大規(guī)?；旌宪壍劳ㄐ判亲O(shè)計研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u2132大規(guī)?；旌宪壍劳ㄐ判亲O(shè)計研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 169151.1.1通信星座設(shè)計研究 1112871.1.2大規(guī)模通信星座應(yīng)用現(xiàn)狀 2230221.1.3并行計算研究現(xiàn)狀 1032033參考文獻(xiàn) 12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析通信星座設(shè)計研究在上世紀(jì)60年代初期，國外便展開了對通信星座科學(xué)設(shè)計方法的研究。時至今日，歷經(jīng)近六十年，已發(fā)表了大量有關(guān)星座設(shè)計應(yīng)用的文獻(xiàn)，提出了若干的星座構(gòu)型及評判準(zhǔn)則。1961年，Luders.R.D提出了覆蓋帶方法，給出了所需衛(wèi)星的數(shù)量和分布、構(gòu)型特征和連續(xù)覆蓋帶寬度間的數(shù)學(xué)關(guān)系，驗證了需6顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)對地球的連續(xù)覆蓋[1]。1970年，J.G.Walker研究了一般意義下的星座構(gòu)型，得出只需5顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)衛(wèi)星星座對地球的連續(xù)完整的覆蓋、只需7顆衛(wèi)星便可對地球雙重覆蓋的結(jié)論，并在此后提出了包括Walker-delta星座、星型星座在內(nèi)的八種典型的衛(wèi)星星座構(gòu)型[2]。1980年，A.H.Ballard分析了玫瑰型星座，并提出了全球多重連續(xù)覆蓋定理，即若要實現(xiàn)對地球的n重連續(xù)覆蓋，至少需要2n+3顆相同軌道高度的圓軌道衛(wèi)星[3]。1987年，J.E.Draim提出了橢圓軌道星座的概念，提出只需要2n+2顆橢圓軌道衛(wèi)星就可以實現(xiàn)n重連續(xù)覆蓋的理論[4]。1994年，Castiel介紹了采用混合軌道構(gòu)型的Ellipso星座，該星座由小偏心率赤道橢圓軌道和中度偏心率橢圓軌道兩種軌道構(gòu)型組成，其中小偏心率赤道橢圓軌道用作對南北半球較低緯度區(qū)域的覆蓋，中度偏心率橢圓軌道則用作對北半球的覆蓋[5]?；谏鲜鲂l(wèi)星星座設(shè)計的基礎(chǔ)理論知識，如今國外己有許多通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)投入使用，其中較為典型的有Iridium系統(tǒng)以及Globalstar系統(tǒng)等。與此同時，也有一些正在研究或建設(shè)中的衛(wèi)星星座項目，例如Telesat計劃、OneWeb計劃以及SpaceX計劃等。我國國內(nèi)的衛(wèi)星星座設(shè)計研究相較于國外起步較晚，大部分研究成果出現(xiàn)于新世紀(jì)以后，內(nèi)容主要可以分為兩類：第一類是針對我國實際國情的中小型通信衛(wèi)星星座的構(gòu)型設(shè)計[6]-[8]。較為典型的如楊維廉于2001年提出的小型通信星座方案[6]，其星座總體由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，分別位于6條軌道傾角28.8°、軌道高度20183km的MEO軌道上，這些軌道沿赤道均勻分布。該星座的最小觀測仰角為30°，理論上能夠提供對于亞洲及太平洋地區(qū)的通信服務(wù)。第二類是針對通信星座的構(gòu)型優(yōu)化[9]-[11]，更加注重優(yōu)化時應(yīng)用算法和參數(shù)選擇的研究，優(yōu)化目標(biāo)基本都是星座的覆蓋性能。其中較為典型如胡劍浩于1996年在其文章中對星座設(shè)計問題進行了研究分析[9]，對軌道參數(shù)的選擇進行了闡述，通過相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計算法和覆蓋特性分析，確定了所設(shè)計通信星座的各軌道參數(shù)，并應(yīng)用統(tǒng)計方法與Globalstar通信系統(tǒng)進行了分析比較。這些我國已有的構(gòu)型方案和比較研究成果都具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值和研究價值，但其主要應(yīng)用目的大多是實現(xiàn)我國地區(qū)的全覆蓋，衛(wèi)星的星座規(guī)模也普遍為中小型，對于大規(guī)模全球覆蓋通信星座的設(shè)計方法仍有待深入研究。