中国空间科学技术

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地月空间基础设施体系架构与发展设想

杨孟飞, 彭兢, 李炯卉, 倪彦硕, 朱舜杰, 杜颖, 徐宝碧, 黄晓峰, 张正峰

中国空间科学技术 2024, 44 (3): 1-14. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0034

摘要（709）

PDF（pc）（7849KB）（982）

建设地月空间基础设施，为人类在地月空间的活动提供基础性、通用性的通信、导航、监测等服务，既可满足中国后续月球探测国家重大工程任务需求，同时可以加速推进地月空间航天产业发展，对于推动中国科技强国、航天强国建设具有重大的战略意义。在阐明地月空间基础设施概念、分析研判国内外发展现状的基础上，紧密围绕重大工程和航天产业持续性发展需求，提出地月空间基础设施体系架构设想，明确系统服务、系统组成、“云-域-端”网络体系以及内部和用户接口体系。最后以分阶段逐步建成技术先进、布局合理的地月空间基础设施，提供自主开放、安全可靠、长期连续稳定运行的通用化服务为目标，提出发展展望和发展建议，为中国地月空间基础设施发展建设规划提供参考。

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太阳系内行星探测活动进展与展望

杨孟飞, 郑燕红, 倪彦硕, 黄晓峰, 张正峰, 邢卓异

中国空间科学技术 2023, 43 (5): 1-12. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0063

摘要（557）

PDF（pc）（10199KB）（751）

行星探测是人类认识宇宙的重要手段，随着航天技术的不断发展，主要航天国家先后实施了百余次太阳系内行星探测活动，实现了太阳系内行星的飞越、环绕、着陆、巡视及采样返回。结合已实施的系内行星探测活动和将要开展的系内行星探测任务，分析了行星探测任务的特点，总结了行星探测的主要科学问题及主要发现，展望了系内行星探测的发展趋势，并结合我国行星探测近期发展规划，提出了中长期发展路线设想与引领任务建议，可为我国行星探测任务规划提供支持。

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月球资源开发利用的进展与展望

杨孟飞, 邹志刚, 汪卫华, 姚伟, 王庆功

中国空间科学技术 2024, 44 (1): 1-10. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0001

摘要（538）

PDF（pc）（4467KB）（789）

中国探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官，后续将建立国际月球科研站，并进一步规划建立月球基地。月球探测任务由探测勘察进入到开发利用新阶段，月面资源的勘查、开发和利用是未来月球探测的重点任务。总结了月球资源开发利用方面的国内外重要进展，涉及月球资源勘探、水冰等挥发分分析、月球矿物冶炼与材料制备、月面建造与月壤3D打印等四个方面。同时，月球资源开发利用面临极端月面环境、独特月壤理化特性、全流程无人自主控制等重大挑战，为解决这些问题，提出了未来月球资源开发利用的重点任务和研究思路，可为后续科学研究和工程任务实施提供参考。

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近月空间星座轨道设计方法

陈诗雨, 倪彦硕, 彭兢

中国空间科学技术 2024, 44 (3): 15-29. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0035

摘要（491）

PDF（pc）（9757KB）（436）

结合未来月球探测任务对中继通信及月面导航的需求，提出一种近月空间星座轨道构型设计方法。首先梳理了中继通信、月面导航、建设及维护成本三个方面的星座设计指标，并应用层次分析法确定了各项指标的权重，给出综合评价指标；充分考虑近月空间轨道资源，分析各类轨道的性质，初步筛选适合部署星座的轨道类型；提出一种近月空间星座建设路线，分三个阶段逐步实现全月的100%四重覆盖；依次设计三个阶段的星座构型，对每个阶段，比较不同的构型方案，选择综合评价指标最优的构型方案。基于上述方法得到了近月空间星座建设方案：第一阶段部署2颗椭圆冻结轨道卫星，可为月球南极极区提供全时对地中继通信；第二阶段部署6颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L2晕轨道卫星，可为月球南极极区提供全时导航定位，并为全月面提供全时对地通信；第三阶段部署4颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L1晕轨道卫星、3颗远距离逆行轨道卫星，可为全月提供全时导航定位。对全月任一点，该星座的几何精度衰减因子小于5的时间至少占72%，可长时间为全月面提供高精度导航定位。相较于现有文献，该近月空间星座设计方法考虑的轨道类型更丰富，星座性能指标更全面，且创新性地提出了分阶段的近月空间星座建设方案。

