中国空间科学技术

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化学-电喷双模推进系统的研究现状及展望

吴勤勤, 刘欣宇, 邓涵文, 康小明

2021 (1): 1-12.

摘要 ( 518 )

PDF(2873KB) ( 740 )

传统的化学推进和电推进拥有不同的特点及适用范围。化学推进可以产生毫牛级至牛级推力，相比于电推进，推力大，推力范围宽；电推进比冲高达上千秒，最小可以产生微牛级推力。但两种模式单独执行任务有一定的局限性，难以完成较为复杂的航天任务。化学推进与电推进相结合的双模推进系统，同时拥有高比冲和较宽的推力范围，为航天器提供了更高的任务灵活性，其中单组元液体火箭发动机离子液体电喷推力器双模推进系统近年来受到广泛关注。简述了单组元电喷双模推进系统的工作原理和特点，重点总结了国内外关于双模推进的研究现状，并对目前面临的问题与挑战进行分析。

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基于扩展卡尔曼滤波的XPNAV-1卫星自主定轨算法研究

丁陶伟, 帅平, 黄良伟, 张新源

2021 (1): 13-21. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0002

摘要 ( 411 )

PDF(2056KB) ( 476 )

X射线脉冲星导航1号（XPNAV-1）是全球首颗脉冲星导航专用试验卫星。利用该卫星观测的单颗脉冲星数据，采用几何约束方法，能够有效抑制轨道误差增长，但存在长时间定轨发散问题。针对XPNAV-1卫星拓展试验任务及脉冲星导航后续发展需求，利用多颗脉冲星的观测数据，研究基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的卫星自主定轨算法。首先，建立该卫星的轨道力学模型和观测方程；然后，详细论述EKF滤波算法和分段式定常系统（PWCS）的可观测性分析方法；最后，通过综合分析XPNAV-1卫星的观测数据、脉冲星对该卫星轨道的覆盖性以及系统状态的可观测性，进行自主定轨算法试验。试验结果表明，基于EKF的自主定轨算法滤波过程收敛，验证了该算法的合理性和有效性。

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基于在轨温度测量数据的整星结构尺寸稳定性分析

罗文波, 张新伟, 钱志英, 张玲, 白刚, 莫凡, 卢青荣, 殷亚州, 傅伟纯

2021 (1): 22-28. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0003

摘要 ( 377 )

PDF(4096KB) ( 310 )

针对高精度测绘卫星结构尺寸稳定性这一关键性问题，基于在轨温度测量数据，利用热分析模型和在轨温度变化规律，提出了卫星结构在轨温度场的反演方法。基于卫星结构在轨温度场反演数据，提出了针对载荷安装面法向夹角的拟合计算方法和夹角稳定性短期、长期指标的预示方法。根据该方法，给出了高分七号卫星在轨初期1个月内的结构稳定短期指标和长期指标预示结果，并对短期稳定性预示结果进行了统计分析。结果表明，各载荷安装面短期稳定性分析结果满足指标要求，相关分析方法可为同类航天器的结构热变形分析提供参考。

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应用iGMAS超快速星历的实时精密单点定位研究

徐伟证 , 康国华, 彭攀 , 周宏涛, 刘宗强, 赵腾

2021 (1): 29-37. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0004

摘要 ( 362 )

PDF(8161KB) ( 306 )

中国主导建设的国际GNSS监测评估系统（iGMAS）相比国际上比较成熟的IGS系统在产品精度等方面存在差别，目前实时精密单点定位应用多采用IGS实时、近实时产品。为改变这一现状，针对iGMAS产品特性以及实时精密单点定位对超快速精密星历的需求，对iGMAS超快速星历的精度和稳定性方面进行评估，设计了iGMAS产品实时/事后下载应用程序，开展了基于iGMAS超快速星历的实时精密单点定位研究，并结合NovAtel OEM617双频接收机进行了GPS实时精密单点定位试验。实验结果表明，在连续观测23min后定位误差即可收敛到分米级，较接收机原始定位精度高一个量级，且稳定性好，最终在E/N/U方向定位误差均方根分别为7.2cm、6.4cm、15.2cm，与应用IGS超快速星历实时PPP试验取得相近的结果。研究实现了iGMAS数据获取、评估和实时PPP应用的一整套方案，验证了iGMAS超快速产品的性能，对推进iGMAS产品的应用提供了借鉴。

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面向多星区域观测调度的改进型自适应遗传算法

樊育, 刘莹莹, 周军

2021 (1): 38-47. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0005

摘要 ( 388 )

PDF(2370KB) ( 351 )

针对传统优化算法在解决多星区域观测调度问题中收敛速度缓慢和易于陷入局部最优解的不足，提出了一种改进型自适应遗传算法。该算法通过蒙特卡洛方法结合Hamming距离，给出较优的初始种群；根据种群的平均Hamming距离确定交叉和变异操作的执行顺序，并结合sigmoid函数和高斯函数基于种群的个体适应度设计了自适应非线性的交叉率和变异率；结合双精英保留策略和锦标赛策略，保证最优个体的遗传；使用双重停机条件，提高算法的搜索效率。最后，通过实验表明，该方法可以显著提高全局搜索能力，加快算法的收敛速度，有效提高卫星的观测效率。

