星座图 通信:微纳卫星星座和编队组网技术研究进展
微纳卫星星座和编队组网技术研究进展
1.t引言微纳卫星自上世纪80年代伴随微电子、微机电等技术的兴起而发展至今，全球研究机构广泛认同微纳卫星在微小型化、功能密度、研制成本、发射难度、灵活性等方面具备极大的优势，其单颗卫星在轨功能有限，这也成为阻碍微纳卫星广泛应用于各类航天任务的最大限制条件。采用多颗卫星协同工作，可以显著发挥微纳卫星的优势，同时可以克服其单星工作存在的缺点，也是微纳卫星相关技术研究中最具应用价值和潜力的发展方向。与单纯的分布式卫星（如：协同卫星更加注重结构功能，即多颗卫星相互配合完成任务。协同微纳卫星系统的定义是：由多颗（2颗或2颗以上）微纳卫星按一定要求分布在一种或多种轨道上，共同协作完成某项空间飞行任务（例如：观测、通信、侦察、导航等），从而使空间飞行获得更大的应用价值。星座和编队组网是协同微纳卫星系统的两种最主要形式。2.t微纳卫星星座和编队组网的特点和应用2.1t微纳卫星星座2.1.1t微纳卫星星座的概念微纳卫星星座是为完成某一特定空间任务而协同工作的多颗微纳卫星的集合，主要目的是通过星座中的多星协同增加对地面的覆盖面积或者缩短重访时间。由于星座执行任务过程中没有固定的分布构型需求，通过单星轨道控制保持对地覆盖特性，各星之间也可以不存在任何信息交换和服务。2.1.2t微纳卫星星座的特点微纳卫星通常工作在低轨（500km-1500km），发射和配置简单，不存在高轨卫星具有的高通信延时，对于构建星座而言优势明显。单颗微纳卫星的功能简单，构成星座的卫星数量较多，卫星寿命相对较低，使微纳卫星星座系统庞大而复杂，同时给地面测控带来较大压力。微纳卫星星座的构建要在任务需求和实现方法中平衡决策，以达到最优的星座性能。微纳卫星星座的性能可以归纳为以下几点：对于全球范围、特定区域的最大、最小、平均覆盖度和可见度；对于目标的覆盖质量，对于目标的覆盖时间间隔，地面站、星间链路和天基中继通信系统的覆盖度和可见度；从数据请求或数据采集到用户接收到数据的时间间隔；星座功能冗余以及备份星替补、故障星脱轨能力。2.1.3t微纳卫星星座的应用和发展卫星星座的发展最早可以追溯到上世纪60年代。随着空间技术进步和应用方面需求，使得卫星星座的应用数量日益增加，世界各国相继开展了微纳卫星星座的研究和建设工作。从已建立的各类微纳卫星星座来看，星座从任务功能上可以分为导航星座、通信或数据中继星座、遥感星座（侦察、预警、环境监测等）、科学试验星座等。以下介绍几个具有代表性的微纳卫星星座来说明微纳卫星星座的技术发展水平。a)tOrbcomm通信卫星星座Orbcomm卫星通信系统是美国三大低轨移动星座卫星系统之一，能够实现短数据（非话音）全球通信。它具有投资少、周期短、兼备通信和定位能力、卫星重量轻、用户终端小巧便携、星座运行时自动化程度高、自主功能强等优点；它是全球第一个也是唯一的双向短数据低轨微纳卫星通信系统。图1Orbcomm通信卫星星座自1991年起至今。搭载其自行研制的光学系统和相机，星座分布在420km轨道高度、58度轨道倾角的国际空间站轨道和475km轨道高度、98度（或更高）轨道倾角的太阳同步轨道的两条轨道上，采用在相同轨道高密度布置相位不同的卫星的方式提高对地覆盖的面积。图3鸽群星座遥感覆盖方式和现阶段部署覆盖范围鸽群星座是目前世界上唯一具有全球高分辨率、高频次、全覆盖能力的遥感卫星系统。鸽群卫星星座目前已经实现对全球范围的观测，对于绝大多数热点区域和国家甚至可以达到每天超过一百次的观测频次。PlanetLabs公司至今已积累了超过80亿平方公里的地球遥感数据，其中鸽群星座自身可以达到3m～5m的对地分辨率，快眼星座可以提供每天高达5百万平方公里的高精度遥感数据。遥感微纳卫星星座是由我国珠海市欧比特公司规划、航天东方红卫星股份有限公司研制的。星座由12颗视频微纳卫星、4颗高光谱微纳卫星及2颗SAR微纳卫星组成，在空间形成一个高效的遥感微纳卫星星座，预计将在未来2～3年内发射部署完成。其首批两颗欧比特视频卫星-1A和1B（OVS-1A和1B）于2017年6月在酒泉卫星发射中心搭载长征四号B运载火箭发射升空。这两颗卫星为视频成像卫星，具有凝视视频和条带成像两种工作模式，珠海一号星座将实现对全球遥感数据每5天更新一次。图4珠海一号遥感微纳卫星星座该星座在全球范围内采集可见光图像、可见光视频以及高光谱图像等类型的高时空分辨率的海量对地遥感数据，形成全天时、全天候的对地观测能力，并且可以为同一观测对象提供多种类型的遥感数据，实现全方位精准遥感。