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多源遥感数据在战场环境智能态势感知的现状及展望

邵振峰, 党超亚, 张红萍, 吴长枝, 齐晓飞, 黄俊

中国空间科学技术 2024, 44 (1): 11-22. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0002

摘要（362）

PDF（pc）（4641KB）（562）

面对复杂战场环境信息的快速变化，及时全面准确地掌握复杂战场环境态势，是未来打赢信息化战争的前提条件。为了探索多源遥感数据对战场环境态势感知的发展方向，基于广泛调研战场环境态势感知的遥感需求，首先对战场环境态势智能感知的概念和内涵进行了阐述，然后对多源遥感数据的处理与战场态势感知应用现状进行概述，分析了遥感在战场态势智能感知面临的挑战，最后提炼总结了遥感在战场态势感知的进展和发展趋势。遥感为战场环境态势感知提供多种观测数据，遥感与人工智能算法结合可以为军事战场环境态势感知提供多种应用，为指挥人员决策提供数据支持，但仍然存在大量挑战需要解决。在分析现阶段成果和面临挑战的基础上，提出了遥感在战场环境智能态势感知的前瞻，指出了基于遥感的深度学习可解释性和智慧战场是遥感在战场智能态势感知发展所面临的困难。

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木星系科学探测研究与展望

邹昕, 彭兢, 缪远明

中国空间科学技术 2023, 43 (6): 1-10. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0078

摘要（346）

PDF（pc）（3340KB）（455）

为了更好地规划中国首次木星系科学探测任务，对国外历次木星系探测任务的发展状况进行了调研分析，包括7 次飞越探测、2 次环绕探测（伽利略号和朱诺号），归纳总结了木星系探测任务的科学目标、载荷配置及其探测成果情况，分析得到了木星系科学探测任务特点和启示。最后，在上述分析和待解决问题的基础上，提出了中国木星系科学探测任务的初步设想与发展展望。

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空间目标天基光学定位方法综述

李瑶, 陈忻, 饶鹏

中国空间科学技术 2024, 44 (2): 1-15. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0017

摘要（322）

PDF（pc）（6075KB）（622）

近年来空间目标定位领域不断结合网络协同、多模融合等探测技术，发展迅速。其中，基于天基光学探测的定位方法以隐蔽性好、测量精度高的独特优势在民用和国防领域应用广泛。为了分析不同情景下适用于不同类型目标的定位方法，针对基于天基光学探测的空间小目标定位进行综述。首先介绍天基光学探测技术的发展、空间目标的分类和特点以及空间目标定位的概念。然后着重分析适用于空间“小、弱”目标的单星和多星定位方法，并对近年提出的异质传感器联合定位展开说明。最后，依据成像过程建立空间目标定位误差分析模型，分析定位精度的影响因素占比并根据现存问题做出总结和展望。

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地月及深空探测先进电推进技术的发展

吴辰宸, 耿海, 王紫桐, 李得天

中国空间科学技术 2023, 43 (5): 13-23. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0064

摘要（313）

PDF（pc）（7207KB）（473）

聚焦地月及深空探测关键技术之一——空间电推进技术，介绍了空间电推进的技术内涵和中国电推进应用现状，从任务特点、电推配置、应用效益等维度剖析了国际上典型的基于电推进的地月及深空探测任务。瞄准中国深空探测领域未来发展需求，针对月球探测、小行星探测、载人火星探测、太阳系边际探测和地月空间科学探测5种典型场景，分别介绍了电推进优化应用策略，梳理了面向深空探测的先进电推进关键技术体系和发展重点。最后，按照“一中一超一微”的发展思路给出了空间电推进技术发展建议，为后续空间电推进在地月及深空探测领域实现更加广泛的应用提供参考。

