GNSS星座的设计要点

星座设计与性能分析随着科技的进步和数字化时代的到来，星座系统日益成为通信领域不可或缺的一部分。

星座设计和性能分析则是星座系统建设过程中两个重要的环节。

在本文中，我们将深入探讨这两方面的内容。

一、星座设计星座设计是指根据通信系统的需要，设计出合适的星座映射，并为其选择合适的调制方式，以保证信号在传输过程中不失真、正确解调。

在星座设计中，要考虑到以下几个方面：1. 星座点数星座的点数越多，每个点所表达的信息单元就越多，可达到更高的数据传输率。

但是，点数过多也会有不利影响，如易于出现互干扰、误差扩散等问题，同时需要更宽的带宽进行传输，增加了传输成本。

2. 星座布局星座布局是指各个星座点在平面内的位置关系。

常见的有矩形、正交和圆形等多种布局方式。

不同的布局方式会直接影响信号的性能，如抗干扰能力、误码率、误差向量分布等。

3. 星座映射星座映射是将不同的数字信号映射成不同的星座点进行调制。

目前常用的星座映射方法有格雷码映射、迪布利映射等。

不同的映射方法需根据其特点进行合理选择。

4. 调制方式星座调制方式可分为PSK、QAM等多种。

不同的调制方式表现出的性能有所差异，例如，QAM通常具有更高的传输速率，但也更容易发生信号失真，需要更精确的信号处理方案来处理这种情况。

二、性能分析星座系统性能分析是指评估星座系统在实际应用中表现出的各种性能指标。

主要的性能指标有误码率、带宽利用率、错误向量分布、抗噪声能力、发射功率等。

对于不同的通信系统，这些性能指标的重要程度也不相同。

1. 误码率误码率是指位于解调器输出端的码错误比例。

它是衡量通信系统性能的一个重要指标。

误码率越低，代表着系统传输和解调时的错误率越低，性能越好。

目前，误码率在0.001以下的系统已经普遍应用，而在更高速率的通信系统中，误码率控制在较低水平是十分重要的。

2. 带宽利用率带宽利用率是指通信系统有效利用带宽的比例，与误码率一样也是评估系统性能的重要指标。

0254-6124/2021 /41 (3)-475-08Chin. J. Space Sci.空间科学学报W A N G Jueycio, F U Yang, BAI Weihua, W E I Shilong, G U O Bibo, Y A N Feng, XIE Chengqing. Design of G N S S remote sensing satellite constellation (in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2021, 41(3): 475-482. DOI:10.11728/cjss2021.03.475G N S S遥感探测卫星星座设计+王珏瑶1符养2白伟华3魏世隆1郭碧波1闫峰1谢成清11(深圳航天东方红卫星有限公司深圳518057)2(北京应用气象研究所北京100029)3(中国科学院国家空间科学中心北京100190)摘要随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS)掩星大气探测技术的兴起，GNSS 遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位，但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的 需求，未来更需要充分利用GNSS信号资源，开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发 布的大气海洋数据需求为参考，提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下，利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响，并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计 基本准则.以风云卫星为子星座，给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究 结果表明，具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求，三种构型方案中.由高、中、低倾角三组Walker•子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.关键词卫星星座，GNSS，无线电遥感，气象探测，微纳卫星中图分类号V 474D esign of G N S S R e m o te S ensingS a te llite C o n ste lla tio nWANG Jueyao1FU Yang2BAI Weihua3WEI Shilong1GUO Bibo1YAN Feng1XIE Chengqing1l(Shenzhen Aerospace Dongfanghong Satellite Ltd,., Shenzhen518057)2(Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing100029)^(National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190)A