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Klobuchar电离层模型误差分析及预测

彭雅奇, 李冲辉, 王倚文, 魏武雷, 丁柏超, 刘仰前

2021 (1): 48-54. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0006

摘要 ( 785 )

PDF(5519KB) ( 482 )

电离层延迟误差是全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）中的重要误差源之一。目前在电离层延迟改正模型中，应用最广泛的是Klobuchar参数模型，但是该模型的改正率仅能达到60%左右，无法满足日益增长的精度需求。将国际GNSS监测评估系统（international GNSS monitoring & assessment system，iGMAS）发布的高精度电离层格网数据作为对照，对Klobuchar电离层模型误差进行计算和分析，结果发现在中纬度区域误差存在明显的周期性特征。为进一步提高Klobuchar电离层模型在中纬度区域的改正精度，建立了基于粒子群优化反向传播（back propagation，BP）神经网络的Klobuchar电离层误差预测模型,并以2019年10月的采样数据为例进行误差预测。结果表明，用该模型对中纬度区域电离层延迟提供误差补偿，可将精度提高到90%左右。

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太空衍射望远镜大型桁架展开过程动力学建模

黄泽兵, 刘锦阳, 袁婷婷, 侯鹏

2021 (1): 55-63. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0007

摘要 ( 404 )

PDF(4360KB) ( 416 )

在太空衍射望远镜桁架展开过程中，各个桁架单元展开锁定的瞬间会引起构件的弹性振动，并对星体与主镜产生较大冲击。在考虑桁架各部件弹性变形的基础上，针对系统拓扑结构和约束条件的变化，对桁架展开与锁定过程建立了变拓扑的柔性多体系统动力学模型并进行了动力学数值分析。当桁架单元锁定时通过在关节处施加强力矩和阻尼来模拟锁定机构的作用。数值仿真结果表明，在锁定瞬时，桁架在纵向呈现大幅度振动，星体与主镜受到的冲击力出现峰值，且每一次峰值有差异，呈现周期性变化，这种现象是由桁架柔性部件的弹性变形引起的。研究结果对太空衍射望远镜结构设计与动力学控制提供了技术参考。

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挠性航天器多目标鲁棒姿态控制的DPSO算法实现

王梦菲, 张军

2021 (1): 64-74. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0008

摘要 ( 379 )

PDF(4307KB) ( 411 )

复杂航天器高性能姿态控制是完成现代新型空间任务的基础，需兼顾鲁棒性、快速性、精度和控制能量等多目标要求，但目前大多数控制系统只针对某单一目标设计。针对大型挠性航天器多目标姿态控制问题，提出一种基于差分粒子群优化算法和输出反馈的鲁棒控制方法。首先，推导了含参数不确定性的系统动力学模型；然后，给出了差分粒子群优化算法的定义和鲁棒D-稳定的线性矩阵不等式（LMI）表达；最后，在区域极点约束和Pareto最优原则下，利用所提算法对干扰抑制和控制能量指标进行了优化，得到反馈增益矩阵。该方法满足了系统多目标约束要求，且具有一定的振动抑制作用；可避免传统带极点配置的LMI方法在解决多目标问题时的保守性，也解决了将多目标转化为一个指标函数时加权系数的选择困难。数学仿真验证了该方法的有效性，相比于传统PID控制，干扰下姿态稳态误差可减小约54%。

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2-SGCMGs与磁力矩器的对地姿态混合控制方法

雷拥军, 袁利, 刘其睿, 刘洁

2021 (1): 75-83. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0009

摘要 ( 300 )

PDF(3319KB) ( 282 )

针对故障后仅剩两单框架控制力矩陀螺（SGCMG）可工作的对地定向三轴稳定卫星姿态控制问题进行了研究，提出了2-SGCMGs系统与磁力矩组合的混合控制策略及方法，以克服两SGCMG欠驱动控制的鲁棒性问题。首先，给出2-SGCMGs零动量方式的标称框架角构型选择计算过程。然后，结合标称框架角构型，构造了一种不同于沿传统体轴的新型控制标架，将三维控制力矩指令空间分解为由SGCMG与磁力矩器分别控制执行的两正交子空间，实现对力矩输出特性差异较大的该两类执行机构的控制解耦，进而对不同子空间控制指令给出2-SGCMGs系统框架角速度指令及含磁卸载在内的磁力矩器磁矩指令的求解算法。最后，针对存在外界扰动的卫星对象，由数学仿真验证了所提出策略及方法的有效性，实现了姿态误差小于0.05°且稳定度优于0.0005°/s的控制性能，可满足一般高分辨率对地遥感卫星控制需求。

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一种低轨废弃目标的捕获与回收方案

王立武, 刘安民, 许望晶, 张青斌, 王广兴, 鲁媛媛

2021 (1): 84-90. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0010

摘要 ( 366 )

PDF(4722KB) ( 450 )

