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2023年, 第43卷, 第3期　刊出日期：2023-06-25 上一期    下一期

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综述

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远距离大容量连续无线功率传输的机遇与挑战 李明, 董士伟, 石德乐 2023 (3):  1-13.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0033 摘要 ( 295 )   PDF(1058KB) ( 387 )   远距离大容量连续无线功率传输是支撑空间太阳能开发利用和碳中和目标实现的未来可行路线之一。首先介绍了远距离连续大功率无线功率传输的应用需求和当前面临的发展机遇，针对具体应用提出了对该技术的具体需求；然后论述了国际范围内远距离连续大功率无线功率传输的最新研究进展。结合发展态势和应用需求，阐述了技术发展到目前所面临的挑战，并针对这些挑战提出了发展建议。 相关文章 | 计量指标

论文

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软件定义测控系统体系架构与关键技术 李超, 焦义文, 傅诗媛, 吴涛 2023 (3):  14-24.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0034 摘要 ( 258 )   PDF(6999KB) ( 341 )   为了满足快速变化的民商航天测控需求和小卫星及大型星座的快速发展导致的测控任务爆炸式增长需求，将软件定义技术这一被认为改变游戏规则的革命性技术，从互联网行业引入航天测控系统，提出了软件定义航天测控系统体系架构，实现测控系统新一轮技术革新。文章首先分析了传统航天测控系统体系架构及存在问题，其次讨论了软件定义航天测控系统具有层次化设计标准，应用接口开放，系统集中控制，基础资源可灵活重组等技术特征。随后分析了该体系架构的优势及标准接口与规范、软件定义射频前端、软件定义信道和软件定义基带4项关键技术，并对软件定义测控系统发展作出了展望。研究结果表明相比传统测控系统软件定义航天测控系统架构更能满足日益发展的航天事业对测控资源的需求。 相关文章 | 计量指标

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含有建模和测量误差的卫星自主定轨系统能观性分析 周博超, 李勇, 张艾, 崔世航 2023 (3):  25-34.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0035 摘要 ( 134 )   PDF(4403KB) ( 172 )   影响卫星自主轨道确定精度的主要因素包括动力学建模误差及测量误差。考虑动力学模型及测量均存在系统误差时，解决问题的一个途径是将这两种系统误差与卫星运动状态构成扩增状态后一同估计。 为了保证滤波的稳定，就必须对此扩增系统的能观性进行分析。基于非线性系统的局部弱能观性理论，分析并给出了无摄动条件下单星自主定轨系统中卫星运动状态、建模误差及测量误差均能观的充要条件，即当轨道为圆轨道时增广系统处处不能观，当轨道不为圆轨道时处处能观。最后通过仿真算例对结论进行了验证，仿真结果显示对于非圆轨道，当建模误差及测量误差均为常值或慢时变时，采用扩展卡尔曼滤波算法对增广系统的状态估计是有效的。 相关文章 | 计量指标

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微纳卫星热状态仿真及分析 闫新庆, 李雅琪, 张晨曦, 皇甫中民, 张宁, 刘雪梅 2023 (3):  35-42.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0036 摘要 ( 223 )   PDF(4863KB) ( 291 )   卫星热控系统通过调节星上热量收集、转移、排放的过程，从而达到控制星体温度水平和温度稳定性的目的，对卫星进行在轨热状态分析和依据分析结果进行热控措施调节与评估至关重要。针对低轨微纳卫星热状态分析的关键问题，给出了卫星在轨时刻所受空间外热流的计算方法，在此基础上，综合考虑温度影响因素和传热特点，建立了卫星外壳、辐射器、内环境和内外部单机的瞬时温度计算模型。以一低轨微纳卫星为例进行仿真计算，对结果进行了分析与讨论，为进一步深入研究卫星的热控设计提供了快速、简便的分析方法。 相关文章 | 计量指标