大規(guī)模通信星座應(yīng)用現(xiàn)狀隨著衛(wèi)星寬帶通信技術(shù)的成熟，以及人們對于全球網(wǎng)絡(luò)化、信息化的需求的與日俱增，具有對地覆蓋性高、信道條件穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)配置靈活等特點的衛(wèi)星通信成為了國內(nèi)外通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點之一，前景十分可觀。目前國外己有部分通信星座系統(tǒng)投入運營之中，如Iridium系統(tǒng)以及Globalstar系統(tǒng)。與此同時，也有一些已提出的衛(wèi)星星座項目正在迅速發(fā)展和建設(shè)之中，例如Telesat、OneWeb以及Starlink等星座項目，已經(jīng)進行了多次發(fā)射，進入了初步建設(shè)階段。隨著近些年來我國綜合國力和航天實力的不斷增強，我國對于全球覆蓋的大規(guī)模通信衛(wèi)星星座的研究及建設(shè)也在高速發(fā)展當(dāng)中。目前，我國已有多個單位提出了建設(shè)大規(guī)模通信星座的計劃,其中具有代表性的有“鴻雁”星座、“虹云工程”等等。國家“科技創(chuàng)新-2030”天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大項目也將低軌星座納入實施任務(wù)內(nèi)，公布了星座的研制建設(shè)計劃[12]。Iridium系統(tǒng)Iridium系統(tǒng)是美國Motorola公司提出的首個依靠衛(wèi)星星座來實現(xiàn)全球個人通信服務(wù)的通信系統(tǒng)。該星座的構(gòu)型是較為典型的極軌道星座構(gòu)型。Iridium星座共由72顆衛(wèi)星組成（共6個軌道面，每個軌道面上11顆衛(wèi)星外加1顆備用衛(wèi)星），衛(wèi)星的軌道高度約為780km，軌道傾角為86.4°。Iridium衛(wèi)星外型及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖1.1、圖1.2所示[13]。圖1.SEQ圖表\*ARABIC1Iridium衛(wèi)星外型示意圖圖1.2Iridium通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖受益于其軌道高度較低的特點，Iridium系統(tǒng)具有較快的傳輸速度，且通信質(zhì)量高[14]。但由于該通信系統(tǒng)的使用價格昂貴，并未在市場上受到青睞，Iridium公司于2000年宣布破產(chǎn)。2001年，美國軍方為Iridium公司注資，使得Iridium系統(tǒng)重新開始了正常運營。2007年，該公司在原有Iridium星座的建設(shè)基礎(chǔ)上提出了“IridiumNext”項目建設(shè)計劃，新一代的Iridium星座將具備全球無縫覆蓋、全球無縫服務(wù)的能力。提供的業(yè)務(wù)種類由單一的語音通話和低速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)拓展為多功能綜合服務(wù)，包含有移動通信、寬帶通信、航空監(jiān)視、導(dǎo)航增強以及低分辨率的對地觀測等內(nèi)容[12]。Globalstar系統(tǒng)Globalstar系統(tǒng)是美國Loral公司運營的LEO衛(wèi)星全球通信系統(tǒng)，采用傾斜圓軌道的星座構(gòu)型。Globalstar星座系統(tǒng)由56顆衛(wèi)星組成（48顆衛(wèi)星加8顆備用衛(wèi)星），運行軌道共有8條（每條軌道上包含6顆衛(wèi)星以及1顆備用星），均勻分布于軌道高度1414km，軌道傾角為52°的傾斜圓軌道平面上[14]。在通信方法的設(shè)計上，Globalstar星座利用衛(wèi)星分集技術(shù)使得通信質(zhì)量得到了提高，同時星座未設(shè)計星間鏈路和星上處理，星座內(nèi)衛(wèi)星上配備有透明轉(zhuǎn)發(fā)器，用戶的通信需要通過地面上的信關(guān)站點來完成信息交換，因此僅當(dāng)用戶位于站點的覆蓋區(qū)域內(nèi)時，才能正常應(yīng)用Globalstar系統(tǒng)進行通信。為了進一步增強通信星座的功能，2006年，Globalstar公司開始進行第二代Globalstar系統(tǒng)的研發(fā)工作。2010年10月，第一批共6顆的二代系統(tǒng)衛(wèi)星成功發(fā)射，2013年2月，最后一批6顆二代衛(wèi)星成功發(fā)射，至此第二代Globalstar星座順利完成部署工作。新一代的Globalstar通信星座能夠在全球范圍內(nèi)為絕大部分地面區(qū)域(除南北極外)實現(xiàn)完全覆蓋，提供可靠的移動通信服務(wù)。