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当期目录

    2022年, 第42卷, 第3期 刊出日期:2022-06-25 上一期    下一期
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    综述
    航天测绘发展现状与展望
    杨元喜, 王建荣, 楼良盛, 孙中苗, 肖云, 缪毓喆
    2022 (3):  1-9.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0031
    摘要 ( 905 )   PDF(918KB) ( 910 )  
    航天测绘是全球基础测绘的主要手段,包括卫星地形测量、卫星重力测量、卫星磁力测量、卫星测高、卫星海洋测量等。航天测绘工程的发展经历了“返回型测绘卫星”工程、“传输型测绘卫星”工程和部分“集成型测绘卫星”工程。首先梳理了国际卫星测量的发展历史和现状,阐述了我国航天测绘各个阶段所发挥的作用,并分析了存在的问题,最后对航天测绘的未来发展提出了思路。
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    空间机器人操作:一种多任务学习视角
    李林峰, 解永春
    2022 (3):  10-24.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0032
    摘要 ( 773 )   PDF(3443KB) ( 545 )  
    利用空间机器人辅助、代替航天员完成在轨服务操作是近年的技术发展趋势。基于学习的空间机器人操作以深度神经网络为控制器载体,对非结构化太空环境适应能力强,在高轨、地外、深空等场景具有良好应用前景。目前,无论是空间机器人操作,还是地面机器人操作,多数研究只关注单一任务学习问题。立足一种多任务学习新视角,针对空间机器人操作面临的多任务适应性要求高、精细化要求高、不确定性强问题,首先分析了在轨服务的多样化任务需求。其次,全面综述了机器人操作多任务学习算法与应用相关工作,分析了开展空间机器人操作多任务学习的难点挑战,给出了关键技术发展建议。相关关键技术的突破将有助于提升空间机器人系统的自主性、鲁棒性,进而助力中国在轨服务技术向无人全自主方向推进。
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    空间电推进的推力测量方法研究现状
    张潞鹏, 杨鑫, 苌磊, 徐倩, 周海山, 罗广南
    2022 (3):  25-38.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0033
    摘要 ( 536 )   PDF(8286KB) ( 843 )  
    在空间电推进的研发和规划中,推力的精确测量具有非常重要的意义。近年来,随着电推进复杂程度和任务难度的不断增加,对其推力性能评价技术及方法提出了更高的要求。针对该需求,介绍了当前空间电推进的推力测量方法及其工作原理、技术特点和应用案例。测力方式主要有直接测量和间接测量,其中直接测量主要包括天平式、扭转式、摆式,间接测量主要包括靶式和悬臂梁式。通过对比分析各种测力方式之间的区别和优缺点,为开发者的测力系统设计提供了相应的参考。对测力过程中的系统设计、系统标定、系统响应、系统响应的测量以及计算推力五个环节中可能出现的各种关键问题分别进行了详细阐述,并提出针对性的改进方法,同时结合空间电推进领域的发展趋势及其对推力测量的需求,为未来的研究给出了针对性的建议。
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    论文
    多约束多星快响巡察任务规划方法
    彭晨远, 张进, 严冰, 周洪喜, 罗亚中
    2022 (3):  39-48.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0034
    摘要 ( 319 )   PDF(4964KB) ( 310 )  
    多星快响巡察任务是指多个目标卫星出现不明状况,巡察服务平台在短时间内进行轨道转移,携带多个子航天器对目标进行飞越巡察。对于该问题的任务规划,首先基于共面机动给出了平台调相策略并建立了满足光照和机动能力等约束的巡察窗口筛选计算模型;其次提出了一种贪婪搜索和多轮规划的方法,用于确定任务分配方案和巡察次序;最后在高精度轨道模型下验证了方法的有效性并将该方法与混合编码遗传算法进行了对比。在算例中,该方法的优化效果稍优于混合编码遗传算法,而且求解效率是后者的约227倍,表明贪婪搜索和多轮规划方法更适用该问题的高效求解。
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    多空间机器人协同工作空间的数值求解方法
    龚轲杰, 王勇, 段玉瑞, 梅亚飞, 廖瑛
    2022 (3):  49-57.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0035
    摘要 ( 231 )   PDF(4340KB) ( 285 )  
    针对未来在轨服务过程中,可能遇到单个空间机器人难以独立胜任的应用场景,需要多个空间机器人协同操作,但目前针对多空间机器人协同工作空间的研究很少。考虑到解析法计算工作空间难度很大,提出了一种基于蒙特卡洛法的一般协同工作空间数值求解方法。再进一步针对空间机器人协同的特殊性,提出了广义协同工作空间的概念,并给出了数值求解方法。仿真结果表明,基座姿态约束会引起协同工作空间的缩小,同时广义协同工作空间的范围明显大于一般协同工作空间。所得结论可以为空间机器人任务设计与规划提供参考。
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    深空合作目标高概率捕获复合扫描策略研究
    扈航, 刘磊, 李聪, 曹桂兴
