中国空间科学技术

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火卫二地形地貌探测综述

李铁映, 顾征, 周晓伶

2021 (5): 1-9. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0061

摘要 ( 387 )

PDF(4775KB) ( 641 )

火卫二（Deimos）是火星自然卫星之一，研究人员利用火星探测器对其地形地貌开展了大量研究。首先对火卫二的基本参数及起源假说进行了介绍，进而全面梳理了与火卫二相关的航天探测活动，重点对地形地貌探测活动进行了详细介绍，并对围绕火卫二地形地貌的研究成果进行了归纳分析，结果表明火卫二表面分布有撞击坑、风化层、明亮的反射物质及块状物，并存在物质移动。最后针对火卫二探测不全面的情况，给出了中国关于火卫二探测的建议。

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空间引力波探测微牛电推进寿命评估研究现状

刘辉, 王尚胜, 于达仁, 赵明煊, 郑思远, 陈野

2021 (5): 10-20. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0062

摘要 ( 322 )

PDF(5181KB) ( 302 )

阐述了空间引力波探测任务中无拖曳控制技术对推进系统的特殊要求，介绍了目前主要的备选推进类型：冷气推进、离子电推进、会切型霍尔电推进、胶体电推进。针对面向空间引力波探测任务的电推进系统的寿命评估工作进行了任务分析，报告了目前微牛级电推进系统寿命试验研究现状，举例说明了目前主要应用的电推进装置寿命预测方式，包括半经验模型预测、数值模拟预测、基于数据驱动的预测以及系统层面的可靠性评估方法。对目前微牛级电推进系统的寿命评估研究现状进行总结，给出了发展思路。

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屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

于向前, 施伟红, 宋思宇, 陈鸿飞, 宗秋刚, 邹鸿, 陈傲, 王永福

2021 (5): 21-27. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0063

摘要 ( 244 )

PDF(2991KB) ( 255 )

在木星轨道的空间辐射环境中，占主导地位的粒子是能量大于1MeV（甚至高于100MeV）的高能电子，这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中，通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子，使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC（radiation induced conductivity）方法，研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明，在木星探测任务中，为了减轻卫星内部介质充电效应，高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此，用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝，可以节省屏蔽质量。

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五棱镜面形误差对中心入射光线的转向角影响

温中凯, 徐明明, 张庆君, 李爽

2021 (5): 28-36. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0064

摘要 ( 175 )

PDF(2683KB) ( 206 )

针对五棱镜面形误差引起出射光线转向角误差，进而影响空间光电跟瞄系统多光轴标校精度的问题，提出了一种研究五棱镜面形误差对出射光线转向角影响的新方法。首先，在五棱镜不规则度较小的前提下，利用最佳拟合球面矢高适当简化了五棱镜的工作面模型，推导出了出射光线转向角计算公式，并将影响出射光线转向角误差的因素限定在了6个非独立随机变量的共同作用上。然后，结合五棱镜的典型应用场景，提出了一种降维分析方法，去除了6个变量间的相互关联，推导出了降维后的转向角误差计算公式。计算结果表明，该公式计算主截面方向和垂直于主截面方向上转向角误差的最大相对误差分别仅为2.14%和0.31%，完全符合精度分析要求。最后，通过试验对五棱镜进行了技术测试，结果表明：主截面方向和垂直于主截面方向上转向角误差的试验测试平均值与降维公式计算结果的偏差分别在±0.25″和±0.15″以内，这是完全可以接受的。因此，提出的简化模型以及降维分析方法均是可行的，为五棱镜面形误差的相关研究提供了一种新的研究思路与分析方法。

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模块化可展开天线支撑机构运动学建模与分析

范小东, 郑夕健, 田大可, 高旭, 刘兆晶, 张珂, 马小鸥

2021 (5): 37-49. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0065

摘要 ( 277 )

PDF(7373KB) ( 538 )

模块化可展开天线具有拓展性强、灵活性高、适应性好等特点，是满足未来可展开天线大口径发展趋势的一种较为理想的结构形式。为研究由六棱柱模块组成的可展开天线支撑机构多模块联动展开运动特性，提出一种多模块联动展开运动学建模方法。根据可展开天线的结构组成及展开原理，建立了可展开天线机构关键点的空间几何模型，基于机器人学中的D-H法和坐标变换等理论，分别建立了基本单元、单模块和多模块的运动学模型，最后采用MATLAB数值仿真软件，对运动学模型进行了验证及分析。结果表明：该运动学模型可以对多层模块的可展开天线机构进行运动学分析，各模块实现了协调联动、同步展开，同时该模型为机构的动力学特性分析、动力源配置及优化等研究提供了研究基础。

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超大口径环形天线包带展开过程动力学仿真

胡建峰, 杨军刚, 肖勇, 万小平, 冯涛, 王勇, 郑冰

2021 (5): 50-56. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0066

摘要 ( 218 )

PDF(3548KB) ( 339 )