衛(wèi)星外型的示意圖如圖1.3所示[15]。圖1.3第二代Globalstar衛(wèi)星示意圖Globalstar系統(tǒng)Telesat系統(tǒng)為正在設(shè)計建造的通信衛(wèi)星星座，采用混合軌道星座構(gòu)型。星座包括至少117顆衛(wèi)星，分布在兩組軌道中：第一組6個圓形軌道平面（極化軌道），軌道傾角為99.5o，每條軌道上至少有12顆衛(wèi)星；第二組（傾斜軌道）至少有5個圓形軌道平面，軌道高度為1200km，軌道傾角為37.4o，每條軌道上至少有10顆衛(wèi)星[16]。第一組的極地軌道保證一般性的全球覆蓋范圍，而第二組的傾斜軌道則著重于為大多數(shù)人口集中區(qū)域提供通信服務(wù)。圖1.4為Telesat星座的構(gòu)型示意圖，極軌道和傾斜軌道分別用紅色和藍(lán)色表示。圖1.4Telesat星座模型示意圖Telesat的首顆近地軌道衛(wèi)星于2018年1月發(fā)射，目前支持各種市場和應(yīng)用的現(xiàn)場演示。目前Telesat通過此衛(wèi)星進行低延遲、高吞吐量性能、衛(wèi)星跟蹤和多普勒補償?shù)牡匦峭ㄐ艤y試。該系統(tǒng)目前的建設(shè)規(guī)劃是在2022年開始部署，將78顆衛(wèi)星發(fā)射到極軌道。到2023年底，將剩余的220顆衛(wèi)星發(fā)射到傾斜軌道。其中極軌道衛(wèi)星將于2022年在北緯高緯度地區(qū)投入使用，并在2023年發(fā)射傾斜軌道衛(wèi)星后開始全球服務(wù)。OneWeb系統(tǒng)OneWeb系統(tǒng)是由OneWeb公司在2014年提出構(gòu)建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，目標(biāo)是為全球用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入。該星座的單顆衛(wèi)星質(zhì)量約150kg，裝配有多副Ku、Ka頻段的天線及全向測控天線，單星通信容量7.5Gbit/s。星座總通信容量可達(dá)到Tbit/s量級，通信延時約30ms，由于星座內(nèi)沒有星間數(shù)據(jù)鏈路，因此僅在地面網(wǎng)關(guān)范圍內(nèi)提供服務(wù)[17]。其衛(wèi)星模型如圖1.5所示。圖1.5OneWeb衛(wèi)星模型該衛(wèi)星星座計劃由648顆LEO低軌衛(wèi)星組成，星座構(gòu)型為18個極地軌道面，軌道高度約為1200km，軌道傾角為87°，系統(tǒng)的星座模型如圖1.6所示[16]。OneWeb提供的通信服務(wù)主要有兩個特點：一是擴展現(xiàn)有的地面網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行基站回傳服務(wù)；二是以個人作為目標(biāo)用戶，用戶可以使用智能手機和平板電腦訪問衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[14]。2019年2月27日，OneWeb公司進行了測試發(fā)射任務(wù)，共發(fā)射了6顆測試衛(wèi)星；2020年2月、3月分別發(fā)射了34顆通信衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星達(dá)到68顆。2020年3月，由于融資不利，OneWeb公司申請了破產(chǎn)保護，發(fā)射計劃被迫暫停。2020年11月，由于英國政府及BhartiGlobal牽頭的大額投資，OneWeb公司得以重新啟動其星座計劃，并于2020年12月18日發(fā)射了36顆衛(wèi)星。具體的發(fā)射情況如表1.1所示。圖1.6OneWeb星座模型示意圖表1.1OneWeb星座衛(wèi)星發(fā)射情況統(tǒng)計（截至2021年3月）序號發(fā)射日期發(fā)射地點運載火箭部署數(shù)量結(jié)果12019年2月27日圭亞那航天中心聯(lián)盟ST-B/Fregat-M6成功22020年2月6日拜科努爾發(fā)射基地聯(lián)盟2.1b/Fregat-M34成功32020年3月21日拜科努爾發(fā)射基地聯(lián)盟2.1b/Fregat-M34成功42020年12月18日東方港航天發(fā)射場聯(lián)盟2.1b/Fregat36成功52021年3月25日東方港航天發(fā)射場聯(lián)盟2.1b/Fregat36計劃中Starlink系統(tǒng)Starlink系統(tǒng)由SpaceX公司提出，其衛(wèi)星星座實現(xiàn)全運行能力將需要部署大約4000顆衛(wèi)星，分布在83個軌道面上，軌道高度1110～1325km不等，在用戶端最低40°仰角條件下，可滿足全球無縫連續(xù)覆蓋[16]。