推进*优控制律推导 271 10.2.1 摄动方程 271 10.2.2 推力方向和燃料消耗率 273 10.3 基于电推力的离轨控制方法分析 273 10.3.1 *优控制率 273 10.3.2 基于增广拉格朗日粒子群算法的离轨策略 274 10.4 离轨策略仿真分析 278 10.4.1 仿真条件和参数 278 10.4.2 仿真结果及分析 279 参考文献 283 第11章 低轨大规模卫星星座评估方法 287 11.1 卫星星座性能评估研究 287 11.1.1 卫星星座任务性能评估研究 288 11.1.2 卫星星座构型性能评估研究 289 11.2 建立指标体系 291 11.3 卫星星座构型性能评估 292 11.3.1 卫星星座覆盖性能分析 292 11.3.2 仿真验证 296 11.4 卫星星座任务性能评估 302 11.4.1 通信指标分析 302 11.4.2 OPNET 仿真建模 304 11.4.3 仿真模型建立与分析 305 11.5 卫星星座构型维持和维持成本分析 310 11.5.1 理论分析 310 11.5.2 构型维持评估模型 311 11.5.3 仿真分析 314 参考文献 321 第12章 星链卫星星座构型及性能分析 324 12.1 星链卫星星座的发展态势 324 12.2 星链卫星星座部署分析 326 12.2.1 不确定事件下的卫星部署分析 326 12.2.2 星链卫星星座升交点赤经部署分析 326 12.2.3 星链卫星星座相位部署分析 331 12.3 星链卫星星座性能分析 335 12.3.1 星链卫星星座壳层1子星座覆盖性能 335 12.3.2 星链卫星星座壳层1、3和5子星座覆盖性能 338 12.3.3 星链卫星星座壳层1、3、5和4子星座覆盖性能 340 12.3.4 星链卫星星座壳层1、3、5、4和2子星座覆盖性能 342 参考文献 344