علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

تفاوت معیارGDOP و هم‌زمانی دسترسی چهار ماهواره با محدویت برد آنتن مخابراتی در مدار لئو با طراحی بهینه الگوریتم GA-SQP

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران (IROST)
2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر
3 دانشگاه تهران
چکیده
طراحی منظومه‌های ماهواره‌ای ناوبری در مدار پایین زمین (LEO) به دلیل کاهش هزینه‌ها و پتانسیل ارائه خدمات با دقت بالا، مورد توجه فزاینده‌ای قرار گرفته است. برخلاف رویکردهای متداول که بر پیکربندی‌های متقارن (مانند واکر) تکیه دارند، طراحی‌های نامتقارن و بهینه‌سازی شده می‌توانند عملکرد بهتری برای پوشش منطقه‌ای ارائه دهند. با این حال، توازن میان کیفیت سرویس (مانند GDOP)، در دسترس بودن مداوم (هم‌زمانی دسترسی چهار ماهواره) و محدودیت‌های فیزیکی (مانند برد آنتن) یک چالش طراحی اساسی باقی مانده است. این مقاله یک چارچوب بهینه‌سازی برای طراحی منظومه‌ای نامتقارن متشکل از ۲۸ ماهواره ناوبری در مدار LEO جهت ارائه خدمات برای منطقه تهران ارائه می‌دهد. هدف اصلی، ارزیابی کمی تقابل (trade-off) میان کیفیت ناوبری، زمان در دسترس بودن سرویس و قیود فیزیکی آنتن‌های مخابراتی است.مسئله طراحی به عنوان یک مسئله بهینه‌سازی بزرگ‌مقیاس با ۸۴ متغیر (پارامترهای مداری برای ۲۸ ماهواره) فرمول‌بندی شده است. برای حل این مسئله، از یک بهینه‌ساز هیبریدی الگوریتم ژنتیک-برنامه‌ریزی درجه دوم متوالی (GA-SQP) استفاده گردید که قابلیت جستجوی گسترده فضای جواب و همگرایی دقیق محلی را ترکیب می‌کند. عملکرد منظومه بهینه در سه سناریوی مجزا شبیه‌سازی و تحلیل شد: (۱) قید سخت‌گیرانه GDOP کمتر از ۵ و محدودیت برد آنتن ۱۲۰۰ کیلومتر، (۲) قید صرفاً هم‌زمانی دسترسی چهار ماهواره، و (۳) قید ترکیبی GDOP و دسترسی چهار ماهواره بدون محدودیت برد آنتن. نتایج تحلیل در یک بازه ۲۴ ساعته نشان داد که در سناریوی اول، زمان سرویس‌دهی قابل قبول تنها ۵۶۰ ثانیه (۰.۶۵٪) است. با حذف قید GDOP و برد آنتن (سناریو دوم)، این زمان به طور چشمگیری به ۶۸۵۰ ثانیه (۷.۹٪) افزایش یافت، اما کیفیت ناوبری تضمین نشد. سناریوی سوم، که نمایانگر یک توازن عملی است، زمان سرویس‌دهی با کیفیت بالا (GDOP<5) را به ۳۹۳۰ ثانیه (۴.۵٪) رساند.یافته‌ها به وضوح نشان می‌دهد که محدودیت برد آنتن مخابراتی، گلوگاه اصلی در کاهش زمان سرویس‌دهی منظومه‌های ناوبری LEO منطقه‌ای است. طراحی‌های بهینه نامتقارن، هرچند قادر به یافتن راه‌حل‌های کارآمد هستند، اما تقابل شدیدی میان کیفیت سیگنال و در دسترس بودن آن وجود دارد. این نتایج کمی می‌تواند به عنوان راهنمایی برای طراحان سیستم‌های ماهواره‌ای آتی در انتخاب معماری منظومه و فناوری آنتن‌ها عمل کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

