中国空间科学技术

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基于放电室均布模型的射频离子推力器研究

颜能文, 郭宁, 吴辰宸, 谷增杰, 杨兆伦

2021 (3): 1-8. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0031

摘要 ( 393 )

PDF(4468KB) ( 424 )

为了研究工作参数和结构参数对射频离子推力器放电性能的影响规律，通过开展放电室均布模型数值仿真和推力器性能试验，研究了射频离子推力器LRIT40的放电机理和放电性能随结构参数和工作参数的变化规律。研究发现，减小长径比或增大工质流率、栅极电压及射频功率均能增大推力器束电流，改善推力器性能。通过分析试验结果和仿真结果得到，放电室均布模型可用于研究射频离子推力器的性能。

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部署retro-GEO巡视器的月球借力飞行轨道分析

贺波勇, 马鹏斌, 杜卫兵, 李恒年

2021 (3): 9-15. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0032

摘要 ( 347 )

PDF(2358KB) ( 249 )

retro-GEO是指逆行（retrograde）地球静止轨道（geostationary Earth orbit, GEO），该轨道与GEO轨道高度相同或相近，但倾角为180°，安装在retro-GEO卫星上的巡视器可每12h对GEO带空间资产附近碎片环境安全预警。直接西向发射retro-GEO卫星存在地面测控和发射能耗较大的困难。基于平面四体模型，为降低设计变量敏感性，以近月点参数为设计变量，建立了部署retro-GEO巡视器的月球借力飞行轨道设计模型，利用轨道动力学模型延拓策略，得到该类轨道绕月后返回地球飞行时长只能约为114.79h，该结论可用于求解该类轨道高精度轨道动力学模型解。

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基于生成对抗网络的空间卫星低照度图像增强

陈榆琅, 高晶敏, 张科备, 张洋

2021 (3): 16-23. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0033

摘要 ( 321 )

PDF(3637KB) ( 328 )

针对空间低照度成像条件下卫星光学图像信息受损严重的问题，提出了一种基于生成对抗网络的空间卫星低照度图像增强方法，提高了图像的平均亮度及对比度，恢复图像细节信息，为图像识别等图像处理技术提供更高质量的数据信息。首先，设计了一种密集连接的生成器，加强了各特征提取阶段中的信息传递以及多层特征的融合，减少了特征信息的损耗，更好地提取正常照度图像及低照度图像中相似的语义信息；并结合EnlightenGAN的思想，采用了全局局部辨别器结构，使图像增强效果更自然。然后，在少量样本的条件下，利用非配对样本对该方法进行训练，并通过对输入图像进行随机缩放及翻转等数据增强方法提高模型训练效果，进而提升低照度图像增强性能。最后，对所提出的空间卫星低照度图像增强方法进行了仿真验证。试验结果表明，在空间低照度条件下，该方法在NIQE指标上较LIME及EnlightenGAN分别降低了1.034和0.699，保留了更多的图像细节，具有更高的整体和局部亮度、更高的对比度以及更自然的增强效果。

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微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

王雯倩, 刘向阳, 王帅, 陈世昌, 赵子靖, 耿金越, 沈岩, 王宁飞

2021 (3): 24-30. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0034

摘要 ( 355 )

PDF(8055KB) ( 348 )

微阴极电弧推力器（microcathode arc thruster，μCAT)在微纳卫星空间任务中有良好的应用前景，但寿命问题是目前制约其发展的重要因素。研制了自动数据采集系统，进行了不同放电频率下全寿命试验，观察分析了失效后阴极材料及导电薄膜的形貌变化。研究结果表明：推力器工作初期，放电特性为不稳定阶段，该阶段在μCAT的全寿命占比小于10%。薄膜电阻放电前期相对稳定，为百欧量级，在临近失效时迅速升高至千欧量级，峰值电流在临近失效时急剧下降直至失效。放电频率升高会使阴极坑区域热量累积，增强了导电薄膜破碎程度，导致推力器提前失效，寿命降低。电弧烧蚀位置分布不均匀，导致阴极利用率降低，是制约μCAT寿命的重要因素。