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空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

吴树范, 张倩云, 刘梅林, 沈强

中国空间科学技术 2023, 43 (4): 1-12. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0048

摘要（291）

PDF（pc）（6507KB）（343）

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器，旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理；然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术；并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理，可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声，国外在该指标上达到3×10^-15m/(s²·Hz^1/2)，国内与国外存在着3个量级的差距，因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义，是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求，可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。

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地月空间天基时空基准的构建与传递

周会超, 郑晋军, 王海红, 毕少筠

中国空间科学技术 2024, 44 (3): 51-59. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0038

摘要（265）

PDF（pc）（6434KB）（314）

地月空间正在逐渐成为人类太空探索活动的热点区域。高精度时间、空间基准的构建和传递是确保地月空间任务规划与实施的重要基础，既是地球时空基准的体系化拓展，也是提升地月空间时空信息保障水平的重要手段。随着GNSS系统的发展和稳定服务，地球区域时空基准设施相对完备。月球区域的导航系统与地球类似，国内外也提出了多种方案，但地月空间还包括地球、月球区域以外的区域，其时空基准实施的构建需要充分考虑空域大、动力学特殊等因素，在高效益实现时空信息服务的同时，将地球和月球的时空基准进行有机衔接。立足当前发展需求，开展了地月空间时空基准架构的设计，并针对地球、月球区域之外地月区域特点，研究并提出基于地月平动点的天基时空基准构建、溯源和传递方案，可支持实现地月空间时空基准信息服务，为地月空间时空基准的一体化构建与发展提供参考。

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月面通信导航基础设施总体架构与关键技术研究

李炯卉, 王孖杰, 白帆, 顾征, 辛鹏飞, 贾敏, 赵洪博, 彭兢

中国空间科学技术 2024, 44 (3): 30-42. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0036

摘要（256）

PDF（pc）（6199KB）（304）

月面通信导航基础设施是地月空间基础设施体系中重要的组成部分，为月面局部热点区域用户提供更加便捷的通信网络服务，同时可与近月导航星座相配合提供月面区域定位导航基准和一定的定位导航授时能力。面向当前重大工程和未来大规模月面活动的中长期战略发展，在分析总结国内外发展趋势的基础上，提出月面通信导航基础设施总体架构，包括月面通信导航网络架构以及月面与空间接口。在此基础上，分析了月面频率规划、电波模型、网络接入、高速传输、定位导航等核心问题的解决途径。最后，提出分步建设建议和技术发展路线图，为未来月球探测任务通信与导航系统规划和建设提供参考。

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宏微空间机械臂运动控制方法综述

尹旺, 王翔, 王为, 刘冬雨

中国空间科学技术 2023, 43 (4): 13-23. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0049

摘要（256）

PDF（pc）（5711KB）（374）

由于单一的机械臂不能满足日益增长的空间任务需求，为了提升机械臂的综合性能如快速响应、高精度和大负载，世界各航天大国开展了宏微机械臂的研制工作。综述了国际空间站和中国空间站上宏微机械臂的发展现状，分别从分时独立控制和协调控制两种操作模式下对宏微机械臂系统的运动控制进行了归纳总结。当宏微机械臂采用分时独立的控制模式时，可将其等效为柔性基座机械臂，并从反作用最优控制、主动阻尼控制和末端轨迹跟踪控制三方面对柔性基座机械臂的控制算法进行了分析研究，为中国空间组合机械臂的在轨操作提供了借鉴意义。最后，对空间宏微机械臂的动力学建模和运动控制进行了展望。

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低轨大规模卫星星座内部防碰撞安全性分析

云朝明, 胡敏, 阮永井, 薛文

中国空间科学技术 2023, 43 (5): 35-45. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0066