中间柔性包带是环形可展开天线的重要组成部分。中间包带拔销器解锁后，复材包带与环形桁架同步展开。因复材包带柔性较强，它会绕根部固定端进行回弹，因此展开过程存在金属接头和桁架上复材薄壁管件碰撞风险。随着天线口径增大，该风险会持续增大。基于柔性多体动力学理论对超大型口径环形可展开天线包带展开过程进行动力学建模仿真，并在此基础上分析得出包带展开过程金属接头到环形桁架最小距离主要和复材包带阻尼率以及桁架预展速度相关。通过进一步研究发现：复材包带阻尼率越高，展开过程金属接头到环形桁架最小距离越大；桁架预展速度越快，展开过程金属接头到环形桁架最小距离越小。此外，对逆止回弹机构失效这一在轨极端条件下包带展开过程进行建模仿真，分析得出包带在该条件下展开过程金属接头到环形桁架最小距离变化规律。该研究可为超大口径环形天线结构优化设计及包带在轨展开预示提供依据。

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含非线性特性的卫星压紧释放机构动力学研究

刘汉武, 张华, 方贤亮

2021 (5): 57-64. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0067

摘要 ( 239 )

PDF(3739KB) ( 291 )

针对卫星新型压紧释放机构的局部非线性特性，建立局部非线性结构模型，通过模拟加载得到局部非线性结构的力-位移曲线，根据实际结构的工作情况定义结构等效刚度载荷和位移限制的选取原则，并求解结构等效刚度取值区间，最后针对天线动力学特性开展区间不确定性分析。分析结果与试验结果能够很好地吻合，天线基频误差在10%以内，满足工程应用需求，说明该分析方法的有效性。提出的局部非线性结构等效刚度区间分析方法可为卫星天线新型压紧释放机构非线性动力学分析提供解决途径，也可为其他局部非线性结构动力学分析提供参考。

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LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

陈新伟, 顾左, 高俊, 郭宁, 王尚民, 赵勇, 冯杰, 史楷, 蒲彦旭, 李贺

2021 (5): 65-74. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0068

摘要 ( 248 )

PDF(6187KB) ( 292 )

为了获得300W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性，采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明，推力器的推力、比冲、阳极效率在200～300V存在一个最大值；放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性，其一阶频率大约4.05kHz。在恒定电场和磁场下，推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构；阳极流率增大至0.95mg/s时，离子电流密度呈现典型的双峰结构，质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。

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主动航天服关节助力外骨骼结构设计及优化

李照阳, 戴跃洪, 胡杰俊, 王君尧

2021 (5): 75-84. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0069

摘要 ( 266 )

PDF(8258KB) ( 1138 )

为克服航天服关节阻尼力矩对宇航员未来太空作业、星表探测以及骨骼肌能恢复训练的影响，设计一种可应用于航天服的关节助力外骨骼方案。首先，结合航天服结构分析，研制了第一代关节助力外骨骼样机。其次，根据使用反馈对第一代外骨骼样机进行结构优化，初步确定第二代外骨骼样机的设计模型，利用有限元软件对负重状态下外骨骼样机进行静力学分析及模态分析。最后，进一步优化第二代外骨骼样机的结构尺寸，优化后的整体质量相较于优化前第二代及第一代样机分别下降了19.34%和40.03%，验证了外骨骼样机结构优化方案的可行性。研究结果为主动航天服结构动力学分析和控制系统开发提供理论依据。

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高通量多波束通信卫星系统资源分配方法

王磊, 郑军, 贺川, 闫雪飞

2021 (5): 85-94. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0070

摘要 ( 487 )

PDF(3765KB) ( 980 )

资源分配是影响新一代高通量多波束通信卫星（HTMCS）系统效能发挥的关键问题。以往基于非柔性载荷以及用户容量需求均匀分布的静态、单维度资源分配方法已不能满足现实需求。围绕基于有效载荷资源提升系统效能这一核心目标，针对波束间干扰、柔性载荷以及用户需求非均匀分布特点，为高通量多波束通信卫星系统构建了功率和频带两维度联合优化资源分配模型，并实现了一种带有寻优控制策略的遗传算法求解模型。面向多类场景实例的仿真结果表明，本方法可以适应不同用户容量需求分布特点，为系统提供功率和频带资源联合优化解决方案。当用户需求总量分别为90Gbit/s、110Gbit/s及130Gbit/s时，相比平均、固定分配波束功率及频带资源，提出的方法可使系统未满足容量需求（UCD）分别减少71.09%、40.47%和16.31%，有效提升了系统效能。

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基于自适应LMS算法的空间光束快速精扫描跟踪控制方法

熊子珺, 刘磊, 杨鸿杰

2021 (5): 95-102. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0071

摘要 ( 210 )

PDF(6961KB) ( 197 )

PDF（mobile）(6961KB) ( 35 )