b s t r a c t G l o b a l N a v i g a t i o n Satellite S y s t e m (G N S S) r e m o t e sensing c a n p rovide irreplaceable at­m o s p h e r i c s o u n d i n g d a t a b a s e d o n its s o u n d i n g technology. B u t the research o n satellite constellation design for G N S S r e m o t e sensing is relatively b a c k w a r d.In-orbit resources h a v e no t b e e n fully utilized, **国家自然科学基金项目资助（41405039, 11802073)2019-12-18收到原稿，2020-10-12收到修定稿E-mail: 188****************476Chin. J. Space Sci.空间科学学报2〇21, 41(3)and the design of sounding satellite constellation lacks systematic and theoretical support. Under the assumption of ideal atmosphere model, the effect of configuration parameters of sounding constella­tion on sounding performance is studied by geometric analysis method. With 200km x200kmx6h as the reference scale, the design criteria for the new generation of GNSS remote sensing sounding satellite constellation are established. Four of FY-3 satellites are combined to make GNSS remote sensing satellite constellation optimization design results under three kinds of constellation configu­rations. The results show that the design criteria are feasible and instructive. In combination with the FY-3 satellites, three Walker sub-constellations with inclination of 68°, 60° and 24° have the best performance.K e y w o r d s Satellite constellation, Radio remote sensing, GNSS, Meteorological sounding,Micro-Nano satellite〇引言近20年来，全球导航卫星系统（G l o b a l N a v i­g a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m，G N S S) 气象学已成为地球 遥感领域的热门学科之一.G N S S大气海洋遥感技 术从试验阶段逐步向业务化应用转化，在数值天气 预报、热带台风预警、气候研究等领域取得了显著 进展.欧洲中期数值预报中心评估认为，G N S S掩 星大气探测获取的大气参数廓线资料是降低全球数 值天气预报误差的最佳数据源之一 各国正逐步脱离单星或多星技术测试系统，进一步研发具备 业务功能的大规模星座探测系统.目前，在轨运营 的G N S S遥感探测卫星星座均由美国政府部门主导 研发，包括美国国家海洋和大气管理局与中国台湾地 区共同建设的C O S M I C-2星座，S p i r e公司研制的立 方星气象星座，美国航空航天局的全球导航卫星台风 监测星座C Y G N S S等卜51.此外，中国近年发射 的风云三号气象卫星（C/D星）和欧洲的M e t O p卫 星（A/B/C星）上也搭载了 G N S S遥感载荷，可获取 有限的大气海洋探测数据[6_81.与传统光学遥感载 荷相比.G N S S遥感探测载荷具有体积小、重量轻、功耗低等特点，适合微纳卫星平台搭载.基于微纳卫 星组建的大规模G N S S遥感探测星座具有极高的投 入产出比和高弹性优势，S p i r e公司近5年来先后设 计、制造并发射了 84颗G N S S遥感探测卫星，探 测载荷已实现对G P S,G L O N A S S,G a l i l e o和Q Z S S 等G N S S的信号兼容接收，并计划发展由数以百计 微纳卫星组成的G N S S大气海洋遥感星座，实现每 日对全球任意地点的近百次全天候全天时G N S S遥感探测[41.星座设计是一项基于任务需求与约束，通过分析 对比方案性能迭代寻优的设计过程.