数据经地面应用系统接收和处理形成高价值的卫星大数据产品，可为全球的政府、企业以及个人等类型客户提供新型的卫星数据服务。珠海一号是我国第一个由民营上市企业投资并运营的遥感微纳卫星星座，也是我国在遥感微纳卫星星座领域迈出的具有开拓性的一步。2.2t微纳卫星编队飞行2.2.1t微纳卫星编队飞行的概念微纳卫星编队飞行指由若干个卫星构成一个特定形状，这个特定形状的各个卫星，单个卫星基本不能单独发挥功能作用，共同承担信号处理、通信、有效载荷工作等。各星按编队飞行要求保持队形，需要依靠星间闭环编队控制才能实现。2.2.2t微纳卫星编队飞行的特点编队组网的微纳卫星其任务功能是由整个编队飞行的各个卫星共同来完成，同时利用轻巧灵活的微纳卫星代替庞大复杂的大卫星，更大程度提高了整个系统的尺度和能力，提供极大的测量基线，还可以实现对同一个目标区域观测数据的干涉与合成从而获得极高的观测精度，编队组网的微纳卫星通常具有灵活的加入和退出机制。从而降低了对地面站的依赖。度大、相位同步与要求满足干涉条件非常严格、预算超支等原因，图5TechSat-21计划构想图b)t3Csat编队3Csat（3CornerSat）三角形纳星由美国三所大学研制，目的是为了实现纳星编队飞行，进行气象立体成像技术演示。其中科罗拉多大学博尔德分校和亚利桑那州立大学研制的两颗卫星于2004年发射升空；新墨西州州立大学研制的一颗卫星研制延迟未能赶上发射时间。两颗卫星由于德尔塔4号重型火箭首次发射时出现问题，图63Csat中的两颗已完成卫星c)tION-F编队ION-F（IonosphericObservation-Nanosatellite-Formation）电离层观测-纳星-编队是由美国三所大学研制的用来测量电离层密度不均匀对无线电传播（包括通信、导航、全球定位系统等）的影响的卫星编队。每颗卫星为质量15kg的三轴对地稳定卫星。三颗卫星组成一条串珠型卫星编队，两颗卫星搭载推进系统用于控制串珠型编队的构型。ION-F是国际上第一次进行近地轨道空间环境监测的微纳卫星编队的尝试。又称分离模块化航天器（FractionatedSpacecraft），提出由功能分解、结构分离、无线连接的标准化、模块化编队飞行，实现各种各样组合航天器，在空间执行各种飞行任务，被称为设计、研制航天器的重大技术革命。但由于当时卫星的质量、体积、成本过高而未能进入实际研发阶段。OwenBrown基于现有微纳卫星技术提出了“美国国防高等研究计划署（DARPA）牵头多家公司着手实施，图8F6计划构想图3.t微纳卫星星座和编队组网的关键技术3.1t高功能密度微纳卫星技术微纳卫星在星座和编队组网应用中的优势是通过其极高的功能密度实现的。所谓功能密度是指单位重量微纳卫星所能提供的功能，说明微纳卫星重量轻且提供的功能水平高。高功能密度微纳卫星中的“其一是卫星平台各个分系统和部件的功能密集度高，实现消耗更少的系统资源（如质量、体积、功耗等）而输出更高的性能指标；目前微纳卫星的载荷占比一般都在30%～40%左右，才能适应复杂空间任务的需求。高功能密度既是微纳卫星技术的未来发展方向，也是在星座和编队系统应用中相比常规卫星最突出的优势，对整个协同卫星系统将产生重要影响，3.2t星座和编队构型设计星座和编队构型在设计上所面临的共同问题，是都需要综合考量效益成本、任务需求、实现难度、运营维护能力等方面因素，无法单纯依赖数字仿真的方法进行设计。对于微纳卫星星座设计而言，覆盖是星座设计的基本点，星座形式、卫星数量就会有明显的不同，针对不同任务也已经实现了持续性全球覆盖、持续性地带覆盖以及持续性或间断性区域覆盖等不同的覆盖要求。4）在轨运行过程中的任务计划与规划；如何进行轨道规划和资源分配，如何建立自主协作控制仿真环境，都是未来微纳卫星星座和编队自主运行理论和实践需要解决的问题。3.4t星间相对测量和控制星间相对测量技术主要包括星间距离测量、方位测量和相对位置测量等。对于协同卫星系统各卫星间的相对测量技术，测量卫星间相对距离和角度关系，用于计算相对位置、速度和卫星姿态；2）基于全球定位系统（GPS）的差分相对导航；3）星间测距系统：通过卫星星载测距系统收发无线电信号，获得各星间伪距或载波相位观测信息，可以得到高精度相对位置、速度和卫星姿态信息。前两种相对测量技术相对测量精度可达到cm级，星间测距系统的相对测量精度甚至可达到μm级。星间相对控制的主要任务是实施编队捕获、编队重构和编队保持，这些自由度经常耦合且难以解耦分开解决，因此对于星座和编队的星间相对控制是一个多变量的复杂系统控制，然后才具体设计控制系统技术。国内外学者已经针对不同星间相对控制任务提出了比例微分（PD）控制方法、离散速度脉冲控制方法、鲁棒控制方法等，3.5t高效率轨道控制和转移技术轨道控制能力是未来微纳卫星组成星座和编队的必备能力，用以实现微纳卫星的轨道控制和轨道转移，这是依赖高效率微推进系统实现的。我们终于徒手绘制成功了神秘的汽车界十二星座图谱……！