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等再入航程返回轨道模糊混合优化设计 陈伟跃, 王国军, 王阳, 陈蒙, 张治国 2023 (3):  43-54.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0037 摘要 ( 83 )   PDF(3037KB) ( 66 )   为了消除采用梯度迭代求解算法求解再入弹道优化问题时对初始值的依赖，减小遗传算法对种群数量和迭代次数的需求，采用模糊思想设计了改进的稳态遗传序列二次规划（GA-SQP）混合求解算法。针对等再入航程返回轨道设计问题，提出了初始种群的基因检测方法、基于模糊隶属度的评分函数建立方法和搜索过程中劣质基因的评分方法，考虑了过载超限时间约束、倾侧角翻转最大角速度限制等实际约束，给出了序列二次规划求解过程中再入点在瞄准点之后和制动时长过短的特殊情况下约束的处理方法。采用改进的稳态GA-SQP混合求解算法，可以实现近地轨道变高度返回的情况下等再入航程返回轨道设计。改进的稳态GA-SQP混合求解算法不依赖于初始值，种群数量较小，与未改进的遗传序列二次规划算法相比迭代次数减少34.7%，计算速度和计算精度均达到工程适用程度。 相关文章 | 计量指标

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深空通信中LTP协议选窗概率优化 王燕, 程子敬, 金亮, 田小路, 郝晓强, 王鹏宇 2023 (3):  55-62.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0038 摘要 ( 70 )   PDF(2457KB) ( 56 )   为满足深空延迟/容忍网络（DTN）中不同类型不同权重数据差异化传输的需求，提出一种基于自适应遗传算法的选窗概率函数优化方法。该方法以红绿（重要、不重要）数据误码率为适应度函数进行交叉变异与全局优化，使重要数据被大概率选中并以较高的正确率传输，不重要数据不被遗漏并在预期误码率范围内传输。将其应用在DTN网络传输层LTP协议的扩展窗不等差喷泉码编码中，通过与传统遗传算法的仿真结果对比表明自适应遗传的优化算法能降低深空通信中重要数据的误码率和信道总误码率，满足差异性数据传输的要求，减少因误码率高而导致的信息重传，提高数据传输效率，节省信道资源。 相关文章 | 计量指标

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祝融号火星车重要数据保护设计与实现 兰天, 朱玛, 彭松, 陈百超, 贾阳 2023 (3):  63-72.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0039 摘要 ( 184 )   PDF(3428KB) ( 219 )   由于火星表面测控支持受限，祝融号火星车需要自主实现可靠生存、高效探测，而重要数据保护是这种自主能力的必要条件。由于能源约束，火星车内仅有少量设备处于长期工作状态，无法沿用基于器内信息网络的分布式重要数据保护方案。为解决这一问题，设计了一种分布式与集中式相结合的重要数据保护架构。由系统管理单元（system management unit，SMU）集中保存重要数据，并在其他设备加电时为其提供分布式重要数据服务。针对SMU复位、切机后的时间恢复需要，提出了一种基于多重备份的器上时间保护方法，低消耗、高可靠地实现了器上时间保护。为了在有限空间内保护更多延时指令，提出了一种专用存储区与公用存储区相结合的重要数据保护方法，有效提升了存储空间利用率。上述重要数据保护方案在火面测控、能源双重约束下为祝融号火星车提供了可靠的业务连续性保障，可为后续深空探测器的设计提供参考。 相关文章 | 计量指标

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离子电推进系统电源处理单元的数字化设计 信志平, 谷志茹, 王超, 蒋远大, 胡久松 2023 (3):  73-80.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0040 摘要 ( 98 )   PDF(4616KB) ( 117 )   为了降低航天器的质量，提高使用寿命，满足商业航天小卫星电推进系统需求，概述了电源处理单元（power processing unit，PPU）数字化设计的需求及屏栅电源设计方案，针对电源处理单元的高精度、高稳定性、快速响应的要求，采用BUCK方案和全桥电路设计屏栅电源。以STM32微控制器为核心设计数字化加热电源和屏栅电源，实现卫星平台/地检设备的数据采集遥测，电源输出电压参数的改变。实验结果表明：三个数字化电源的控制精度均小于3%，数字化控制的电源处理单元具有灵活调整的特点，能够有效减少控制板体积。 相关文章 | 计量指标