源于GNSS遥感 探测具有典型的随机特性，难以通过解析方法精准预 估此类星座的探测性能.现有G N SS大气掩星探测 星座设计研究多采用枚举法，逐一仿真分析星座参 数对星座探测性能的影响，并通过大量数值仿真进 行星座参数的迭代寻优m21，星座设计效率低，不 利于实现大规模星座设计.试验型的COSM IC星座 将6颗轨道倾角为72°的卫星以30°间隔均分在6 个轨道面上，探测资料纬度方向均匀性不理想；业务 型COSMIC-2星座仅包含6颗卫星，轨道倾角为24°，中高纬地区无覆盖.欧洲的M etO p和中国风云三号 卫星是在传统气象卫星上搭载GNSS遥感探测载荷，卫星数量少，探测的覆盖性和效能受到约束.关于如何高效设计满足气象海洋预报业务需求的GNSS 海面反射（简称海反）探测星座的研究较少.本文从 世界气象组织（World Meteorological Organization, W M O)推荐的大气海洋参数探测需求出发，以数值 天气（海洋）预报为应用背景，研究进一步提升探测 效能的G N SS遥感卫星星座最优设计方案，为未来 发展业务化GNSS遥感星座提供技术参考.1GNSS遥感探测星座特点与任务需求穿过地球大气的GNSS无线电信号在传播过程 中由于大气介质的干预使得信号的相位和振幅发生 变化，是GNSS 卫星测量的误差源之一.相对于解决王珏瑤等：G N SS遥感探測卫星星座设计477如何在空间测量技术中消除这些误差的正演问 题研究，G N S S遥感是通过在低轨道（L o w E a r t h O r­b i t,L E O)上运行的探测载荷高频接收 G N S S无线电 信号，再利用这些含有误差的信号求解大气海洋环境 参数的反演问题研究.G N S S卫星提供探测信号源. L E O卫星接收G N S S信号执行探测，主要以掩星探 测和海反探测两种方式为主，如图1中红色和橙色 线所示.当G N S S卫星相对L E O卫星从地表升起或下沉 时，即发生掩星事件.基T-掩星事件的临边观测特性. 星载接收机可以高频采集自地表以上高度内包含大 气介质诱因的G N S S无线电信号数据，通过多频对 比或与所接收的其他G N S S卫星无线电信号数据对 比，可以反演出地表以上高度内的干湿气压、温度、电子密度等地球大气剖面数据.类似地.当G N S S卫 星与L E O卫星和地表（海面）构成反射几何关系时.即发生海反事件.星载接收机高频采集经海面反射 的G N S S信号，通过与来自其他G N S S卫星的直射 信号数据对比，可以反演出海面高度、海面风场、海 水盐度等海洋数据.图1G N S S遥感探测Fig. 1Position relationship between the G N S S-L E Osatellites and the Earth基于掩星几何关系、反射几何关系的G N S S遥感探测应用与常规遥感卫星应用存在巨大差异，探测事件的发生具有随机性和离散性，测点位置与瞬时G N S S卫星、L E O卫星、地球三者位姿紧密相关，测点地表投影大致随L E O卫星星下点轨迹分布.这里从密切贴合气象应用需求的角度出发，基于W M O发布的大气海洋数据需求（见表1)[131,提出满足大气海洋数据需求基础值的G N S S遥感探测星座任务需求实现6h内全球测点投影间距200k m分布.同时，提出对G N S S遥感资源最大化利用的理念，建立以下G N S S遥感探测星座设计约束.⑴充分利用中国G N S S遥感探测资源，将拟于2〇2〇年后入轨的4颗风云三号（E/F/G/R星)系列卫星作为探测星座的子星座完成星座设计.(2) 选取北斗三号卫星标称星座和g p s,G l o­n a s s及 G a l i l e o目前在轨卫星 （总计 m 颗）作为G N S S遥感主信源M l.分析中国境内及周边区域内探测性能时，考虑将I R N S S和Q Z S S目前在轨的11颗卫星作为补充信源.(3) 将G N S S掩星遥感探测作为主遥感方式.参考C O S M I C系列卫星和风云卫星载荷参数,预设星载G N S S掩星接收天线安装分装在探测卫星运行前后双向，水平视场范围为±40°;原始探测数据反演成功率约为70%丨3,61.2 GNSS遥感探测星座设计准则由G N S S掩星遥感探测原理可知，在理想的洋葱型大气模型假设下.基于星地-星临边几何关系的掩星遥感探测问题可近似转化为仅与L E O卫星轨道相关的星地遥感探测问题[151.单轨道周期内，虚拟星地遥感观测域呈现带状覆盖特性.利用几何关系可G N S S9 satellite B表i部分大气海洋数据需求T a b le 1 S e c tio n a l a tm o s p h e ric a n d o c e a n ic d a t a r e q u ire m e n ts参数名称应用领域水平间距需求/k m观测周期需求/h数据范围最理想最适度最低最理想最适度最低大气温度数值预报501005001624全球对流层温度短期预报10252000.516全球近地表气压数值预报15502500.516全球水蒸气数值预报155********全球水平风场海洋应用10502001324全球Orbit altitude/km图2全球GN S S遥感探测卫星轨道倾角极值变化曲线Fig. 