如何清除轨道上日益增多的废弃目标已成为国内外航天活动无法回避的现实问题和迫切需解决的问题。针对低轨道大型废弃目标回收问题，基于天基回收技术的概念，提出了一种新型组合式柔性捕获回收方案。使用空间绳网捕获废弃目标后通过充气式增阻离轨方式进行被动离轨，再利用充气式进入减速技术 (inflatable entry decelerator technology, IRDT)进行再入、减速并返回地面。根据方案建立了动力学模型，开展了仿真计算分析。仿真结果表明，该方案技术可行，可用于未来空间目标的捕获和回收。

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中轨道Walker导航星座在轨备份方案优化设计

王许煜, 胡敏, 赵玉龙, 张学阳, 李玖阳

2021 (1): 91-99. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0011

摘要 ( 285 )

PDF(5113KB) ( 231 )

针对中轨道Walker导航星座在轨备份方案的优化问题，首先提出了在轨备份星轨位优化设计方法，考虑星座运行期间在轨备份星与工作卫星存在共同提供服务的情况，选取PDOP值和可见卫星数作为轨位优化指标，建立了轨位优化模型，并基于NSGA-Ⅱ算法对不同轨位下在轨备份星对导航星座服务性能的提升效果进行仿真分析；然后，基于在轨备份星轨位的优化结果，建立在轨备份星替换的轨道机动模型，并综合考虑速度增量和替换时间，确定了以替换时间最少为优化目标的在轨备份星替换方案。结果表明，提出的在轨备份方案能有效满足备份星的设计需求，增强导航星座的服务性能，实现故障卫星的快速替换，可为导航星座备份星的建设提供借鉴。

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大功率微波部件多载波无源互调分析与实验验证

魏焕, 王新波, 白鹤, 崔万照

2021 (1): 100-105. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0012

摘要 ( 301 )

PDF(2206KB) ( 197 )

无源互调是通信系统不可避免的问题，随着卫星载荷技术向更高功率、宽频段、高灵敏度接收方向发展，无源互调对通信系统造成的影响更加严重。常用的双载波分析评价无源互调已经不能适用于现代复杂载荷通信系统，提出确定多载波无源互调分布类型分析与计算方法，采用非线性模型计算多载波无源互调功率电平。通过对TNC双阴连接器的分析计算可得到接收频带内产生3个互调频率点，对比非线性模型计算的互调功率电平与多载波实验测量的互调功率电平，3个互调频率点最大误差小于5dB。分析方法有助于大功率微波部件多载波无源互调分析，可为多载波无源互调测量提供参考和依据。

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导航星座星间星地一体化数据交互技术研究

王琦, 顾亚楠, 汪勃

2021 (1): 106-112. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0013

摘要 ( 329 )

PDF(3030KB) ( 397 )

导航星座时分轮询建链体制星间链路与非时分固定建链体制传统星地链路，数据交互机制区别显著，不利于导航星座与地面联合数据交互的高效实现。提出利用与星间链路信号体制一致的星地链路，将星间链路范围扩展至地面，以少量的地面站资源和统一的网络规划，实现星间、星地链路数据传输处理机制统一化以及网络资源调度管理一体化的方法，可支持全球导航系统星-星-地数据的高效精准交互。制定了地面节点设计部署方案和星-星-地一体化资源调度方案；指出一体化网络拓扑规划的核心是境内卫星的建链目标分配，并给出境内卫星建链目标的优化排序方法和排序优先级策略；以最短路径路由方式为代表，定义了按照时间前向搜索传输路径的路由规划方法。通信性能仿真结果表明，相比于使用传统固定建链体制的星地链路，该方式下进行导航星座与地面数据交互的前向接入数据容量和传输时延等性能有明显提升。

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基于神经网络的重力卸载系统控制器设计

孙一斌, 王丽梅

2021 (1): 113-119. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0014

摘要 ( 307 )

PDF(2373KB) ( 196 )

吊挂系统是地面模拟空间机械臂重力卸载试验的重要方法之一。针对传统PID控制方式动作响应慢、鲁棒性差等缺点，提出了一种基于径向基函数（RBF）神经网络的智能控制方式。该方式有很强的非线性拟合能力，且学习规则简单，可映射任意复杂的非线性关系，便于计算机实现。利用该特性，设计了一种重力卸载精度较PID控制方式更高的控制器。该控制器应用正交最小二乘法辨识的控制模型，在带负荷的伺服电机数学模型条件下，使用基于梯度下降法更新权重的RBF神经网络，最后通过s函数编写，得到Matlab仿真图像。仿真结果与PID控制方法相比响应迅速，鲁棒性强，重力卸载精度更高（98%）。

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深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

马鑫, 周琪, 李明涛, 张会锁

2021 (1): 120-130. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0015

摘要 ( 353 )

PDF(4481KB) ( 256 )

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测，从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述，给出了深空撞击载荷初步总体设计方案；通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真，得到了撞击速度在0.2～0.4cm/μs变化范围下产生32～47cm大小的撞击坑坑径结果，得出了撞击坑直径随弹丸不同撞击速度、靶材不同密度、不同强度和不同厚度的变化规律，为撞击载荷总体优化设计提供了撞击效能仿真技术支撑。

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