中国空间科学技术

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嵌入式软件智能合成框架及关键科学问题

杨孟飞, 顾斌, 段振华, 金芝, 詹乃军, 董云卫, 田聪, 李戈, 董晓刚, 李晓锋

2022 (4): 1-7. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0046

摘要 ( 98 )

PDF(2052KB) ( 269 )

程序合成是提高软件开发效率和质量的有效途径,也是计算机科学重要的前沿方向之一。首先,概述了程序合成方法的国内外研究现状及其存在的问题。在此基础上,提出了软件知识产权 (intel lectual property ,IP )的概念和一种基于软件IP的嵌入式软件智能合成开发模式(IP-based embeddedsoftwareintel ligentsynthesis,IPESIS)及其框架。最后 ,阐述了IPESIS需要解决的关键科学问题和主要研究内容。IPESIS通过定义领域需求描述语言,在更高的抽象层次上对目标软件进行刻画,以软件IP为粒度缩小程序搜索空间,采用机器学习等人工智能技术自动合成程序,有望突破现有方法的局限,进而实现嵌入式软件开发从手工编程模式到软件IP研发和基于软件IP的智能合成模式的转变。

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FY-3D 中分辨率成像仪图像地理定位误差来源分析

黄旭星, 杨勇, 佘宇琛, 景振华, 胡秀清, 高旭东, 李爽

2022 (4): 8-18. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0047

摘要 ( 171 )

PDF(4410KB) ( 102 )

以风云三号D星（FY-3D）中分辨率成像仪（MERSI）的图像地理定位为背景，针对现阶段FY-3D图像与海岸线匹配时误差表现为周期性振荡的现象，从卫星轨道和姿态控制的角度出发，分析了当前卫星运行策略对图像地理定位精度的影响。首先，建立了当前FY-3D卫星动力学模型和成像模型；然后，以FY-3D/MERSI真实遥感图像为基础，分析姿轨控分系统对遥感图像周期性定位造成的误差；最后，通过对比数值仿真结果与真实图像数据，对来自姿轨控分系统的图像定位误差来源进行了验证。研究表明，姿轨控分系统的轨道、姿态预报误差以及载荷安装误差都会导致成像基准产生偏差，进而使图像的地理定位误差呈现周期性振荡现象。

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高中低轨导航星座混合体制星间链路规划

田露, 马冬青, 孙剑伟, 李骏平

2022 (4): 19-26. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0048

摘要 ( 217 )

PDF(1204KB) ( 160 )

针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点，为了满足下一代导航星座主要的星间链路业务需求，提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案。优先为激光星间链路的MEO、LEO、MEO-LEO建立拓扑，基于此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法。针对导航星座高中低速混合星间网络不同体制的路由提出了2种不同的改进路由算法，并对混合体制星间链路进行了仿真和规划。对规划结果进行了统计分析，验证了混合网络规划方法的正确性和混合网络在低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的数据传输效能。低轨监测数据回传和连续体制节点导航信息上注时延均在1s之内，在94%的时间里有5~8条层间星间链路，时分体制节点在92%的时间里可以在12s内完成上行注入，为下一代导航系统规划设计提供参考建议。

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航天器设备动力学分析模型简化方法与应用

李修峰, 白光明, 高令飞, 韩绍欢, 周江

2022 (4): 27-35. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0049

摘要 ( 132 )

PDF(5185KB) ( 146 )

针对航天器设备因构成复杂引起的动力学分析模型建模困难问题，提出一种基于拓扑优化技术的有限元模型简化方法，以设备实测质量特性为约束条件，通过拓扑优化方法确定设备有限元模型可行设计空间中的材料分布，实现对结构刚度性能的模拟，获得满足动力学特性分析需要的简化的设备有限元模型。应用该方法创建了某星敏感器简化有限元模型，得到的星敏感器简化模型与产品实际质量、质心位置和转动惯量特性基本一致，并且前两阶频率分析值与试验值之间最大偏差约为30%。将该简化模型应用于其支撑结构的动态响应性能评估，两者组合体固有频率及加速度响应趋势的分析数据在450Hz以下的频率范围内与试验数据吻合较好，固有频率最大偏差约为39%。星敏感器简化模型的应用验证了基于拓扑优化技术的有限元模型简化建模方法的可行性，为航天器上复杂设备动力学分析有限元模型的简化建模提供了一种新的解决途径。