2 Inclination curve for global GN S Sremote sensingwith different orbit altitudes50°, 80°时不同轨道咼度LE O卫星相邻轨交点经度差，两条黑色虚线标识虚拟星地遥感观测条带边界与 星下点地心角极值.理想假定下，当L E O卫星轨道高度接近600km时，任选卫星轨道倾角可实现相邻轨圈无缝覆盖;当LE O卫星轨道高度达到750 km或以上时，任选卫星轨道倾角均可严格实现相邻轨圈无 缝覆盖.基于该虚拟星地遥感模型和GN S S遥感探测星座任务需求与设计约束，提出G N S S遥感探测星座 设计基本准则如下.准则1为实现200km x200km x6h 的时空分辨率，理论上地表可分为12 780个网格，则单位时间 内可实现全球探测的星座所含卫星数量计算式为A ^le o> ceil(12 780 - OJ^fy)^O .T S 'l e o⑷式中，c e i l 为向上取整函数，f c 为覆盖重数，S F Y 为单 位时间内风云卫星总探测量，5L E O 为单位时间内单推导G N S S遥感探测覆盖边界与星下点间地心夹角 算式如下：<A (-f ^L E 〇) = 4a r c t a n | c o s a r c t a n(c o s 0(F)t a n (<5A n t H /2)) ]tan0(F)}.⑴式中，<5A n t H 为星载掩星接收天线水平视场，为随L E O卫星轨道高度//变化的虚拟星地遥感观测条带边界与星下点间地心角函数.G N S S掩星遥感探测纬度覆盖范围主要由L E O卫星轨道倾角、轨道 髙度和天线视场决定.当0分别取最大、最小值时，可以实现全纬度覆盖的GN S S遥感星座内LE O卫星轨道倾角阀值如图2所示.轨道倾角极值随天线 7JC 平视场的扩大而降低,轨道倾角极值随轨道高度的 增高而降低.利用轨道交点周期，其计算式为式中，a 为轨道半长轴./为轨道倾角，/x 为地心引力 常数，凡为地球半径，J 2为地球非球形摄动因子,可 以得到卫星相邻轨圈地理经度差为Aip = T N (w e — /?), (3)式中，％为地球自转角速度为轨道升交点赤经漂 移速率.由式（3)可计算不同轨道高度LE O卫星相邻轨地理经度差与虚拟星-地遥感观测域间的关系，如 图3所示.图3中红绿蓝线分别标识轨道倾角为20°，32478Chin. J. Space S c i .空间科学学报 2〇21, 41(3)Extremum value Orbit inclination2〇 I -----------1-----------1-----------1-----------1-----------5006007008009001000Orbit altitude / km(0)/U O !1C O .S P U J I B .t ;q J O l >P B J M O J J <u Qi345678912o o o o oo o ----1100()(90()()8)()7)()007654321098765 457777777766666^(o )/u.2J B U I o u l e 3llqJO3P S S 0J O.8643 2 2 2()/3J c t l u c «3I J l u 3o 03o图3卫星星下点轨迹地理经度差与覆盖范围对比Fig. 3Contrast between the ground tracks gap and the detection range王J 玉瑶等：G N SS 遥感探測卫星星座设计479颗L E O探测卫星探测量的均值.准则2为提高掩星品质，探测星座内卫星轨道应选用圆形112'15]，且以顺行轨道为佳.即e = 0,I e [0,90°].(5)准则3为实现全球均匀覆盖，基于图2选择探测星座内卫星轨道倾角.当星座内存在不同轨道倾 角时，为改善不同倾角子星座相对漂移产生的探测性 能浮动性，基于圆轨道卫星升交点赤经漂移率亡算 式，推导出构建相同升交点赤经漂移速率所需轨道倾 角/与轨道高度丑匹配值的计算式为a = H Re^/.Re + H j \3b _ cos/j⑵\ Re Hj ) COS Ij式中：为地球半径；丑为卫星轨道高度；J 为卫星轨道倾角.显然，较高的轨道配置和较低的倾角有利 于缩小升交点赤经漂移速率差.准则4为实现较高投入产出比，可利用探测星座内卫星运行特性实现连续轨圈无缝覆盖.降低星座成本.由图3可知，实现全球覆盖的L E O 卫星相邻 轨圈可覆盖赤道圈经度差约为35°，理论上单颗LE O卫星绕地运行12轨圈可实现全经度覆盖.显然，探 测星座内同倾角、同轨道高度卫星组建的子星座轨 道面数P 不小于6,有助于提高探测覆盖时空均匀 性，即P^ 6.(8)准则5探测星座内卫星轨道高度应基于图3择低选择.一方面.从探测效能考虑，轨道尚度越 低，L E O卫星绕地运行速率越快，单位时间内探测 概率越高；另一方面，从星座成本考虑，轨道髙度越低，LE O卫星寿命末期主动离轨所需的速度增量需求越低，推进代价越小，整星质量越小.3 GNSS 遥感探测星座优化设计方案3.1星座建模3.1.1卫星轨道高度与倾角设计依据准则2和准则5,可初步设定GN S S遥感星座包含600km高度卫星轨道.由式⑴可知，600km高度卫星轨道倾角应不低于24°，实现全球覆盖的卫星倾角最小值约为74°.