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“接触-导热”式热管辐射散热器设计与分析 姚良, 王苏明, 张红娜, 李小斌, 李凤臣, 王录, 赵亮 2023 (3):  81-92.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0041 摘要 ( 134 )   PDF(7319KB) ( 152 )   针对空间核反应堆电源中的热排散系统，新设计出“接触导热”式热管辐射散热器结构，根据此散热器结构提出了“划分节点分层耦合”的传热计算模型，计算了其辐射散热特性，并以JIMO（木星冰卫星轨道器）空间探测任务为背景，对散热系统整体进行了性能分析与对比。结论如下：为提升单块辐射板以及系统整体的散热性能，除可通过增加NaK78入口温度途径外，还可采用增大NaK78循环流量的方法；对于单块辐射板而言，散热面积固定情况下当NaK78流量由1kg/s增加至10kg/s，辐射板散热量可增大14.14%，而对于系统整体而言，散热量固定工况下当NaK78流量由1kg/s增加至10kg/s，所需辐射板总面积可减小67.73%；为提高系统循环流量，可采用“串并联”相结合的辐射板连接方式实现；JIMO散热系统采用新型辐射板结构，散热总面积最大可减小59.06%，散热板总质量最大可减小4.24%，新型散热板结构具有一定的高效与轻质性。研究结果对空间堆电源系统热管式辐射散热器设计具有指导意义。 相关文章 | 计量指标

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基于层间分类一致性准则的舰船目标细粒度识别方法 张拯宁, 张林, 王钺, 李云飞, 杨云超 2023 (3):  93-104.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0042 摘要 ( 121 )   PDF(5682KB) ( 175 )   舰船目标的层次化、细粒度识别在军事和民用领域均有重要意义。现有细粒度识别方法一般需要部件级精细标注或采用注意力机制提取关键特征，但并未有效利用舰船目标层次化分类体系中本身所蕴含的隶属关系信息提高细粒度识别精度。针对舰船目标的层次化分类问题，建立了舰船目标多层级一致性分类数学模型，提出了一种基于层间强一致性分类准则的细粒度识别方法，设计了层间一致性分类损失函数，并构建了多层级兼容舰船目标细粒度识别网络（MLCDet）。经试验验证，该方法有效、鲁棒，资源开销小，能够有效利用分类体系中各类别间的隶属关系提升目标识别精度。在无需部件级标注信息的前提下，将mAP提高了1.3%，与此同时，模型总参数量仅增加0.02%，推断速度不变。 相关文章 | 计量指标

巨型星座/低轨大规模星座专栏

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基于QoS保障的低轨卫星星座设计 戴翠琴, 秦杰鹏, 许涛, 唐宏 2023 (3):  105-115.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0043 摘要 ( 256 )   PDF(7474KB) ( 225 )   低轨卫星星座设计是部署低轨卫星网络的前提和关键。然而，不均匀的地面用户分布和不合理的卫星资源配置对卫星网络的服务质量提出了重大挑战。针对以上问题，通过构建服务质量（QoS）指标体系，提出了一种基于QoS保障的低轨卫星星座设计方法。首先，建立了低轨卫星网络模型和星座覆盖模型，通过星间链路的建链准则来定义星座抗毁性指标。其次，通过建立用户链路以及定义用户匹配度来分析星座对目标区域用户的资源匹配情况。接着，建立了以QoS指标为约束最大化效费比的低轨卫星星座设计优化问题，定义的QoS指标包括信噪比、误码率、抗毁性以及星座覆盖率和用户匹配度。此外，通过遗传禁忌智能算法求得了所设计的低轨卫星星座的轨道参数。仿真结果表明，提出的低轨卫星星座设计方案在满足指定QoS约束的同时具有最大星座效费比。 相关文章 | 计量指标

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星下点轨迹恒定的低轨星座构型设计方法 张雅声, 贾璐, 于金龙, 梁爽 2023 (3):  116-122.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0044 摘要 ( 293 )   PDF(5014KB) ( 350 )   为探寻适用于低轨巨型星座的构型设计方法，提供了一种所有卫星共星下点轨迹，且该轨迹固定不变的低轨恒定轨迹星座构型解析设计方法。该构型用回归因子、卫星总数两个参数进行编码。首先，利用平均轨道根数思想，建立了地球非球形摄动带谐项阶数为J4条件下的回归轨道设计解析模型。其次，根据卫星与地球相对运动规律，确立了满足共星下点轨迹条件的解析式。最后，结合回归轨道设计与共星下点轨迹设计思想，建立低轨恒定轨迹星座构型设计模型。最终仿真结果表明，该构型设计方法符合所有卫星共星下点轨迹、且轨迹固定不变的设计预期，验证了本构型设计方法的有效性。本星座构型具有形式简易、构型易维持、覆盖范围广的特点，确保了空间系统与地面系统的方位一致性，极大程度降低了星地系统协同的复杂度。 相关文章 | 计量指标