    2022 (3):  58-66.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0036
    摘要 ( 235 )   PDF(4030KB) ( 137 )  
    针对深空目标长距离星间激光通信时间滞后大、光轴抖动明显、不确定区域大的问题,设计了一种基于两级执行机构的抗抖动高概率捕获复合扫描策略。将目标位置不确定区域划分为等大正方形子区域,在子区域内采用光栅扫描,通过快摆镜实现;在子区域间按照光栅螺旋扫描顺序覆盖,通过伺服转台实现子区域间的跳转。然后在考虑光轴抖动的情况下基于遗传算法对子区域大小、扫描光斑重叠大小进行了优化,得到了参数优化后的扫描方案,并通过仿真进行了验证。1000次蒙特卡洛打靶结果表明,在目标位置不确定区域3.6mrad、激光束散角0.1mrad、光轴抖动标准差5μrad的情况下,优化后的扫描方案对目标的捕获概率为99.2%,对不确定区域的扫描时间为41.34s,扫描到目标的平均扫描时间为9.62s。
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    基于星光角距/激光测距的卫星组合导航方法
    李代伟, 淡鹏, 贺波勇, 陈玉昌, 张银发, 石峰
    2022 (3):  67-73.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0037
    摘要 ( 261 )   PDF(3629KB) ( 245 )  
    为了进一步提高卫星天文自主导航精度,提出了一种利用激光测距辅助的天文组合导航方法。激光测距能够直接获取卫星到地面参考信标的高精度距离信息,在以星光角距为观测量的天文导航系统中引入激光测距辅助数据,可以拓展滤波器观测量的维度,从而改善滤波效果。由于组合导航系统为非线性系统,为避免泰勒展开线性化引起的二阶截断误差,采用UKF滤波方法进行组合导航系统信息融合。仿真结果表明,所提出的组合导航方法能够明显提升导航精度,改善滤波性能。
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    基于三维点云重建的助推器位姿估计
    肖爱群, 姜鸿翔
    2022 (3):  74-81.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0038
    摘要 ( 197 )   PDF(4437KB) ( 96 )  
    助推器分离是运载火箭发射过程中的关键动作之一,常用的激光雷达姿态测量技术在助推器分离阶段受外界干扰严重,难以准确获得位姿。基于视觉的助推器位姿变化测量技术具有优秀的抗干扰能力,通过搭建三维点云重建网络,以图像为输入,三维点云为输出,在构建的助推器分离过程的图像点云数据上进行了训练和测试,对测试重建的助推器点云使用主成分分析的方法完成了位姿的估算。测试结果表明,所建立的三维点云重建网络可以根据仿真图像数据,精确测量助推器分离阶段的位姿变化,在R2score指标下,对三维坐标的预测分数均在0.98以上,姿态角平均误差约为21°,预测分数则均在0.80以上。
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    形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线
    李昊, 邓泽华, 李奇
    2022 (3):  82-92.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0039
    摘要 ( 224 )   PDF(14009KB) ( 196 )  
    大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50m口径单层索网天线的形面误差可降低至5mm以下。
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    基于DTW的HJ-1B卫星地表温度产品质量检验
    张琪, 李大成, 历华, 段四波, 张霄羽, 韩启金, 高海霞
    2022 (3):  93-104.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0040
    摘要 ( 206 )   PDF(7784KB) ( 65 )  
    HJ-1B卫星热红外数据应用广泛,但其地表温度反演产品的质量检验工作尚不完善。以黑河流域为研究区,利用普适性单通道算法得到HJ1B地表温度,基于7个地面站点(下垫面为荒漠、沙漠、植被、农作物、雪地和湿地)同步观测资料和MODIS地表温度产品(MOD11A1),引入动态时间规整方法(DTW)对站点处HJ1B地表温度进行验证。试验结果表明:HJ1B地表温度反演产品与地面观测值的偏差值在沙漠和荒漠站点为1K以内,均方根误差在05K左右;对于植被和农作物站点的偏差在2K以内,均方根误差为1~2K;基于DTW的验证对时序不匹配的数据评价结果与现有指标表现一致。HJ-1B地表温度反演产品与地面站点的相对偏差均低于其与MODIS地表温度反演产品的相对偏差。
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    改进U-Net网络及在遥感影像道路提取中的应用
    孔嘉嫄, 张和生
    2022 (3):  105-113.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0041
    摘要 ( 293 )   PDF(10925KB) ( 298 )  
    高分辨率遥感图像分割在军事、民用等领域具有良好的应用前景,但由于复杂的背景条件以及干扰物的遮挡,导致现有算法无法较好地从遥感影像中提取道路细节信息。研究基于改进UNet网络模型,提出了MDAU-Net(multi dimension attention U-Net)网络结构模型,通过对U-Net网络结构加深至七层结构来提升精细分割道路的能力;并提出了一种多维注意力模块MD-MECA(multi dimension modified efficient channel attention),将其添加至编码部分的特征传递步骤中,以达到对编码部分的特征传递进行优化的目的;其中利用DropBlock与Batch Normalization解决网络训练过程中出现的过拟合。试验结果表明:改进后算法可以有效提升道路的提取效果,在测试集上的准确率达到了97.04%。