由式（6)可知，卫星轨道面 漂移速率由轨道倾角、轨道高度共同决定，为减小不 同倾角卫星间碰撞概率，考虑卫星轨道短周期摄动作 用下的瞬根波动规律，依据经验设定不同轨道倾角的卫星间保留l 〇k m 轨道高度差.依据准则3,得到 与600km高度卫星升交点赤经漂移率相等的LE O卫星轨道参数变化曲线，如图4所示.由图4可见，随着与600km高度卫星轨道的轨道高度差增大，同漂移率的卫星轨道倾角差相对 增大，更有利于实现均匀的覆盖性能.初步设定与 600 km高度轨道卫星同升交点漂移率的卫星轨道高度为1400k m，且600km髙度轨道卫星的轨道倾角相对高于1400k m高度轨道卫星的轨道倾角.3.1.2卫星数量与构型设计理论上，运行在太阳同步轨道上的风云卫星可实 现全纬度GN S S遥感探测.经仿真计算,4颗风云卫Orbit inclination with 600 km altitude/()图4升交点赤经漂移率相等的LEO 轨道参数曲线Fig. 4 Inclination curves by different orbit altitude with the same drift rate()/312l .t :J P !L »£B S 3-s -5!M u o l c su l l n u ll l q jo480Chin. J. Space Sci.空间科学学报2021, 41(3)星以北斗、G P S和G alileo卫星为信源，获取中性 层大气掩星探测量总计约1600次/6h;而轨道高度 为600 k m的单颗L E O卫星获取中性层大气掩星探 测量不低于490次/6h.依据准则1,可计算GNSS 遥感星座理论上应至少包含34颗600 k m高度LEO 卫星.依据准则3,当上述LEO卫星选取多个轨道倾 角时，低倾角轨道高度将高于600k m.依据准则5,轨道高度越高，单位时间内获取掩星事件概率越低，需适当增加卫星数量满足探测量需求.综上所述，为 提供一定的冗余度且便于不同构型方案效能比对，本 文设定G N SS遥感星座为包含4颗风云卫星和36 颗L E O卫星的混合星座.依据准则4,将除风云卫星以外的36颗LE O卫 星按轨道倾角分组，组建G N S S遥感探测星座子星 座,子星座内轨道面数为6.分别以同倾角同高度轨 道、双倾角同升交点赤经漂移率轨道和多倾角同高 度轨道为三类约束建立A, B，C三种子星座组网模 型.在上述基础上，分别添加由4颗风云卫星组成的 探测子星座，形成A+, B+，C+三种G N S S遥感探测星座构型方案.3.2星座优化设计依据所提出的设计准则，可快速完成部分探测星 座构型参数的初步选取和设计，星座内卫星星下点轨 迹具备一定的二维全球均布特性.因A+, B+，C+三 种方案内探测卫星数量相同，探测信源一致,卫星运行周期接近，三种方案可获取的遥感探测量差异较 小.在此基础上，G N S S遥感探测星座优化设计归一 化为测点分布均匀度的最优化研究问题.为衡量G N S S遥感探测星座的探测均匀性,以200 k m为间距将全球地表栅格化，生成约12800 个均匀分布的格点.将格点周边掩星测点投影量大 于其平均值的格点占比最大化作为优化目标，建立星 座优化目标函数，即基于该目标函数,迭代得到各方案内子星座模型优化 设计结果（见表2).W a l k e r构型码i V/P/F:i，中 各参数分别对应星座内卫星数量、轨道面数、相位因子、轨道倾角和轨道高度[161.3.3探测性能分析分别将风云卫星子星座与表2中所列出的各子 星座整合，形成G N SS遥感探测星座方案A+，B+ 和C+，统计分析6h内各星座方案探测的性能（见 表3).由表3可知，三种方案6h内获取的掩星探测次 数均高于18000次，约为C O S M I C探测量的24倍; 三种方案均可近似实现200k m x 200k m x6h的时空 覆盖，覆盖率高于75%，是C O S M I C星座500k m x 500k m x24h时空分辨率的25倍;三种方案6h内获表2 G N S S遥感探测星座优化设计结果T a b le 2 R e s u lts o f o p tim iz a tio n d e sig n fo r G N S S re m o tese n sin g s a te llite c o n s te lla tio n方案名称子星座名称子星座构型码A+A36/6/1 ：72°, 600 k mB+B30/6/1:55°, 600 k m; 6/6/4:33°, 1400 k mC+C6/6/4:68°, 610 k m; 24/6/1:60°, 600 k m; 6/6/4:24°, 590 k m表3 G N S S遥感探测性能统计T a b le 3 P e rfo rm a n c e s ta tis tic s o f G N S S re m o te se n sin g s a te llite c o n s te lla tio n s组合方案卫星数量全球掩星大气探测中国周边掩星大气探测全球海域海反探测探测量栅格覆盖率/(%)探测量栅格覆盖率/(%)探测量栅格覆盖率/(%)A+4019 97875.97162883.1035 42392.23 B+4018 80977.61160385.823488490.72 C+4019 56079.88173890.1335 35696.71-150 -90 30 30 90 150Longitude/(。