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基于单目视觉的非合作目标相对位姿测量

邢艳军, 王浩, 叶东, 张加迅

2022 (4): 36-44. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0050

摘要 ( 201 )

PDF(5167KB) ( 331 )

为实现对空间姿态翻滚航天器的在轨服务与维护以及对空间碎片的清理，需对其进行精确的相对位姿测量。针对相对位姿测量问题，提出了基于单目视觉与卡尔曼滤波的相对位姿测量方法。通过对特征点匹配算法进行调查，采用了具有尺度不变性与旋转不变性的尺度不变特征变换算法(SIFT)和加速稳健特征算法(SURF)的特征点提取方法，并对二者进行了对比，得到了二者分别适用的工况条件。通过对Kalman滤波算法进行研究，引入了相机偏置矩阵，设计了Kalman滤波器，解决了单目相机的距离模糊问题，估计得到了非合作目标的相对位姿、主惯量比以及特征点位置信息。经过仿真，姿态角度估计误差在稳定后低于0.3°，相对位置估计误差在稳定后低于0.5m，相较于真值，误差小于1.67%，主惯量比估计误差在稳定后低于0.01，特征点位置误差在稳定后低于0.005m。在引入相机偏置条件后，滤波状态变量均收敛，并得到具有足够精度的估计，成功解决了单目相机深度信息缺失问题。

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快收敛高可靠PPP-RTK大气改正模型生成方法

田野, 张立新, 边朗

2022 (4): 45-53. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0051

摘要 ( 177 )

PDF(6654KB) ( 306 )

生成快收敛、高可靠的大气改正模型是PPP-RTK（precise point positioning-real-time kinematic）应用的关键和瓶颈问题。对顾及快收敛和可靠性的PPP-RTK大气改正模型生成方法进行了研究，通过迭代约束和时域约束保证其快收敛与可靠性，利用武汉CORS（continuously operating reference stations，连续运行参考站）进行试验，45s能够实现水平10cm（95%）的定位精度。在此基础上利用香港CORS进一步验证与分析得出：增加格网密度能够提升定位精度但会增加信息量，需要综合考虑定位效果和播发的信息量，面向普通用户的格网大小经纬度建议设置为0.5°~0.8°；生成大气改正模型的参考站空间分布必须合理且均匀，同时提出可以在合理范围内加入虚拟参考站约束大气改正模型的生成从而保证其收敛性与可靠性。

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遥感卫星多路数据传输系统同频共用方法

高卫斌, 张瀚青, 石云墀

2022 (4): 54-60. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0052

摘要 ( 134 )

PDF(2133KB) ( 78 )

为节省频率资源，遥感卫星通常采用扩频体制实现多路数据的同频共用传输，针对通道间容易引起相互干扰的问题进行了研究，通过改进码分多址干扰估算模型，对采用平衡Gold码序列扩频系统抗干扰容限上界进行预测。在满足国际电信联盟（ITU）对卫星辐射功率通量密度约束条件下，提出了一种基于直接序列扩频体制的两路业务数据同频共用传输方法。仿真结果表明：当载波频率2GHz左右，两路辐射源的EIRP之差不大于8～15dBw时可以实现同频共用传输；如对信号扩频带宽进行差异化处理，则其相互兼容性还可进一步提高。

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一种连续波雷达高精度波束中心速度求取方法

牛文博, 张爱军, 潘琳, 李拴劳, 王振西

2022 (4): 61-68. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0053

摘要 ( 148 )

PDF(4472KB) ( 78 )