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基于A2C算法的低轨星座动态波束资源调度研究 刘伟, 郑润泽, 张磊, 高梓贺, 陶滢, 崔楷欣 2023 (3):  123-133.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0045 摘要 ( 160 )   PDF(3584KB) ( 152 )   巨型低轨星座为载人飞船、空间站、遥感卫星等用户航天器提供低时延、大容量的通信通道存在波束资源分配优化的难题。针对采用离散时间的深度强化学习A2C（advanced actor critic）的智能优化框架进行了研究，结合遗传算法中个体和基因概念、形成了可有效满足多用户、动态、并发接入需求的波束资源调度算法。基于仿真分析，提出的算法可在多种典型场景下具有适用性，支持在20s内完成超过3000个任务的有效规划，任务成功率不低于91%。通过算法优化实现复杂度的降低，相对传统遗传算法可节约时间45%以上。同时对传统A2C算法框架中的收敛问题进行了优化，解决了传统全连接A2C算法无法收敛的难题，同时相比DQN（deep q-network）算法框架收敛速度提升38%以上。 相关文章 | 计量指标

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一种基于计算资源度的星间路由协议 苏安, 刘乃金, 陈清霞, 向雪霜, 刘佳 2023 (3):  134-143.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0046 摘要 ( 180 )   PDF(5805KB) ( 194 )   随着发射技术的提升和星载任务需求的扩大，低轨互联网星座逐渐成为航天产业的研究热点。在网络层进行算力资源感知有助于构建最短计算时延路径，有效利用边缘或路径上的节点资源进行任务调度。由于传统组网协议没有考虑邻居节点算力资源情况，难以做到资源感知、星间协同组网完成卸载任务。为解决上述问题，提出了将低轨卫星组网建模为移动自组织网络（MANET），并在主动式协议优化链路状态路由协议（OLSR）中引入节点计算资源度来感知周边组网节点、CPU、内存和负载等计算能力情况，并且根据该指标修改OLSR中的多点中继（multi point relay，MPR）选择算法与路由表更新算法。通过仿真验证了在星间协同计算中，文章提出的路由协议在任务计算时延上降低了15%~30%，并通过与地面云计算的比较验证了星间协同计算的优势。 相关文章 | 计量指标

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基于方向调制的多目标卫星物理层安全测控技术 王进, 张国亭, 刘广凯, 白真, 魏汇赞, 孙景云, 赵家庆 2023 (3):  144-152.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0047 摘要 ( 155 )   PDF(6189KB) ( 155 )   在巨型星座中，航天测控系统需对多目标卫星同时进行测控任务。由于无线信号的广播特性，全空域多波束测控系统在可视弧段内存在多个目标卫星和多个非目标卫星，有用信息在传输过程中易被非目标卫星拦截和窃听，测控链路的物理层安全问题亟待解决。考虑在地面站多波束发射机中引入方向调制技术，通过在发射信号中叠加人工噪声，并针对非目标卫星方向未知和已知两种场景分别设计基于正交投影和基于最大化信泄噪比（maximum signaltoleakageandnoise ratio，MaxSLNR）的波束成形算法，来有效提升测控系统的物理层安全性能。仿真结果表明，两种算法均能使非目标卫星方向上的接收信号星座图产生畸变，同时在目标卫星方向上保持标准的星座图分布。相较而言，正交投影算法更适用于非目标方向未知场景，达到无差别屏蔽非目标卫星方向截获的效果；而MaxSLNR算法综合考虑了对非目标卫星接收机性能的抑制，能够达到定向屏蔽非目标卫星的效果。 相关文章 | 计量指标