星座导航系统的设计与实现星座导航系统是一种可以帮助人们寻找星座、观测天体、了解星象信息的工具。

它将人们所处的位置信息、天文时刻、天象信息等综合计算，以多样化的形式为用户提供星座图形定位、星座文字解释、恒星光度计算等服务。

在弘扬天文文化、提升人们天文素养方面具有重要作用。

本文将介绍星座导航系统的设计与实现。

一、需求分析在星座导航系统的设计中，需求分析是十分重要的一步。

我们可以从用户的角度出发，考虑用户在使用星座导航系统时的需求，进行针对性的设计和开发。

首先，我们需要了解用户使用星座导航系统的目的。

大多数用户使用星座导航系统是为了寻找特定的星座或天体，因此系统需要提供星座的名称、位置、形状等信息。

其次，用户可能会需要了解星座的历史背景、神话故事等，因此系统需要提供星座的相关解释信息。

再次，对于初学者来说，天文学专业术语和公式可能会造成障碍，因此需要提供易懂的解释和计算工具。

最后，用户在使用星座导航系统时需要方便快捷地进入相应的功能模块，因此需要简洁明了的界面设计。

二、系统设计基于需求分析，我们可以设计出以下模块：1. 星座位置定位模块该模块可以根据用户输入的经纬度信息，以及当前时间和日期，计算出相应区域内的星座位置，并在地图上标注出来，方便用户观测。

2. 星座解释模块该模块可以为用户提供各种星座的相关信息，如名称、形状、历史背景等。

此外，我们还可以为每个星座提供诗歌、神话故事等文化元素，增加用户的文化娱乐体验。

3. 星座计算模块该模块可以提供恒星的光度计算、星座的视角度计算等工具，帮助用户更深入地了解星座和恒星的特性和规律。

4. 界面设计模块该模块是系统设计的重要组成部分，它涉及用户对系统的第一印象。

一个简洁明了、易于操作的界面设计，可以提高用户的使用舒适度和系统的工作效率。

三、技术实现系统设计的完成，接下来就需要实现。

首先，我们需要确定系统实现的技术工具。

考虑到星座导航系统需要综合运用地图、计算和文本处理等技术，我们可以选择以下技术方案：1. 地图技术我们可以选择开源的地图API，如OpenStreetMap、Google Maps等，作为星座定位模块的核心支撑技术。

第一部分、GNSS导航系统1.1 GPS系统（美国的全球卫星定位系统）1、GPS系统的组成①空间部分——GPS卫星星座GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，运行周期11小时58分钟（对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星），轨道面数6个，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗（接收机看到超过11颗的有可能是接受到日本的SBAS卫星）②地面控制部分——地面监控系统GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注人站和五个监测站。

主控站设在美国本上科罗拉多，三个注人站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰，五个监测站除了位于主控站和三个注人站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。

（都由美国政府和军方控制，主要是为了控制卫星和给卫星提供播发星历等）。

③用户设备部分——GPS信号接收机接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。

GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

2、GPS信号的组成（码分多址技术）GPS卫星发送的导航定位信号一般包括载波、测距码和数据码（或称D码）三类信号。

GPS卫星广播L1和L2两种频率的信号，其中L1信号载波频率为1575.42MHz，并调制了P/Y 码、C/A码和数据码（或称D码）；L2信号载波频率为1227.60 MHz，测距码仅调制了P/Y 码，其中P/Y码为军用码，C/A码为民用码。