摘要（255）

PDF（pc）（6196KB）（315）

针对低轨大规模星座卫星间碰撞安全问题，对星座构型的最大漂移量开展了研究。基于球面三角形理论计算了卫星轨道平面的最小相位差；采用控制变量法对星座构型参数进行研究，分析不同构型参数对星座卫星最小相位差的影响，以及升交点赤经漂移量与最小相位差的关系，提出了基于最小相位差的星座构型参数协同设计方法；基于相对相位分析方法，建立升交点赤经漂移量与相位漂移量随时间变化的函数关系；最后，以Starlink第一期星座为参考对象进行仿真，验证了构型参数协同设计方法的合理性。

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陆地生态系统碳监测卫星系统设计与技术创新

曹海翊, 张新伟, 黄缙, 贺涛, 毛一岚, 卢清荣

中国空间科学技术 2023, 43 (6): 112-124. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0090

摘要（253）

PDF（pc）（7752KB）（330）

由国家民用空间基础设施支持的陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”瞄准森林碳汇储量评估的需求，配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4个载荷。卫星采用主被动遥感相结合的体制，综合运用激光、多角度、多光谱、超光谱、偏振等遥感手段，可实现植被生物量、叶绿素荧光、气溶胶分布的高精度定量测量。通过在轨定标和真实性检验，发布了包括森林树高、生物量、叶绿素荧光等反演产品。目前该卫星处于在轨测试阶段，预期在地面坡度小于5°的区域，树高测量精度优于1.5m，区域尺度的生物量反演精度优于85%。该卫星将在碳汇储量监测、生态资源详查、国家重大生态工程监测评价等方向上提供遥感监测服务，为“碳达峰、碳中和”战略发挥遥感力量。

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模拟月壤3D打印致密化成型研究

刘祎炜, 张弦, 王超, 宋坚, 陈雄, 姚伟

中国空间科学技术 2023, 43 (6): 66-73. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0085

摘要（221）

PDF（pc）（7898KB）（452）

月壤原位3D打印（增材制造）可实现月球基地的原位建造和关键部件的原位制造，大幅降低月球探测任务的成本和风险。搭建了选择性激光熔融模拟月壤实验系统，开展单轨成型实验，探索激光功率，扫描速度、首层粉末厚度对样品致密化的影响，同时测量了每条轨道的宽度和深度。研究结果表明，单轨宽度随着扫描速度的增高而下降，直至几乎不变。同一激光功率下，单轨深度随着首层粉末厚度增加而变深。单轨深度随着扫描速度的升高，先升高后下降。单条熔道密度可以达到2.5g/cm3，此时相对密度为86%。随着扫描速度增加，不同层厚单轨密度均稳定在1.7g/cm3。首层粉末厚度越薄时，单轨密度也是略高于其他层厚。这些数据将为原位建造技术提供重要支撑。

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地月云网：跨域融合一体的地月空间网络

乔梁, 李承昊, 王善澎, 李炯卉, 刘雷, 徐勇, 燕洪成, 孙哲蕾

中国空间科学技术 2024, 44 (3): 43-50. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0037

摘要（216）

PDF（pc）（5073KB）（231）

为了更好地发挥地月空间基础设施对各类用户的服务效能、构建跨域融合一体的地月空间网络，提出了地月云网概念，各星座/设施之间及其内部通过无线链路连接成网，并通过一体化网络协议实现地月空间组网。地月空间组网运行将对传统深空探测任务带来颠覆性变革，可以实现全时段测控、高效数据回传、器间任务协同等。然而，地月云网具有高动态、大时延、强异构特点，这给地月空间组网带来了挑战。对地月空间网络发展与特点进行了分析，构建了适应地月空间特征及满足未来深空探测网络节点互联需求的地月云网协议栈，具有一体化、通用化、分层化、智能化、国际化的特点，并对其数据面和控制面设计进行了阐述。同时对未来地月云网协议发展进行了展望，提出了关键技术。

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月面科研站分布式能源系统研究

袁勇, 赵晨, 曹彦, 刘志强, 胡震宇

中国空间科学技术 2023, 43 (6): 32-42. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0081