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基于间接法在线能力评估和自主规划技术研究

湛康意, 陈海朋, 贺从园, 甘庆忠, 王禄

2021 (3): 31-38. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0035

摘要 ( 176 )

PDF(4279KB) ( 218 )

针对运载火箭推力故障条件下的自主救援任务，研究了一种基于间接法的在线能力评估和自主规划方法。构建了以入轨点能量最大为最优性能指标的最优控制问题。通过数值方法探讨了在满足轨道倾角和入轨点路径角约束条件下，入轨点速度、远地点和近地点跟入轨高度之间的关系，设计了一种与入轨高度相关的特征量来对入轨能力进行评估。以近地点最高为救援轨道选取准则，结合能力评估，研究了一种自主在线规划策略，当判断能够进入圆轨道时，割线法求解最大圆轨道，否则采用牛顿法求解近地点最高的椭圆轨道。仿真结果表明，提出的自主规划方法在有效性、收敛性和实时性上均能满足在线制导需求。

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基于认知无线电的GEO与LEO卫星频谱共存

胡晓月, 杨淼, 康凯, 张舜卿

2021 (3): 39-45. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0036

摘要 ( 329 )

PDF(2565KB) ( 354 )

随着新的宽带多媒体业务的发展，宽带无线频谱的需求日益增长。同时，低轨道（LEO）卫星由于其传输损耗低、传播时延小而被大规模部署。为了更好地利用频谱资源，卫星通信系统普遍采用高轨道（GEO）卫星与LEO卫星频谱共存的方案来提高频谱利用率。在频谱共存的过程中，提出了一种基于动态阈值的能量检测与波束跳跃相结合的算法，以减小LEO对GEO卫星的干扰。首先对LEO卫星的信噪比进行估计并实时选择最优阈值，然后利用基于动态阈值的能量检测算法对GEO卫星信号进行判别，最后根据判断的结果进行波束调整。仿真结果表明，提出的基于动态阈值的能量检测算法的检测误差明显低于传统的基于固定阈值的能量检测算法和基于二阶循环统计量的频谱感知方法。当信噪比低于-10dB的情况下，检测误差低于0.2；而当信噪比高于-5dB时，检测误差趋近于0。

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前向数据接入方式对导航星座网络通信性能的影响分析

王琦, 邵丰伟, 顾亚楠

2021 (3): 46-51. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0037

摘要 ( 180 )

PDF(1807KB) ( 90 )

对采用时分多址轮询建链体制的导航星座星间链路网络，为了指导星间链路网络地面前向数据接入的应用，分析了不同地面前向数据接入方式的星-星-地联合数据交互机制及其对网络通信性能的影响，并结合应用代价给出了综合评价和使用建议。以前向数据最快路径接入方式和固定节点接入方式为代表，分析了星间链路网络与地面间星星地联合数据交互机制的特点，明确了两种方式下星间链路网络拓扑路由规划策略的制定原则。通过构建Walker 24/3/1导航星座星间链路网络数据处理模型及典型星地运行场景，对两种地面前向数据接入方式仿真分析了星间链路通信容量和传输时延等网络通信性能，比较分析了通信容量及数据拥塞规律，得出前向数据最快路径接入方式相比于固定节点接入方式在通信性能上有较明显优势的结论。最后，综合给出了两种星星地联合数据交互机制的应用性评价,同时给出了在通信容量较低且通信时延要求不高、但可靠性要求较高的应用条件下，可适度采用固定节点接入方式的建议。

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超低轨道卫星应用离子电推进技术方案

杨福全, 王成飞, 胡竟, 张宏, 吴辰宸, 张兴民, 耿海, 傅丹膺

2021 (3): 52-59. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0038

摘要 ( 523 )

PDF(3138KB) ( 754 )