GPS导航电文（D码）是包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航数据码。

导航电文是利用GPS进行定位的基础。

GPS信号现代化：系统计划新增4个信号，L2和L5新增2个民用信号（就是某些接收机上标注的L2C和L5），在L1和L2上新增2个军用信号。

3、坐标系统与时间系统时间体统采用的是UTC时间，整个地球分为二十四时区，每个时区都有自己的本地时间。

卫星星座基本参数卫星星座是由一组卫星组成的天体系统，用于提供全球范围内的通信、导航或遥感服务。

它们通常以地球轨道上的一系列卫星形式存在，这些卫星之间相互配合，以覆盖整个地球的表面。

卫星星座的基本参数包括以下几个方面：1. 卫星数量：卫星星座的规模通常由卫星的数量决定。

不同的应用需要不同数量的卫星来提供服务。

例如，全球导航卫星系统（GNSS）通常需要24颗以上的卫星来实现全球覆盖。

2. 轨道类型：卫星星座可以采用不同的轨道类型，如地球同步轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）或低地球轨道（LEO）。

不同的轨道类型对卫星的运行高度、轨道周期和覆盖范围都有影响。

3. 卫星分布：卫星星座中的卫星可以以不同的方式分布在轨道上。

例如，全球导航卫星系统通常采用均匀分布的方式，确保在任何时刻都有多颗卫星可见。

而通信卫星星座可能会采用更密集的分布方式，以增加容量和覆盖范围。

4. 信号覆盖：卫星星座需要覆盖全球范围的地表，因此信号覆盖是一个重要的参数。

卫星星座的设计需要考虑到地球各个地区的信号接收强度、多径效应和信号延迟等因素。

5. 通信频段：卫星星座的通信频段决定了其在电磁频谱中的位置。

不同的频段具有不同的传输特性和应用限制。

常见的卫星通信频段包括Ka波段、Ku波段和C波段等。

6. 网络架构：卫星星座的网络架构指的是卫星之间的通信方式和协议。

这包括星间链路、地面站和用户终端之间的通信方式，以及数据传输和路由策略等。

综上所述，卫星星座的基本参数涵盖了卫星数量、轨道类型、卫星分布、信号覆盖、通信频段和网络架构等方面。

这些参数的选择和设计将直接影响卫星星座的性能和应用范围。

CATALOGUE 目录•低轨巨型星座构型设计•星座覆盖分析方法•数值模拟与仿真•未来发展趋势与挑战•应用场景与案例分析低轨巨型星座的概念构型设计的目标构型设计概述卫星平台的选择根据任务需求和系统要求，选择适合的卫星平台，考虑其性能、可靠性、成本等因素。

卫星有效载荷根据任务需求，配置合理的有效载荷，如通信天线、功率放大器、低噪声放大器、频率源等。

卫星平台设计通信频段和带宽通信协议和调制方式有效载荷设计轨道与部署策略轨道高度的选择部署策略的制定覆盖需求分析030201星间通信与网络拓扑覆盖性能评估覆盖效率评估星座的网络性能，包括网络吞吐量、延迟、丢包率等。

网络性能安全性与隐私保护模拟工具与环境Python卫星通信仿真器MATLAB/Simulink星座构型参数优化卫星轨道高度和倾角优化低地球轨道的高度和倾角，以实现更好的覆盖效果。

卫星布局优化卫星在轨道上的布局，以提高覆盖的连续性和均匀性。

卫星通信链路设计优化卫星之间的通信链路，以确保信息传输的可靠性和实时性。

覆盖性能仿真与验证先进通信技术应用随着5G、物联网等先进通信技术的发展，低轨巨型星座的通信能力将得到极大提升，满足更高要求的应用场景。

卫星平台的升级随着科技的不断进步，卫星平台的性能将得到进一步提升，包括更高的数据处理能力、更强的通信能力等。

新型传感器与设备新型传感器和设备的研发和应用，将增强低轨巨型星座的感知能力，提升其数据处理和分析的准确性。

技术创新与升级频谱管理与干扰协调频谱共享与优化随着低轨巨型星座的发展，频谱资源将越来越紧张，因此需要研究更高效的频谱共享和优化策略，提高频谱利用率。

干扰抑制与协调由于低轨巨型星座的卫星数量众多，相互之间的干扰问题将日益突出，需要研究有效的干扰抑制和协调策略，保证星座的正常运行。

1安全性与防护策略23随着低轨巨型星座的发展，其面临的安全漏洞和威胁也不断增加，需要加强安全防护措施，确保星座的安全稳定运行。