深空探测器在执行任务时需要依靠星座导航系统进行精确定位。该系统由若干颗导航卫星组成,每颗卫星都有固定的轨道位置和信号强度。
为了确保导航精度,需要选择一组卫星构成“导航空座”,使得:
- 两颗卫星距离过近会产生干扰,降低导航精度;
- 星座必须保持连通性(通信半径为 ,任意两颗卫星都能通过直接或间接通信到达);
- 在综合考虑以上因素后,使总导航精度最大化。
导航精度计算规则
设选定的导航空座包含卫星集合 ,每颗卫星 位于坐标 ,信号强度为 。
- 基础精度:每颗卫星贡献的基础精度为其信号强度 。
- 几何加成:考虑星座的几何分布,计算所有卫星对之间的几何加成:
其中 是卫星 和 之间的欧几里得距离。
连通性约束:
- 如果两颗卫星距离 ,则它们可以直接通信。
- 整个星座必须保持连通(任意两颗卫星都能通过直接或间接通信到达)。
干扰惩罚:
如果两颗卫星距离过近(),会产生信号干扰,精度减少:
其中 是指示函数,当条件满足时为 ,否则为 ;对每一对不同的卫星()各计算一次干扰惩罚。
总导航精度计算公式:
给定 颗候选卫星的坐标和信号强度,以及通信半径 和干扰阈值 ,从中选择若干颗卫星组成导航空座,使得:
- 星座保持连通性(通信半径为 );
- 总导航精度最大化;
- 星座中至少包含 颗卫星。