低地球轨道大气环境对诸如科学探测和对地观测卫星的阻尼作用十分明显，而且阻尼随太阳和地磁活动以及昼夜、季节交替变化范围宽。为了保证卫星轨道精度或飞行状态满足任务要求，需要利用推进系统对卫星受到的阻尼进行实时或间歇式补偿以实现轨道或飞行状态的保持。针对轨道高度220~268km的无拖曳飞行和轨道维持应用，基于卫星轨道阻尼变化和有效载荷指标要求分析，研究确定了离子电推进技术指标、推力调节方案、系统组成、推力控制方案和在轨应用策略，并对推力调节方案进行了试验验证。结果表明，与无拖曳飞行卫星任务匹配的离子电推进指标为推力调节范围1~20mN，推力分辨率优于12μN，与对地观测卫星轨道维持任务匹配的指标为推力调节范围1～25mN，推力分辨率100μN。研究提出的针对超低轨道卫星应用需求的高精度推力连续调节离子电推进技术方案，具有工程任务针对性和参考价值。

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一种基于多虚拟观测量的组合导航自主完好性监测方法

吴孔阳, 叶小舟, 肖伟, 刘文祥, 刘小汇

2021 (3): 60-69. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0039

摘要 ( 226 )

PDF(3739KB) ( 465 )

完好性用于导航系统出现故障的情况下提供及时的告警，是生命安全类用户需要考虑的重要性能指标。基于惯性导航系统（INS）辅助的卫星导航自主完好性监测算法，提出了一种利用INS构造3颗虚拟卫星观测量的组合导航系统自主完好性监测方法，通过构造视线方向相互垂直的3颗卫星，最大限度利用组合导航中INS的导航信息，在2颗可见星条件下就能实现故障检测。相比传统接收机自主完好性监测(RAIM)方法，该方法提高了检测算法可用性。在GPS单星座且INS定位误差方差σ_s=1m条件下，加入35m单星故障幅值，传统加权RAIM故障检测概率为48.51%，本文算法检测概率为95.21%，检测性能提升47%；与INS辅助的卡尔曼滤波残差检测法相比，在相同INS精度等级条件下该方法也具有更高的检测概率。此外，仿真分析了不同INS精度等级对该方法故障检测性能的影响，结果表明INS精度越高，该方法检测性能越好。

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基于仅光学观测的短弧关联分析方法

姜平, 张雅声, 陶雪峰, 徐灿, 方宇强, 李智, 王浩

2021 (3): 70-81. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0040

摘要 ( 181 )

PDF(6974KB) ( 120 )

初始轨道确定是空间目标编目的一个重要部分，尤其在光学仅角度观测下是极具挑战性的。光学观测在短弧的情况下很难进行有效的初轨确定，解决短弧问题的一个重要手段是将不同时刻获取到的短弧数据进行关联匹配，找到属于同一个目标的观测数据。以容许域的方法为基础，通过找到拟合多组观测数据的最优轨道的方式来确定角度预测值和角度测量真实值之间的最小误差。其次，根据对观测误差统计特性的研究，从理论上验证了线性化误差传播方式在短弧数据应用上的可行性，并给出合理的误差限，通过卡方检验的方式确定弧段之间的关联性。同时，给出了所提出的短弧关联分析方法应用于LEO，HEO，MEO，GEO轨道的结果，并描述了应用于长间隔低轨道目标观测数据上的困难，提出了用角度预报值的误差特性规律对低轨目标关联进行改进的方法，结果表明对于LEO观测短弧的关联性识别的成功率由原来的87%提升到99%。

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空间可展开薄膜遮光罩设计与分析

仝照远, 李萌, 崔程博, 霍卓玺, 罗保睿

2021 (3): 82-88. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0041

摘要 ( 425 )

PDF(6277KB) ( 451 )

对于觅音计划的光学系统而言，太阳光是其杂散光的首要来源，是影响成像质量的重要因素。通过将仿生技术和折纸理论相结合，完成光学系统的遮光罩设计。依据花朵开放过程，获取遮光罩的拓扑构型，完成遮光罩折展设计，并根据光学系统任务需求，优化遮光罩拓扑构型。采用底面为正六边形的拓扑构型时，遮光罩的折展比为8，且折叠后的包络空间和卫星星体所占用的空间相重合，能够更好地利用空间。选用两层薄膜作为遮光结构，一方面提高了遮光性能，另一方面遮光罩本身具有一定的隔热功能，更好地保护了光学系统。最后通过ABAQUS仿真模拟薄膜的展开过程，并进行应力水平分析。结果表明，遮光罩薄膜展开过程顺利，展开后最大应力为40.63MPa，满足聚酰亚胺薄膜材料的使用要求。