针对空间精密光学领域与国防应用对高精度快速光束控制的需求，给出自适应最小均方（LMS）算法对压电快摆镜进行光束扫描跟踪控制。首先描述了自适应LMS控制算法及快摆镜模型辨识方法，随后仿真分析了不同频率及迭代步长对自适应LMS算法跟踪控制的影响，最后采用自适应LMS算法进行了压电快摆镜辨识及扫描跟踪控制实验。实验结果表明，自适应LMS算法对2Hz、10Hz及其复合谐波信号扫描的跟踪误差分别为2.5%(3σ)、1.9%(3σ)和2.4%(3σ)，控制效果均优于PI控制算法。这种自适应LMS算法能有效跟踪多频扫描信号，为高精度空间光束快速扫描跟踪提供了一种可靠的技术手段。

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发射系下的SINS/CNS/GNSS组合导航UKF滤波算法

乔玉新, 林雪原, 张吉松, 陈祥光

2021 (5): 103-109. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0072

摘要 ( 250 )

PDF(3255KB) ( 238 )

弹载系统的组合导航系统模型常建立在发射惯性坐标系下，且捷联惯性/天文导航/卫星导航（SINS/CNS/GNSS）是一种目前研究较多的组合模式。该组合导航系统的状态方程具有强非线性的特点，常用的滤波方法为扩展卡尔曼滤波（EKF）。为了提高组合导航系统的精度及可靠性，对该组合导航系统的无迹卡尔曼滤波（UKF）模型进行了设计，直接将姿态、位置与速度参数作为状态的一部分，利用CNS及GNSS提供的姿态与位置构成量测方程，并详细给出了姿态样本点的生成、均值及方差的生成过程。仿真结果表明，相对于EKF算法，采用UKF算法后各导航参数的精度可提高约20%~30%，并且系统的实时性也可以得到保证。

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磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究

高天翔, 王骥, 赵玉龙, 董鹏玲, 黄良育, 刘志栋

2021 (5): 110-115. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0073

摘要 ( 183 )

PDF(3665KB) ( 151 )

磁选态铯原子钟的输出频率与铯束管输出的弱电流信号有关，影响其频率稳定度。为了提高其频率稳定度技术指标，在对磁选态铯原子钟主伺服电路弱信号压频转换（V-F）和模/数 (A/D)直接采样对比的基础上，设计了基于DSP28335芯片的A/D直接采样电路，利用CAN总线通信技术与主控CPU板进行通信，实现整钟闭环锁定的方案。通过试验与被测磁选态铯原子钟现有压频转换法进行对比，结果表明，所设计的A/D直接采样法较压频转换法减小了磁选态铯原子钟相对频率偏差范围，改善了短期频率稳定度，具有实用价值。

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基于双滤波器的高精度目标跟踪估计方法

秦健凯, 李鹏

2021 (5): 116-124. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0074

摘要 ( 220 )

PDF(4127KB) ( 376 )

针对连续推力的合作航天器，采用双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法估计其状态和加速度。通过状态滤波器和参数滤波器的配合，提升滤波精度，完成运动状态和参数的估计，从而实现合作目标的运动轨迹跟踪。与合作航天器相比，非合作航天器存在大小未知、发生时刻未知的机动，无法获得加速度，且信息获取和运动状态的估计难度大。针对非合作航天器，基于简化的相对运动方程，结合天基平台获得目标的观测信息，采用两个扩展卡尔曼滤波(EKF)及基于半正焦弦的机动检测策略实现多未知脉冲机动的运动状态的估计。仿真结果表明：相比于无迹卡尔曼滤波（UKF），DUKF在对合作航天器的状态和加速度估计方面具有更快的收敛速度和更高的滤波精度；对于存在未知机动的非合作航天器，通过对比验证机动检测策略与滤波器切换策略相结合的方法的有效性，该方法能够检测到多次机动并且减少误判。

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基于嵌入式FPGA加速ORB算法的遥感影像配准方法

赵智祎, 孙婷, 李峰, 辛蕾, 鲁啸天, 梁亮

2021 (5): 125-135. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0075

摘要 ( 324 )

PDF(9548KB) ( 343 )

卫星上计算资源有限，星载嵌入式处理器处理遥感影像的配准时通常需要很长的时间。可编程逻辑门阵列（FPGA）利用其内部可编程器件可用于加速图像处理。提出了一种基于Xilinx公司的ZYNQ芯片加速ORB算法的遥感影像配准方法，可用于3000×3000像素尺寸的卫星图像配准，缩短了计算耗时，提升了ORB算法的计算能效比。利用FPGA能够实现真正的并行计算电路，实现ORB算法多支路单层流水线的并行计算结构。采用软硬件结合的方法实现架构，能够处理不同分辨率的图像，可灵活配置特征点的数量。基于设计的加速ORB配准方法，获得了较高准确率。与软件实现相比,OVS-1A遥感影像偏移精度损失低于0.05个像元;GF.4遥感影像偏移精度损失小于0.9个像元。将ORB配准算法流程应用在ZYNQ7020上，耗时减少了57.50%。

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