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    钱学森空间技术实验室十周年专栏
    星载SAR电离层探测及误差补偿
    王成, 赵海生, 刘波, 陈亮, 肖鹏, 刘露, 刘敏, 眭晓虹, 郭午龙
    2022 (3):  114-123.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0042
    摘要 ( 221 )   PDF(5510KB) ( 315 )  
    工作于低频波段的星载合成孔径雷达(SAR)信号会受到电离层的显著影响,因此在系统设计时必须考虑相应的补偿方法。基于此,首先开展了适用于低频大宽带SAR模式的电离层影响评估研究,建立了基于勒让德展开的五阶误差分析模型,可有效解决传统模型各阶次耦合问题。其次,针对背景电离层色散问题,开展了基于双频自聚焦算法的补偿研究,利用ALOS PALSAR数据进行了半物理仿真验证,电离层反演精度优于04TECU,可有效提升图像聚焦质量;针对法拉第旋转角误差,利用ALOS PALSAR回波散射矩阵信息开展了补偿研究,结果显示,相比官网提供的补偿参数,误差可进一步降低27%。上述基于回波数据本身的补偿研究,可避免第三方数据精度差、分辨率低、需地面接收机、传播路径不一致等问题,同时降低了载荷成本。最后,结合SAR高分辨率特性,基于回波的电离层反演可有效提高现有电离层探测能力,开展了PALSAR垂测仪联合反演电子密度研究,其结果比仅垂测仪数据精度普遍提高了30%以上。研究成果可为未来低频星载SAR的系统设计提供技术支撑。
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    一种多步的基于切换星间测量的多星自主导航算法
    周博超, 李勇
    2022 (3):  124-131.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0043
    摘要 ( 188 )   PDF(2918KB) ( 116 )  
    针对基于星间测量的多星自主导航问题,从载荷优化和节约成本考虑,提出了一种单套敏感器切换测量的导航方案。建立了该导航方案下的系统状态空间模型,并基于扩展卡尔曼滤波方程给出了导航估计算法。基于多步卡尔曼滤波方法,将集中的滤波算法解耦为多个平行的子滤波器,使计算量降低到原算法的50%以下,并且在切换测量的导航方案下,部分解耦出的子滤波器可以只预测不更新,能够进一步地降低计算负担。给出了多步滤波算法的推导过程,证明了其与标准卡尔曼滤波的数学等价性,故算法的估计性能及计算结果与标准卡尔曼滤波一致,但计算速度有明显提升。最后,通过具体算例给出了算法的仿真验证。
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    基于高分四号数据的多时相多通道云检测算法
    王纪辉, 李峰, 鹿明, 马骏, 郭毅
    2022 (3):  132-140.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0044
    摘要 ( 212 )   PDF(5546KB) ( 135 )  
    针对高分四号(GF-4)卫星影像波段较少导致传统云检测算法难以区分云与冰雪像元的问题,提出一种多时相多通道云检测算法。该算法首先对GF-4卫星影像进行辐射定标和配准,然后利用云与典型地表的光谱差异得到潜在云像元,之后利用序列GF-4卫星影像之间的差异识别出移动的云像元,最后利用中红外波段反演地表亮度温度来去除冰雪像元。该算法在海南、辽宁和安徽3个研究区域进行验证,并将检测结果与传统单时相云检测算法、支持向量机(SVM)云检测算法和实时差分(RTD)云检测算法的检测结果进行对比。结果表明,该算法优于其他3种云检测算法,准确识别率均达到90%以上,误检率均低于5%,有利于GF-4卫星影像的进一步利用。
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    基于ViBE与面向对象分类的视频卫星运动车辆检测
    鹿明, 李峰, 张南, 杨雪, 鲁啸天, 辛蕾, 刘洋
    2022 (3):  141-149.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0045
    摘要 ( 214 )   PDF(8443KB) ( 48 )  
    为了提高视频卫星对运动车辆的检测质量,在经典视觉背景提取器(ViBE)算法的基础上,结合遥感的面向对象分类技术,从提升正确检测运动目标数量和抑制虚假运动目标检测数量两个方面着手,提出了一种新的运动车辆检测方法(VOMVD)。首先通过优化ViBE模型参数,尽可能多地获取真实运动目标,但这在一定程度引入了许多的虚假目标。研究继而依据影像上地面小尺度运动目标和道路的依存关系,采用面向对象的分类方法,基于光谱、纹理、空间属性,构建了均值、标准差、卷积核内平均灰度值、卷积核内平均信息熵、面积、长度、紧密度、延伸度等8个特征,用于提取道路信息,以此掩膜ViBE提取的虚假运动目标和伪运动目标。结果表明,基于本研究提出的视频卫星运动目标检测方法较之三帧差分法、ViBE检测方法等,其精度有明显提升。在本研究中,三帧差分法、ViBE和VOMVD对运动目标的检测精度P分别为70.91%,61.49%和85.71%,召回率R分别为84.78%,98.91%和97.83%,F值分别为77.23%,75.83%和91.37%,有效提升了方法对运动目标的检测效果。
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