中国空间科学技术

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地外二氧化碳转化利用技术研究现状与展望

刘释元, 张策, 尹钊, 杨金禄, 姚伟, 杨孟飞

2022 (6): 1-11. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0078

摘要 ( 273 )

PDF(8245KB) ( 249 )

为有效解决未来长期载人地外生存面临的物资供给等关键问题，获得更高的氧回收率、能量转化效率和更低的应用成本，亟须发展更高效的地外二氧化碳转化利用技术。文章总结了地外二氧化碳利用的发展现状并分析了近期的研究进展，发现不同技术之间差异大，在航天应用过程中，需充分考虑地外环境限制因素，以选用更合适的技术。空间站上已搭载的Sabatier装置和火星车上的MOXIE装置初步实现了地外二氧化碳还原。以“地外人工光合成”为代表的常温二氧化碳转化技术可为地外环控生保提供新路线。其不仅能够实现地外氧气供给，还可获得甲酸、乙烯和甲烷等有机分子作为燃料或生物转化原料。随着相关基础研究的不断发展，有望实现二氧化碳的高效转化和高附加值有机物、甚至碳糖食物的生产。地外二氧化碳转化利用技术的发展，将实现地外密闭环境下的废弃资源利用与物质循环，降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求，也将为原位资源利用火星大气中的二氧化碳提供创新思路，以支撑未来可承受、可持续的地外生存任务。

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光学遥感卫星在轨星上绝对辐射定标的研究进展

满益云, 陈世平

2022 (6): 12-22. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0079

摘要 ( 220 )

PDF(8159KB) ( 178 )

高精度绝对辐射定标是实现光学遥感定量化应用的重要前提。首先简要介绍了绝对辐射定标，接下来系统性地梳理国内外发展现状及发展趋势，重点分析了太阳反射谱段光学遥感卫星在轨星上绝对辐射定标的各种方法，包括遥感器上定标设备、恒星和月球定标、高精度参考交叉定标卫星和同步绝对辐射定标仪等，其中前两类已经在轨实现精度优于2%~5%，后两类计划当中精度优于1%。最后总结发展规律和发展启示，给出高精度光学遥感卫星在轨星上绝对辐射定标发展的几点讨论。

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空间在轨增材制造技术的研究进展与展望

刘洁, 时云, 崔宇涛, 侯娟, 张恺, 黄爱军

2022 (6): 23-34. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0080

摘要 ( 445 )

PDF(5450KB) ( 501 )

空间在轨增材制造（in-space additive manufacturing，ISAM）技术是一种“空间3D”打印技术，在在轨制造和空间基地建造方面具有很好的应用前景。首先概述了空间在轨增材制造技术的主要内涵，进而全面梳理了国际上空间在轨增材制造技术的研究进展。结合空间站、在轨航天器的需求，重点分析了空间在轨增材制造关键技术对其原材料、技术手段以及设备的要求，在此基础上梳理了空间在轨增材制造技术现阶段面临的挑战。综合表明，特殊的空间环境（微重力、高真空等）都在紧密限制着空间在轨原材料、设备以及技术的选用。最后，基于当前空间在轨制造技术的发展现状、需求以及可能的实现途径，为中国空间在轨增材制造技术的未来发展指明了新的方向。

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基于等离子体磁壳的行星探测器制动机理研究

董宜承, 王伟宗, 张金瑞, 齐岳, 闫家启

2022 (6): 35-45. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0081

摘要 ( 243 )

PDF(4177KB) ( 182 )

等离子体磁壳制动技术是一种新型的行星探测器制动手段，具有制动阻力可调、可靠性高、结构质量小等优势，具有潜在的应用前景。开展了等离子体磁壳制动产生方式与工作机理的数值仿真研究。首先，以火星探测器的制动为背景，将等离子体磁壳简化为圆柱构型，建立了等离子体磁壳宏观模型，得到了制动阻力、有效捕获面积和探测器速度随轨道高度的变化关系。随后以等离子体磁壳中离子、电子和次中性粒子之间的相互作用为研究对象，建立了等离子体磁壳微观模型，获得了等离子体粒子数密度和温度随时间变化的规律。微观模型与宏观模型计算出的制动阻力一致，验证了两种模型的有效性。