مراجع
[1] J. P. Chenebault, “INES: An innovative European navigation system relying on a low Earth orbit constellation,” in Proc. 1998 Nat. Tech. Meeting Inst. Navigation (ION NTM), Long Beach, CA, USA, Jan. 1998, pp. 225–238.
[2] S. G. Perrotta, “Transition phase for a new navigation system based on a constellation of LEO satellites,” 1990.
[3] T. Kacena, Mission Design & Implementation of Satellite Constellations. Dordrecht, The Netherlands: Springer, 1998. doi: 10.1007/978-94-011-5088-0.
[4] M. Jiang, H. Qin, Y. Su, F. Li, and J. Mao, “A design of differential-low Earth orbit opportunistically enhanced GNSS (D-LoeGNSS) navigation framework,” Remote Sens., vol. 15, no. 8, Art. no. 2136, 2023, doi: 10.3390/rs15082136.
[5] C. Tan, Y. Xu, R. Luo, Y. Li, and C. Yuan, “Low Earth orbit constellation design using a multi-objective genetic algorithm for GNSS reflectometry missions,” Adv. Space Res., vol. 71, no. 5, pp. 2357–2369, 2023, doi: 10.1016/j.asr.2022.10.035.
[6] W. Xue, “Analysis performance of navigation constellation satellite failure and enhancement of LEO navigation,” J. Phys.: Conf. Ser., vol. 2551, no. 1, Art. no. 012012, 2023, doi: 10.1088/1742-6596/2551/1/012012.
[7] B. Xu, X. Su, Z. Liu, M. Su, J. Cui, Q. Li, Y. Xu, Z. Ma, and T. Geng, “Analysis on BDS-3 autonomous navigation performance based on the LEO constellation and regional stations,” Remote Sens., vol. 15, no. 12, Art. no. 3081, 2023, doi: 10.3390/rs15123081.
[8] E. Pike, “Multiple global navigation satellite systems Doppler positioning for low-Earth-orbit satellites,” 2023, doi: 10.2514/1.A35392.
[9] S. Ghazanfarinia, E. Mousivand, M. Khoshsima, and Y. Saffar, “Design of a low Earth orbit constellation for regional navigation mission,” J. Space Sci. Technol. Appl., vol. 2, no. 2, pp. 48–59, 2023. [Online]. Available: https://sid.ir/paper/1040108/en
[10] F. S. Prol, A. Smirnov, S. Kaasalainen, M. M. Hoque, M. Z. H. Bhuiyan, and F. Menzione, “The potential of LEO-PNT mega-constellations for ionospheric 3-D imaging: A simulation study,” IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sens., vol. 16, pp. 7559–7571, 2023, doi: 10.1109/JSTARS.2023.3299415.
[11] R. Morales-Ferre, E. S. Lohan, G. Falco, and E. Falletti, “GDOP-based analysis of suitability of LEO constellations for future satellite-based positioning,” in Proc. 2020 IEEE Int. Conf. Wireless Space Extreme Environments (WiSEE), Vicenza, Italy, 2020, pp. 147–152, doi: 10.1109/WiSEE44079.2020.9262624.
[12] T. Shtark and P. Gurfil, “Low Earth orbit satellite constellation for regional positioning with prolonged coverage durations,” Adv. Space Res., vol. 63, no. 8, pp. 2469–2494, 2019, doi: 10.1016/j.asr.2019.01.010.
[13] R. M. Ferre and E. S. Lohan, “Comparison of MEO, LEO, and terrestrial IoT configurations in terms of GDOP and achievable positioning accuracies,” IEEE J. Radio Freq. Identif., vol. 5, no. 3, pp. 287–299, Sep. 2021, doi: 10.1109/JRFID.2021.3079475.
[14] T. Shtark, “Regional positioning using a low Earth orbit satellite constellation,” Celest. Mech. Dyn. Astron., vol. 130, Art. no. 14, 2018, doi: 10.1007/s10569-017-9811-7.
[15] B. McLemore and M. L. Psiaki, “GDOP of navigation using pseudorange and Doppler shift from a LEO constellation,” in Proc. 34th Int. Tech. Meeting Satellite Division Inst. Navigation (ION GNSS+ 2021), St. Louis, MO, USA, Sep. 2021, pp. 2783–2803, doi: 10.33012/2021.18008.
[16] J. Liu et al., “Design optimisation of low Earth orbit constellation based on BeiDou Satellite Navigation System precise point positioning,” IET Radar Sonar Navig., vol. 16, no. 8, pp. 1241–1252, 2022, doi: 10.1049/rsn2.12257.
[17] Y. Zhang, Z. Li, R. Li, Z. Wang, H. Yuan, and J. Song, “Orbital design of LEO navigation constellations and assessment of their augmentation to BDS,” Adv. Space Res., vol. 66, no. 8, pp. 1911–1923, 2020, doi: 10.1016/j.asr.2020.07.021.
[18] M. Jafari, A. H. Adami, A. R. Fathi, and A. Ahmadi, “Sensitivity analysis of the orbital parameters of a LEO telecommunication satellite on the access time to the Tehran station,” in Proc. 7th Int. Conf. Mech., Ind. Aerosp. Eng., 2023. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/2197910/
[19] A. Kosari, A. R. Fathi, and P. Mohammadzadeh, “Design of a LEO satellite constellation for the Tehran region using a hybrid GA-PSO optimization algorithm,” presented at 23rd Int. Conf. Iranian Aerospace Society, May 2025. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/2403811/
[20] A. Kosari, A. R. Fathi, and P. Mohammadzadeh, “Genetic algorithm parameter optimization for indigenous telecommunication satellite constellation design,” presented at 23rd Int. Conf. Iranian Aerospace Society, May 2025. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/2403811/
 
 
 
دوره 6، شماره 1
مهر 1405
صفحه 103-116

  • تاریخ دریافت 04 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 12 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 28 بهمن 1404