Starlink衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為227kg-260kg，按分類屬于小衛(wèi)星，圖2.7給出了衛(wèi)星的外觀圖，太陽電池帆板為單元結(jié)構(gòu)，面積12m2，星體為矩形盒式，面上一側(cè)安裝有多部天線。星座結(jié)構(gòu)由四組軌道構(gòu)成：第一組軌道共包含32條衛(wèi)星軌道，軌道高度1110km，軌道傾角53.8o，每條軌道上分配50顆衛(wèi)星；第二組軌道共包含8條衛(wèi)星軌道，軌道高度1130km，軌道傾角74o，每條軌道上分配50顆衛(wèi)星；第三組軌道共包含5條衛(wèi)星軌道，軌道高度1275km，軌道傾角81o，每條軌道上分配75顆衛(wèi)星；第四組軌道共包含6條衛(wèi)星軌道，軌道高度1325km，軌道傾角70o，每條軌道上分配75顆衛(wèi)星[16]。系統(tǒng)的星座模型如圖2.7所示。圖2.7Starlink星座模型示意圖截至2021年2月，SpaceX已經(jīng)發(fā)射了1145顆Starlink衛(wèi)星（包括演示衛(wèi)星），目前在軌運行的衛(wèi)星數(shù)量為1081顆。未來計劃每兩周進行一次Falcon-9運載火箭發(fā)射，每次發(fā)射60余顆Starlink衛(wèi)星。總共計劃部署近12000顆衛(wèi)星，未來可能擴展到42000顆。具體的歷次發(fā)射信息如表1.2所示。圖1.2OneWeb星座衛(wèi)星發(fā)射情況統(tǒng)計（截至2021年2月）序號發(fā)射時間衛(wèi)星代號衛(wèi)星個數(shù)12019年5月V0.9（測試衛(wèi)星）6022019年11月V1.0L16032020年1月V1.0L26042020年1月V1.0L36052020年2月V1.0L46062020年3月V1.0L56072020年4月V1.0L66082020年6月V1.0L76092020年6月V1.0L858102020年8月V1.0L957112020年8月V1.0L1058122020年9月V1.0L1160132020年10月V1.0L1260142020年10月V1.0L1360152020年10月V1.0L1460162020年11月V1.0L1560172021年1月V1.0L1660182021年1月V1.0Tr-110192021年2月V1.0L1860202021年2月V1.0L1960“鴻雁”系統(tǒng)“鴻雁”星座是由中國航天科技集團提出的由300余顆低軌衛(wèi)星組成的大規(guī)模全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)，配有全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)中心系統(tǒng)，可在任何復(fù)雜地形條件下實現(xiàn)實時雙向通信功能。鴻雁星座系統(tǒng)由多個軌道面構(gòu)成，軌道高度約為1000km，可以提供包括兩極地區(qū)的全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋。2018年12月29日,鴻雁星座首顆試驗星成功進入預(yù)定軌道并正常運行[18]。圖1.8“鴻雁星座”首顆試驗星“虹云”工程虹云工程是航天科工提出的“五云一車”商業(yè)航天工程之一,計劃在距離地面約1000公里的軌道高度上,部署156顆小衛(wèi)星,致力于組建全球星載寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該工程已在2018年2月成功發(fā)射其技術(shù)驗證星，并計劃于2022年完成部署，為全球各類用戶提供“通、導(dǎo)、遙”一體化的綜合信息服務(wù)平臺[18]。并行計算研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)40年代開始，計算機的發(fā)展歷程可以根據(jù)計算方式的不同明顯地劃分為串行計算和并行計算兩個時代。并行計算出現(xiàn)的主要原因是因為其能夠較好地解決單處理器的計算速度瓶頸的問題[19]。其運行的硬件平臺稱為并行計算機，由一組處理單元組成，這些處理單元能夠彼此通信協(xié)作，同時進行任務(wù)的處理。相較于串行計算，并行計算能夠在更短地時間內(nèi)完成一項大規(guī)模的計算任務(wù)。并行計算機有多種不同的分類方式，其中一種被廣泛采用的分類被稱為Flynn分類法。首先，根據(jù)指令流重數(shù)的不同，該分類方法將計算機分為兩類：單指令流SI(SingleInstructionStream)和多指令流MI(MultipleInstructionStream)。接下來，按照操作數(shù)流的重數(shù)的不同，有單數(shù)據(jù)流SD(SingleDataStream)和多數(shù)據(jù)流MD(MultipleDataStream)兩種類型，據(jù)此進一步對計算機劃分。