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VGOS基带数据预处理系统研究

甘江英, 郭绍光, 何旋, 柳聪, 孙正雄, 李纪云, 马浪明, 舒逢春, 张秀忠

2022 (6): 46-53. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0082

摘要 ( 164 )

PDF(11108KB) ( 213 )

VLBI全球观测系统-VGOS的数据采集系统具有超宽的记录带宽和超高的数据速率，数据率稳定可达16Gbit/s。数据回放及解析等预处理工作是数据采集到相关处理的关键步骤。针对国内VGOS数据采集系统，研发了VGOS基带数据预处理系统，分析了高速记录的元数据及基带数据格式，设计实现了数据记录、聚合、解析、重组等预处理模块。通过对预处理系统的研究和测试，分析了其效率提升的方法。利用预处理系统成功对国际VGOS站观测数据进行回放和解析，经过数据的相关处理成功获得了干涉条纹。表明预处理系统可正确处理高速数据，预处理过程中数据聚合速率平均可达到10Gbit/s，解析效率可达3.6Gbit/s，满足当前VGOS观测数据的超宽带、超高速处理要求。

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面向立方星变轨任务的机动控制策略

张科文, 潘柏松

2022 (6): 54-63. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0083

摘要 ( 141 )

PDF(6887KB) ( 131 )

为了实现立方星在轨飞行与变轨，基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先，针对多单元立方星单一主推进器的结构部署，基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整，基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩，实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点，通过搜寻μPPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩，满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外，引入姿态误差敏感度阈值，使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后，通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析，表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。

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用于卫星入轨段测控的箭载天基测控中继系统

魏伟, 陈三楚, 敦怡, 华清, 王宇飞, 甘霖

2022 (6): 64-70. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0084

摘要 ( 181 )

PDF(3162KB) ( 181 )

为满足卫星入轨段关键遥测参数下传和遥控指令上传的需求，设计了一种用于卫星入轨段测控的中继系统，方案主要基于火箭现成天基测控终端和卫星现成测控设备。介绍了中继系统的组成、工作原理和工作流程，研究了天基测控相控阵天线波束指向算法，设计了一种卫星遥测、遥控信号中继功能的地面测试系统。该箭载中继系统在快舟一号甲火箭上完成了两次飞行试验验证，两次飞行试验中继转发的卫星遥测数据完整，箭载卫星通信终端接收用户卫星遥测数据的载噪比大于20dB；地面测控中心接收天基遥测返向信号比特信噪比相对接收门限有3dB以上的余量。试验表明，该箭载天基测控中继系统通信链路余量充足，工作可靠，相比通过地面测控资源保障或卫星自身使用天基测控可节省一半以上成本。

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可见光/激光组合的相对位姿测量研究

魏建宇, 康国华, 武俊峰, 赵腾, 邱钰桓, 许传晓

2022 (6): 71-78. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0085

摘要 ( 145 )

PDF(3619KB) ( 110 )

针对可重构航天器模块超近距离对接场景下特征点消失问题，提出一种可见光/激光的高精度相对位姿测量方法。该方法先通过可见光/激光组合对初始相对横滚角误差进行校零，完成粗校准环节；然后通过激光二维双镜反射法进行精确的相对位姿解算，获得高精度相对位姿数据。仿真结果表明，在现有技术条件下，该方法在模块相对距离在100cm内可不依赖视觉特征点，实现±1.2mm和±0.03°的相对位姿测量精度，为模块航天器对接后续的超近距离高精度位姿控制奠定基础。

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Stewart平台卫星动力学建模与姿态指向一体化控制

董艾雷, 吕亮亮, 蔡国平, 吴勇军

2022 (6): 79-88. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0086

摘要 ( 181 )

PDF(5702KB) ( 175 )