解决着陆导航连续波测速雷达中面目标非均匀散射特性和加速度分量对测速精度的影响，提出了一种高精度波束中心速度求取方法。采用Kalman滤波完成速度跟踪和加速度估计，进行加速度补偿后，利用ZFFT变换完成对目标多普勒频移范围的细化分析，最后采用包络截取法完成高精度波束中心速度估计。通过仿真分析证明，包络截取法相比其他方法具有精度高、适应性强的特点，速度测量误差小于0.15m/s（3δ）；通过硬件系统处理时间分析，该算法流程易于实时处理，已成功应用于某着陆导航雷达系统中。

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基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测

束嘉俊, 周登, 严刚, 李干, 王永伟

2022 (4): 69-78. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0054

摘要 ( 133 )

PDF(8519KB) ( 75 )

针对航天器遭受空间碎片和微流星体撞击的问题，对蜂窝夹层结构的超高速撞击损伤监测进行研究。提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面使之具有自感应能力，结合电学成像技术对超高速撞击造成的损伤进行监测和识别。采用二级轻气炮对自感应蜂窝夹层结构进行了超高速撞击，在撞击前后分别向感应层注入微小的激励电流，根据边界电压变化重建损伤引起的电导率变化图像，从而提供有关撞击和损伤的信息。试验结果表明，基于碳纳米管薄膜的感应层性能良好，重建的电导率变化图像能够较好地反映损伤个数、位置和近似尺寸，验证了所提出技术方法的有效性，为航天器结构超高速撞击监测提供了一种新的技术手段。

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柔性张拉薄膜可展开空间天线研究现状与发展趋势

周晓涛, 马小飞, 李欢笑

2022 (4): 77-91. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0055

摘要 ( 310 )

PDF(14136KB) ( 288 )

柔性张拉薄膜可展开天线是将柔性电子、柔性薄膜材料、柔性结构和柔性展开技术融合创新的一种具有广泛应用前景的大型可展开空间天线，具有轻质、高展收比、高增益和波束灵活的特点，可有效满足遥感、通信、深空探测卫星的特殊需求。阐述了柔性张拉薄膜可展开天线的特点与研究现状；对空间薄膜天线研制的基础理论及综合测试方法进行了总结；结合具体工程问题，论述了大型可展开空间薄膜天线研制所需要解决的关键技术难题，并进一步分析了薄膜天线的技术发展趋势。

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空间可展开结构区间模型修正方法

文江波, 李团结, 王作为, 唐雅琼

2022 (4): 92-101. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0056

摘要 ( 139 )

PDF(7940KB) ( 196 )

传统的模型修正未考虑工程中存在的几何尺寸、材料参数、间隙等不确定性，修正后有限元模型预测精度较低。为提高有限元模型的预测精度，准确预测结构的静动力学特性，对考虑参数不确定性的模型修正进行了研究，提出了一种基于Kriging模型和泛灰数的区间模型修正方法。首先，通过灵敏度分析确定待修正参数，并以修正参数为变量，构造基于Kriging模型的区间响应目标函数；其次，引入泛灰数将区间优化问题转换为区间上限和区间直径两个全局优化问题；然后，利用Kriging模型结合遗传算法给出修正后的参数区间形式；最后，通过该方法对含铰链间隙的某空间可展开结构进行了模型修正。结果表明，修正后参数区间与真实区间重合度较高，修正后结构响应预测区间与实际区间吻合，验证了方法的有效性，为大型空间可展开结构的模型修正提供了一个有效可行的途径。

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展开式薄膜遮光罩设计及重复展开精度研究

徐彦, 张超, 李鸿巍, 杨虎啸

2022 (4): 102-110. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0057

摘要 ( 141 )

PDF(8448KB) ( 87 )