摘要（210）

PDF（pc）（3965KB）（271）

月面科研站是月球科研站的月面探测集群，由多个任务单元组成，包括月面的指挥控制中枢、月面/月地通信系统、月面能源系统以及各个探测任务单元。能源系统是月面科研站的重要组成部分，为了高效地配置、调度和运维能源系统，提出了昼间以光伏发电为主、夜间核电系统进行能源补充的分布式能源系统方案。对月面科研站的分布式能源系统开展研究，分析了各个任务平台的发电能力、分析科研站的用电需求和各种载荷用电特点，对月面科研站分布式能源系统的体系构架进行了对比分析，优选星形构架的分布式科研站能源系统方案。提出10kW级长期载荷供电方案和系统构成，对月面科研站能源系统的关键技术和建造方式进行分析，能够应用于后续月面科研站的能源系统建设和组织运维。

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空间站机械臂末端执行器维修系统设计与验证

朱超, 张文明, 胡成威, 唐自新, 梁常春, 孔旭, 李德伦, 王友渔, 曾磊, 张昕蕊

中国空间科学技术 2023, 43 (5): 79-86. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0071

摘要（210）

PDF（pc）（6685KB）（298）

维修对空间站机械臂寿命延长意义重大。针对空间站机械臂末端执行器的维修问题，调研了国际空间站已完成的在轨维护维修任务，提出了一种空间站机械臂末端执行器维修系统方案，采用四方协同作业的方式，分3次出舱在特定的维修区域开展机械臂末端执行器的系统性维修，提出了末端执行器故障处置方案、维修策略、维修工具、维修流程和验证方法，搭建了一套虚拟维修仿真平台，针对末端执行器典型的操作动作进行了维修仿真验证，同时在地面搭建模拟维修场景对机械臂末端执行器维修进行了试验验证。结果表明机械臂末端执行器维修的可操作性、可达性、可视性、安全性均满足要求。可以为后续空间站机械臂维修工作提供设计指导。

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基于DRL的巨型星座星地测控链路规划算法

席超, 杨博, 王记荣, 李公, 朱睿杰, 杨肖

中国空间科学技术 2023, 43 (5): 65-70. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0069

摘要（208）

PDF（pc）（2855KB）（319）

针对巨型星座的星地测控链路规划问题，提出了一种基于深度强化学习的智能规划调度算法。该方法考虑了卫星对于测控站的资源竞争关系和连接关系，设计了环境状态，决策智能体通过感知卫星状态，结合动作选择策略，生成卫星对于测控站的分配方案，并根据反馈的奖励值进行策略的迭代优化。将本算法应用于巨型星座系统的星地测控链路规划任务，仿真结果表明所提出的智能算法可以将测控站天线利用率提升到98%以上，同时有效地降低了天线的切换次数。另外，训练好的模型可以根据未来时刻的星地可视窗口，在30s内快速生成星地测控链路规划方案。

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卫星星座分布概率解析算法及精度分析

刘慧梁, 孙茜, 楚尧, 彭菲, 江帆, 吕红剑, 蔡亚星, 王平

中国空间科学技术 2023, 43 (5): 56-64. DOI: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0068

摘要（205）

PDF（pc）（6430KB）（256）

随着全球低轨星座规模不断增大，传统基于轨道外推的时域统计方法难以满足星座空间分布概率快速分析需求。针对高效率高精度星座分布概率解析问题，首次提出并详细推导了具有普适性的卫星星座概率分布解析表达式，引入了地面站可视空域小区内卫星期望值变量，系统验证了解析算法对于不同构型大型星座的适用性。通过与基于轨道外推的时域统计法结果对比，当可视空域小区半径等于10°时，最大误差为3.1%；当小区半径减小至2°时，分析误差小于0.1%。此外分析了地面站部署在不同纬度时对混合构型星座场景的计算精度，为全球范围内精确解析星座分布概率提供了理论基础及高效计算方法。

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