根據(jù)上述的劃分方式，就有4種可能的組合，即SISD（單指令單數(shù)據(jù)），SIMD（單指令多數(shù)據(jù)），MISD（多指令單數(shù)據(jù)）以及MIMD（多指令多數(shù)據(jù)）。目前并行計算大部分采用的結(jié)構(gòu)體系是MIMD。MIMD計算機的可欣由可各自執(zhí)行自己程序的多處理器組成，主要分為多處理機和多計算機兩類。其中，多處理機的特點是各處理器共享存儲空間，而多計算機則以經(jīng)通信鏈路實現(xiàn)處理器間的信息傳遞為特征。在MIMD機中，中央處理器負(fù)責(zé)并行任務(wù)的管理與分配，每臺子處理器則負(fù)責(zé)執(zhí)行給定的指令,從而達(dá)到指令與任務(wù)并行的效果。并行算法指的是采用多個處理機對于所求問題進行聯(lián)合求解，從而實現(xiàn)高效處理的方法，其運行的基本原理是首先將求解任務(wù)分解成若干個彼此獨立，具有并行性的子任務(wù)，隨后使用多個處理機或多臺計算機的方式進行并行求解，從而迅速完成整體任務(wù)的執(zhí)行。在實際應(yīng)用中，并行算法的設(shè)計方法多種多樣，常用的有劃分法、分治法、流水線法等等，根據(jù)任務(wù)問題特性的不同，并行算法設(shè)計方法的選取也不同。

在航天器軌道設(shè)計上，并行計算技術(shù)也得到了實際的應(yīng)用。其中大部分關(guān)于軌道優(yōu)化設(shè)計的研究集中在并行遺傳算法的應(yīng)用，如ImSH[20]基于CUDA平臺將GPU并行計算技術(shù)應(yīng)用在衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理方面，王瑞[21]利用分布式系統(tǒng)改造遺傳算法，對三星星座進行了優(yōu)化設(shè)計，陳培[22]利用基于BrookGPU的并行遺傳算法對星座的覆蓋性能進行優(yōu)化，徐明[23]利用基于CUDA并行遺傳算法實現(xiàn)Halo軌道的構(gòu)造。參考文獻(xiàn)LudersRD.Satellitenetworksforcontinuouszonalcoverage[J].ARSJournal,1961,31(2):179-184.WalkerJG.Continuouswhole-earthcoveragebycircular-orbitsatellitepatterns[R].RoyalAircraftEstablishmentFarnborough(UnitedKingdom),1977.BallardAH.Rosetteconstellationsofearthsatellites[J].IEEEtransactionsonaerospaceandelectronicsystems,1980(5):656-673.DraimJE.Acommon-periodfour-satellitecontinuousglobalcoverageconstellation[J].JournalofGuidance,Control,andDynamics,1987,10(5):492-499.CastielD,BrosiusJ,DraimJ.Ellipso-coverageoptimizationusingellipticorbits[C]//15thInternationalCommunicatonsSatelliteSystemsConferenceandExhibit.1994:1098.楊維廉.一種區(qū)域性中軌道衛(wèi)星移動通信星座[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2001(02):4-9.吳詩其等.衛(wèi)星移動通信新技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.蔣虎,尹增山,龔文斌,梁旭文,余金培.全球覆蓋的衛(wèi)星通信星座構(gòu)型簡述[J].全球定位系統(tǒng),2007(05):42-43.胡劍浩,吳詩其,馮鋼.中國低軌移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座設(shè)計[J].電子學(xué)報,1996(07):12-16.酈蘇丹,朱江,李廣俠.采用遺傳算法的低軌區(qū)域通信星座優(yōu)化設(shè)計[J].通信學(xué)報,2005(08):122-128.范麗.衛(wèi)星星座一體化優(yōu)化設(shè)計研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.肖永偉,孫晨華,趙偉松.低軌通信星座發(fā)展的思考[J].國際太空,2018(11):24-32.張穎,王化民.基于GSM的銥星通信系統(tǒng)[J].航海技術(shù),2013(03):35-37.劉思航