针对Stewart平台卫星大范围快速机动后的指向控制问题，提出了考虑翼板柔性的Stewart平台卫星动力学建模与姿态指向一体化控制方法。对考虑柔性翼板的Stewart平台卫星的动力学建模与主动控制进行了研究，采用力学基本原理和混合坐标法建立系统的刚柔耦合精确动力学模型，并提出一种同时考虑平台载荷指向与隔振的协同控制方案。数值仿真结果表明，所建立的动力学模型能够准确地描述系统的动力学行为，所提控制方案能够有效提高卫星平台的姿态指向精度。与未施加控制的情况相比，该方案能够将支撑杆的变形量减少到千分之一，从而保证了结构安全。此外，还分析了翼板柔性对Stewart平台卫星姿态控制的影响，结果表明翼板柔性对下平台姿态精度有较大影响，对上平台姿态精度影响较小。

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基于多项式近似的空间碎片群体轨道预报算法

张震, 陈建林, 孙冲, 方群, 朱战霞

2022 (6): 89-98. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0087

摘要 ( 169 )

PDF(1953KB) ( 202 )

快速准确地分析空间碎片群轨道演化行为对于其他在轨航天器碰撞规避至关重要。在各摄动力的作用下，空间碎片群演化运动呈现出复杂的非线性特征。空间碎片群体个体数量巨大，如果通过对空间碎片群中每个空间碎片进行轨道积分来分析群体预报的方法会导致计算量过大。针对该问题，提出一种基于多项式近似的轨道快速预报分析方法。该方法将空间碎片群分为少量的标称碎片和其他大量关联碎片。针对标称碎片的轨道预报采用数值积分求解保证预报精度；而针对其他大量的关联碎片轨道预报问题，采用多项式泰勒展开半解析方法求解，从而在保证预报精度的前提下有效减少空间碎片群轨道预报的计算量。为了验证方法的有效性，对不同空间碎片群进行了轨道预报仿真。仿真结果表明，当轨道预报精度设定在1m范围内时，多项式近似算法的计算量较蒙特卡洛方法计算效率提高了2.2~17.2倍，验证了所提出方法的有效性。

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基于流的遥感图像超分辨率重建

任术波, 孟倩, 吴钻

2022 (6): 99-108. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0088

摘要 ( 155 )

PDF(7041KB) ( 75 )

为了提高遥感图像超分辨率重建的质量，提出了一种基于流的遥感图像重建算法。首先，在Glow模型的基础上引入改进后的RRDB架构用于低分辨率图像特征提取，通过构建更多层和连接以提升训练的稳定性。然后，以一种纯数据驱动的流模型来训练分布的参数，通过最大化负的对数似然的方法进行优化，得到该算法的损失函数。实验证明该模型在网络训练过程中能够快速达到稳定收敛的状态，且具有很强的泛化能力。用重建出的图像质量对比SRCNN、SRGAN、ESRGAN，经过测试后发现，提出的算法远远优于SRCNN算法，与其他算法相比也有明显优势。重建出的图像不仅在指标上有所提升，例如与SRCNN相比，PSRN和SSIM分别提升了15%和40%，且人眼观察时有更高的清晰度，高频细节更为丰富。

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面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

耿海, 李兴达, 贾连军, 贾艳辉, 吴辰宸, 孙明明, 孙新锋

2022 (6): 107-114. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0089

摘要 ( 289 )

PDF(7619KB) ( 201 )

为评价30cm离子推力器的寿命，提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法，利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型，开展了30cm离子推力器寿命预估研究，分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性，给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明，栅孔直径仿真与实测值一致性较好，误差在20%以内，基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的；根据仿真结果，10000h寿命考核后，减速栅最先失效，30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h，能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。

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碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真

张元哲, 韩先伟, 杨振宇, 鲁海峰, 谭畅

2022 (6): 115-124. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0090

摘要 ( 312 )

PDF(5836KB) ( 245 )

