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本文研究的重点是混轨卫星星座系统关于轨道动力学方面的任务设计问题，着重从混轨卫星星座的应用背景和需求分析、卫星星座的评价指标体系、卫星星座的构型与优化设计、卫星星座的多功能精密定轨技术等这四个方面进行了研究，以期为 未来的航天任务和工程实际提供定量的决策依据。 首先对现有的卫星星座应用背景进行了充分调研，整理了混轨卫星星座的任务需求和研究热点，进而明确了博士论文的研究内容。 评价指标体系的建立是卫星星座设计的核心内容，首先对星座评价指标体系进行了调研分析，现有评价指标体系的建立还远没有完善，设计参数变化与系统响应之间的关系也值得深入研究。因此，如何建立一套更加全面、客观的评价指标体系，使之更能从系统层面上反映系统的本质特征，将是一项值得不断深入研究的工作，对于一个有着新的使命目标和应用需求的系统设计问题来说，这项工作更是非常必要和有价值的。本文以导航卫星星座系统（GNSS：Global Navigation Satellite System）、天基空间目标监测系统（SBSS：Space-Based Surveillance System）、在轨维护卫星星座系统（OOSS：On-Orbit Serving System）为代表算例进行研究。本文针对这三个背景建立了不同的混轨星座优化设计的任务评价指标即地面时空覆盖性能、空间目标时空覆盖性能以及变轨可达范围性能。针对地面时空覆盖性能和空间目标时空覆盖性能提出并完善了计算效率较高的卫星星座覆盖性能快速算法，该快速算法考虑了距离约束、地影条件、有效载荷约束和旋转运动约束等多个约束条件。卫星星座的任务设计包括星座构型优化设计、星座部署任务规划、星座重构设计、补星发射分析、站位保持分析。其中星座部署任务规划、星座重构设计、补星发射分析均属于星座构型优化设计的范畴。针对任务需求和不同的任务轨道，建立了导航卫星星座系统、天基空间目标监测系统、在轨维护卫星星座系统混轨星座的构型优化模型，包括优化目标函数、优化约束条件的建模。星座优化设计是个时间消耗很大的工作，降低优化过程的时间复杂度仍是现在国内外研究的热点，包括模型的时间复杂度，优化算法的时间复杂度。本文首次将序优化的概念引入并应用到星座构型优化设计中，能明显地缩减搜索空间，降低优化算法的时间复杂度，提高计算效率。混轨星座辅助设计工具软件（HOCDT：Hybrid-Orbit Constellation Design Tool）是以满足各类空间系统星座分析与优化为应用目的，在现有仿真分析模型和软件平台的基础上，进行软件集成与二次开发，建立的混轨星座优化设计仿真分析软件。软件以天基空间目标监视系统、在轨维护卫星星座系统等的各种星座构型方案为算例进行模型测试与应用演示，可应用于新型空间系统星座分析与优化设计，并可通过外部接口与其它卫星工程系统设计仿真验证平台系统进行集成。对于不同的任务需求，对轨道确定系统的设计也是任务设计中重要的一环。通过对现有各种精密定轨技术与定轨软件系统的调研分析，结合我国现在和未来航天任务对精密定轨技术的需求，选取多功能导航卫星的精密定轨技术作为研究对象。在德国地学研究中心（GFZ）最新开发的实时GNSS数据处理软件平台EPOS-RT（Earth Parameter and Orbit Determination System in Real-Time）的基础上，实现了混轨星座联合定轨功能。主要研究包括：GNSS的精密定轨技术、基于GNSS的LEO卫星的精密定轨技术、GNSS与LEO的联合定轨技术。针对北斗二代系统(COMPASS)地面站分布稀疏性的特点，对混轨联合定轨策略对GNSS定轨精度的改善进行了分析。