无线通信中，为什么要把信号调制到高频？为什么要有星座图映射？
无线通信中，为什么要把信号调制到高频？为什么要有星座图映射？
一个星座点对应一个调制符号.11四种状态），QPSK四个点组成一个QPSK的星座图，而接收时用于判断发送的到底是哪个点。学过通信原理或者数字通信的应该知道，依次类推）.，则是根据接收信号与星座图上4个点的距离（一般称为欧式距离）来判断发送的是哪个信号，其信息量是发送一个bit的2倍，此时可以选择QPSK（四相位调制，这样没发送一个调制符号。因此星座图的作用主要是在调制时用于映射（比如QPSK，从而提高传输速率，一般不会直接发0或者1，每个点与相邻的点相差90度（幅度是相同的），要将数字信号发送出去,而QPSK信号接收解调的时候，（如果没3个bit的话是8种状态,通信里 星座图 到底是什么意思
否则判为其他点，一个星座点对应一个调制符号.11四种状态），QPSK四个点组成一个QPSK的星座图，而接收时用于判断发送的到底是哪个点。学过通信原理或者数字通信的应该知道，依次类推）.，如果离00点最近，则是根据接收信号与星座图上4个点的距离（一般称为欧式距离）来判断发送的是哪个信号，其信息量是发送一个bit的2倍，此时可以选择QPSK（四相位调制，即有00，这样没发送一个调制符号。因此星座图的作用主要是在调制时用于映射（比如QPSK，从而提高传输速率，一般不会直接发0或者1，则判为00，每个点与相邻的点相差90度（幅度是相同的），要将数字信号发送出去,64QAM等）；而QPSK信号接收解调的时候，（如果没3个bit的话是8种状态,10，总共四种状态.,1信号（bit）按照一个或者几个组成一组,01,16QAM，而是先将0星座图是目前数字调制的一个基本概念，从而正确解调数据，自己画一下就知道了，对应前面00,11，比如每两个bit组成一组解调前后的星座图有什么区别
其实黄道上也不止13个星座，太阳系的移动及各恒星本身的运动等原因,现在的黄道星座位置与1500年前的大不相同，所以星座进行了调解变成13星座，其多了一个蛇夫座而已。其实不管黄道上到底有多少个星座。信号星座图是用来表示什么的？
星座图是看数字调制的质量的，不同的调试方式，通常通过类似与直角坐标系内的点表示。QPSK是四个象限各一个点。如何根据星座图划分判决域 通信原理
白羊座（3月21日 - 4月20日）白羊座的符号象征羊的头，由白羊座的神话可以联想到一些特质，例如冲动、喜欢自由、勇往直前。也有人指白羊座的符号是象征新生的绿芽，金牛座（4月21日 - 5月21日）金牛座的符号象征了牛的头，也是以简单的线条描绘出牛的形象；由金牛座的神话可以发现，金牛座的外表温驯，但上面的牛角则提示我们脾气有爆发的时候。双子座（5月22日 - 6月21日）双子座的符号象征双胞胎，由双子座的神话可以知道双子座的二元性和内在的矛盾。其实双子座所代表的不只是二元性，巨蟹座（6月22日 - 7月22日）巨蟹座的符号象征胸，也就是说明了巨蟹和胸有关；由巨蟹座的神话可以想像，其实巨蟹座的符号是象征巨蟹的甲壳，由此也可看出巨蟹座所具自我保护特质，狮子座（7月23日 - 8月22日）狮子座的符号象征狮子的尾巴，充分显示了狮子座的个性；由狮子座的神话可以联想到，狮子座的风流与热情。由狮子去联想狮子座的特性，处女座（8月23日 - 9月22日）处女座的符号象征女性的生殖器；处女座的神话中，由处女去联想处女座的特质，处女也代表了安静和敏锐。天秤座（9月23日 - 10月23日）天秤座的符号象征一杆秤子，在天秤座的神话中可以看出天秤座公平的特质。可以看出天秤座追求平衡的基本念头，摇摆不定的秤子也表现出天秤座的犹豫不决。天蝎座（10月24日 - 11月22日）天蝎座的符号象征男性的生殖器；由天蝎座的神话中，可以知道天蝎座是忌妒的来源。由男性生殖器可以知道天蝎座对性的欲望，也有人认为天蝎座的符号是象征蝎子的甲壳和毒针，射手座（11月23日 - 12月21日）射手座的符号象征是射手手中的箭，由射手座的神话可以看出射手座的智慧和对知识的追求。下半身的马象征着对理想的追求。