为分析碘工质射频离子推力器束流特性，应用粒子云网格算法（PIC），对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I⁺，还包含少量I₂⁺、I²⁺、I³⁺几种多价离子。对添加多价离子前后束流特性的仿真结果进行对比，得出该栅极系统离子空间分布、电势分布、离子相空间分布以及束流、束流发散角，并对变密度工况下束流大小进行统计。计算结果表明，程序能较好地模拟离子在栅极系统中的运动情况：添加多价离子后，等离子体悬浮电势有所上升，鞍点电势有所下降，但整体电势分布的变化幅度较小；添加多价离子后束流大小略有增加，束流发散角略有减小，通过理论分析可知仿真所得理论推力及理论比冲均有小幅度增加；放电室等离子体数密度增加到约2.4×10¹⁷m^-3时，该栅极系统达到了束流引出的极限，后续增大等离子体密度引出束流不增反降。模拟结果可以为碘工质射频离子推力器栅极系统的设计提供参考。

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液体非线性晃动试验与等效力学模型仿真

邓明乐, 李友遐, 许宏岩, 吴文军, 黄华, 岳宝增

2022 (6): 125-133. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0091

摘要 ( 150 )

PDF(7698KB) ( 115 )

航天器的在轨机动可能导致液体燃料出现包括非线性晃动在内的复杂动力学行为。采用运动脉动球模型（MPBM）对液体非线性旋转晃动问题进行了研究，并通过开展地面试验验证了MPBM仿真结果的准确性。首先，在MPBM的建模过程中以晃动回复力的形式考虑重力的影响，具体是通过虚功原理将重力作用引入到脉动球的能量变化过程。然后，搭建地面晃动试验平台，实现了对球型贮箱晃动现象的准确观测以及对晃动力和晃动力矩的实时测量。最后，以试验实测的加速度激励和晃动力为参照，采用MPBM进行了仿真与对比，仿真结果较好地匹配了试验结果。文中对液体晃动的合理抽象进一步地提升了等效力学模型对复杂晃动行为的仿真能力，为实现航天器更为高效、准确的在轨控制提供基础。

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基于BP神经网络的介质表面充电电位反演方法

张诚悦, 全荣辉, 张海呈

2022 (6): 134-139. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0092

摘要 ( 131 )

PDF(3593KB) ( 128 )

为了实现全面、实时的在轨卫星充放电风险分析，基于在相同环境下，不同材料表面充电的关联性，利用BP神经网络建立了一种由Kapton材料表面充电电位反演卫星其他常用介质材料表面电位的模型。以Kapton材料的表面电位以及材料厚度为输入，其他介质材料的表面电位作为模型输出，使用COMSOL建立的表面充电模型对神经网络进行训练，将反演误差降低到10%以下，并利用Kapton与Teflon材料表面充电地面试验数据验证反演模型的准确性，结果显示Teflon表面电位的反演值与实测值间的相对误差小于16%。

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新型高速单粒子翻转自恢复锁存器设计

刘中阳, 张海能, 杨旭, 张正选, 胡志远, 毕大炜

2022 (6): 140-148. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0093

摘要 ( 154 )

PDF(4990KB) ( 167 )

航天器中芯片工作时钟频率的不断提高使得单粒子翻转(single-event-upset,SEU)效应对时序逻辑的影响更加显著。目前已经提出的辐射加固锁存器存在面积和延时较大、功耗较高且抗单粒子翻转能力有限的问题。针对这些问题，提出了一款基于130nm部分耗尽绝缘体上硅(partially-depleted silicon on insulator,PDSOI)工艺的高速单粒子辐射自恢复锁存器。在对电路设计进行介绍的基础上，与其他已经报道的电路进行了对比，并利用节点翻转分析和仿真波形验证了该锁存器具有抗单粒子翻转自恢复的功能。对比结果表明，与其他的抗单粒子翻转自恢复锁存器相比，在牺牲部分功耗的代价下，大幅减小了锁存器的面积和延时。本方案所提出的辐射加固锁存器的综合开销指标APDP较其他辐射加固锁存器平均节省了71.14%，适用于辐射环境下的对速度和可靠性有较高要求的电路，为国产宇航高可靠自研芯片提供了选择。

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