针对星敏感器的杂光抑制需求，设计了一种可以实现轴向展开的圆柱状展开式薄膜遮光罩，包括充气支撑管、薄膜蒙皮和挡光环，并完成了各构件的结构和材料设计。建立了薄膜蒙皮的运动学模型，分析了构型随着二面角的变化情况，验证了薄膜蒙皮采用hexagonal折纸样式可以完全折叠和展开。通过试验研究了遮光罩的重复展开精度，包括轴向和径向展开精度等。研制了遮光罩原理样机，并开展了地面展开试验，表明在充气支撑管的驱动下能够顺利展开，为大尺寸遮光罩的工程应用提供了新的技术方案。

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考虑在轨热效应的网状天线索网优化设计

韩若宇, 何柏岩, 聂锐, 范叶森, 马小飞

2022 (4): 111-119. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0058

摘要 ( 151 )

PDF(4947KB) ( 172 )

网状天线服役于高低温、强辐射的复杂太空环境，其热变形是影响天线在轨性能的重要因素。目前的设计方法均为常温下的索段预应力配置，难以计及服役环境对天线在轨性能的影响。通过在索网模型中引入温度载荷，建立了以常温下索段参数为变量，以服役环境下的索网形面精度和张力分布为目标及约束条件的索网优化模型，从而在设计之初充分考虑服役热环境下的天线性能，改善天线在轨精度和张力分布。分析了天线运行轨道热环境，计算了天线在不同轨道位置的温度场；基于非线性有限元理论，建立了网状天线热结构模型，形成了考虑温度效应的索网找形及优化设计方法；开展了面向天线服役性能的索网优化设计。优化结果表明，该方法有效提高了天线在轨运行时的性能，可为考虑服役环境的网状天线优化设计提供方法和思路。

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基于群论的空间可展开结构自由度分析

范琳梓, 叶王杰, 陈耀, 陆晨浩

2022 (4): 120-128. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0059

摘要 ( 135 )

PDF(3650KB) ( 103 )

为了开发构型新颖、生命力强、便于运输和储藏的空间可展开结构，使其满足所处环境的时间、空间等苛刻条件，适应特殊任务的实际需求，亟需开展空间可展开结构的自由度及折展性能分析。由于现有可展结构多具有一定的对称性，基于群论方法，从对称学角度解析结构可动的本质，提出判别对称体系可动性的充分条件。根据几何约束性质，运用矩阵理论和变分原理，推导了可展结构中典型构成单元的位移协调矩阵。利用对称子空间，推导了机构位移模态、自应力模态的对称表示，并以闭合环形可展开结构为研究对象，开展了结构自由度分析。研究工作有助于新型空间可展开结构的研发与设计，为可展结构及其衍生结构的进一步研究与应用提供了理论基础。

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航天器大尺度部件折叠展开原理分析及应用

张元勋, 徐莉萍, 陈国辉, 谢更新, 杨小俊

2022 (4): 129-145. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0060

摘要 ( 234 )

PDF(10794KB) ( 244 )

围绕航天器向大尺度、远距离发展所涉及的大尺度部件在轨展开技术中新工艺、新材料、新结构等，对现有航天器大尺度部件的折展机构进行了统计与分析，系统梳理了在轨航天器折展机构的技术参数、结构与组成等。介绍了折纸艺术、自回弹材料与记忆合金等新工艺、新材料在航天器太阳帆板、天线等大尺度部件上的应用。重点分析并梳理了新型结构的特性及其工作原理，包括：充气展开式、单轴旋转式、径向扩展式、单元重构式、延长伸展式等。最后，结合即将开展的载人登月与月球基地建设、太阳系探测等深空探测任务，对在轨航天器大尺度部件的折展结构与机构的发展趋势进行了展望。

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厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

畅博彦, 徐鑫, 梁栋, 张浩楠

2022 (4): 146-157. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0061

摘要 ( 260 )

PDF(11832KB) ( 288 )

空间折展机构与一般运动机构不同，其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元，在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下，以折展单元可无限次叠加组网为设计目标，分析构件几何参数应满足的约束条件，阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程，提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型，验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律，提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法，为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。

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