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基于SDN架构的NFV技术在低轨卫星网络中的应用

侯筠仪, 赵黎晔, 申景诗, 冯飞, 王韶波

2021 (3): 89-96. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0042

摘要 ( 328 )

PDF(5434KB) ( 453 )

针对当前卫星网络通信业务需求复杂、星上设备对多业务兼容性差的问题，提出了一种面向低轨卫星网络的软件定义网络(SDN)架构。该架构设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面，具有高度灵活和可编程的特性。通过网络功能虚拟化(NFV)技术实现了数据平面虚拟化和集群化控制器的功能分割，给出了架构实现的关键技术方案，使其能够实现数据传递的高效动态分配。最后仿真验证了在快速路由重构方面，该SDN卫星网络架构相较于传统卫星网络，在反向缝场景下全网平均网络查询时延更为稳定，且平均时延缩短了82.4%，进一步验证了其控制器数量选择的科学性，体现了该SDN卫星网络架构的先进性。

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基于峭度熵与分层极限学习机的动量轮轴承故障诊断研究

刘鹭航, 张强, 王虹, 李刚, 吴昊, 王志鹏, 郭宝柱, 张激扬

2021 (3): 97-104. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0043

摘要 ( 292 )

PDF(6598KB) ( 138 )

动量轮是卫星姿态控制系统的关键部件，其可靠性直接关系到整星寿命与安全。作为动量轮的核心组件，轴承易于发生故障，且独特结构和复杂运行环境导致监测信号信噪比低，早期故障诊断困难。针对这种情况，对变分模态分解和峭度熵结合的特征提取方法进行研究，获得动量轮轴承监测信号中的微弱故障特征，并建立特征向量。引入分层极限学习机，对结构和编码方法进行优化后用于轴承故障的识别。最后，将提出的方法用于实际故障的诊断，并通过与传统ELM方法比较，得出提出的方法在动量轮轴承故障诊断中具有更高的诊断精度，达到98.5%。

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卫星融合交换系统负载均衡异构路径算法

李静玲, 黎军, 张怡, 崔涛, 梁薇

2021 (3): 105-113. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0044

摘要 ( 219 )

PDF(4332KB) ( 262 )

卫星交换系统中的光与分组两种异构业务需要进行融合交换，为了合理利用卫星异构交换系统中的异构路径资源，需要对异构交换路径采用一体化生成方法。基于卫星异构融合交换结构模型，定义了异构路径影响因子，用以定量衡量异构路径对整体交换性能的影响，并针对卫星交换结构特点，采用交换系统子路径个数以及路径转换参数作为约束条件，通过构建异构路径资源权值函数，准确评估卫星异构交换系统中路径的负载均衡能力。研究了在异构交换系统中采用不同算法对于网络负载均衡度和路径拥塞概率指标的影响，仿真结果表明，与传统路由与波长分配算法相比，该算法可以在特定网络业务负载下将系统平均负载平衡度降低约32%，平均路径阻塞概率降低约51%。

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卫星光轴复合指向控制方法研究

鄢南兴, 林喆, 刘雅宁, 于飞, 王淳, 康建兵

2021 (3): 114-122. doi: 10.16708/j.cnki.1000.758X.2021.0045

摘要 ( 246 )

PDF(4284KB) ( 354 )

卫星平台搭载光学载荷对空间运动目标进行跟踪指向技术已经成为卫星发展的重点，为了提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性，仅依靠卫星的姿态调整已无法提升卫星光轴的性能。通过对由卫星姿态、星载光电转台和快反镜组成的卫星复合光轴指向系统的分析，需三者协同工作，输出有效叠加，才能有效提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性。对卫星姿态控制系统、星载光电转台控制系统、快反镜控制系统进行研究建模后，确定了三者的作动频带。通过建立辅助PQ单位反馈系统，运用频率响应法设计复合指向控制器，模拟某轨道的卫星与跟踪目标的相对运动轨迹作为仿真模型的输入。仿真数据表明卫星光轴的跟踪指向误差由0.6°下降到了0.05°，证明了复合指向控制律有效提升了卫星光轴的性能。

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