中国空间科学技术

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空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

吴树范, 张倩云, 刘梅林, 沈强

2023 (4): 1-12. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0048

摘要 ( 257 )

PDF(6507KB) ( 312 )

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器，旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理；然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术；并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理，可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声，国外在该指标上达到3×10^-15m/(s²·Hz^1/2)，国内与国外存在着3个量级的差距，因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义，是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求，可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。

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宏微空间机械臂运动控制方法综述

尹旺, 王翔, 王为, 刘冬雨

2023 (4): 13-23. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0049

摘要 ( 216 )

PDF(5711KB) ( 303 )

由于单一的机械臂不能满足日益增长的空间任务需求，为了提升机械臂的综合性能如快速响应、高精度和大负载，世界各航天大国开展了宏微机械臂的研制工作。综述了国际空间站和中国空间站上宏微机械臂的发展现状，分别从分时独立控制和协调控制两种操作模式下对宏微机械臂系统的运动控制进行了归纳总结。当宏微机械臂采用分时独立的控制模式时，可将其等效为柔性基座机械臂，并从反作用最优控制、主动阻尼控制和末端轨迹跟踪控制三方面对柔性基座机械臂的控制算法进行了分析研究，为中国空间组合机械臂的在轨操作提供了借鉴意义。最后，对空间宏微机械臂的动力学建模和运动控制进行了展望。

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基于ADDPG策略的超立方体卫星编队控制

苗峻, 涂歆滢, 殷建丰, 彭靖, 李海津, 陈子匀

2023 (4): 24-34. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0050

摘要 ( 143 )

PDF(8277KB) ( 124 )

针对大规模卫星高精度编队控制问题，提出了一种基于吸引法则的深度确定性策略梯度控制方法（attraction-based deep deterministic policy gradient，ADDPG）。首先阐述了超立方体拓扑编队拓扑构型特性，建立了卫星编队动力学模型，设计了超立方体卫星编队虚拟中心用于衡量编队整体飞行状态。为解决无模型深度强化学习的探索和扩展平衡问题，设计了ε-imitation动作选择策略方法，最终提出了基于ADDPG的卫星编队控制策略。算法不依赖于环境模型，通过充分利用已有信息，可以降低学习模型初期探索过程中的盲目试错。仿真结果表明ADDPG策略以较少的能量消耗达到更高的精度，相比知名算法在加快编队收敛速度的同时，误差减少5%以上，能量消耗减少7%以上，验证了算法的有效性。

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航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析

陈泽煜, 王瑞, 崔万照

2023 (4): 35-42. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0051

摘要 ( 155 )

PDF(3166KB) ( 151 )

航天器微波部件低气压放电效应是威胁航天器电子设备安全运行的一种特殊效应，而部件材料表面吸附气体脱附后为低气压放电提供了必要的条件。首先对比了微放电与低气压放电的区别，阐述了低气压放电破坏效应的产生根源。通过理论分析与计算，对比了热效应和电子轰击效应对不同键能吸附气体的脱附效率。结果发现，热致脱附主要造成低键能物理吸附气体的解吸附，电子轰击效应可造成高键能的化学吸附气体的解吸附。阐明了由二次电子倍增引起的电子诱导解吸附过程是星载微波部件内低气压环境的主要形成原因。最后讨论了通过部件材料表面处理及提高二次电子倍增阈值的低气压放电效应抑制方法。

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磁屏尺寸对霍尔推力器性能影响的仿真研究

徐宗琦, 田雷超, 王平阳, 华志伟, 杭观荣

2023 (4): 43-51. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0052

摘要 ( 124 )

PDF(6134KB) ( 93 )

磁屏作为霍尔推力器磁路系统的重要组成部分，其尺寸对磁感应强度分布具有重要影响。为探究其中的影响规律，以一台低功率霍尔推力器为研究对象，首先采用Maxwell有限元方法软件对磁屏在不同的轴向和径向尺寸下形成的磁场进行仿真，结果表明一组尺寸使推力器磁场位形达到最优。然后以该尺寸作为设计标准，采用PIC方法对霍尔推力器在阳极电压及气体流量分别为200V及0.8mg/s条件下放电通道内等离子参数分布进行仿真。最后根据离子速度和数密度等参数，计算得到推力器的推力、阳极比冲和阳极效率分别约为6.9mN、880s及41.89%。该仿真为霍尔推力器的磁场设计提供理论依据，为未来的实验研究提供数值参考。

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支持任务自主接入的星务软件重构方法

李翔, 宫江雷, 郭莉芳, 韩笑冬, 王超, 杨凯飞

2023 (4): 52-65. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0053

摘要 ( 148 )

PDF(11571KB) ( 136 )

目前卫星设计领域软件在轨重构方式安全性低，灵活性差，大大制约了星务软件在轨功能的持续更新与扩展需求。针对以上背景，提出了一种支持任务级重构的星务软件架构，介绍了基于容错SRAM的典型硬件环境和基于软总线的软件分层设计方法；开展对任务自主接入及硬件重启后自主恢复机制的研究，提出支持任务自主接入的星务软件重构流程及补丁协议，最终针对新型软件架构和任务接入方法进行仿真，验证了该方法的安全有效性，解决了目前星务软件重构灵活性差的问题，为提升卫星软件好用易用性提供了解决方案。

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基于最大后验概率准则的天基星座网络多用户检测方法

张克楠, 李兴乾, 杨胜, 丁凯

2023 (4): 66-72. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0054

摘要 ( 90 )

PDF(2582KB) ( 47 )

天基星座网络中用户可以随意进出自由组网，活动用户的数量、身份和发送的数据随机变化，对接收用户的性能造成很大影响。多用户检测是指识别每个活动用户的身份并检测每个活动用户发送的数据。传统方法假设活动用户数等于网络可以容纳的最大用户数，这种方法模型比较简单且误码率性能不够理想。提出了一种基于最大后验概率准则的多用户检测方法，该方法将用户的活动状态建模为马尔科夫链，并将多用户检测转换为在网格图中使用BCJR算法搜索最优路径。仿真结果表明，当活动状态错误概率和符号错误概率达到10^-3时，本文所提方法与对照方法相比分别获得2.6dB和1dB信噪比增益。

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基于常应变单元的空间薄膜结构动力学建模与分析

杜雪林, 张康, 张瑞翔, 叶拓, 易文慧, 蒋嘉斌

2023 (4): 73-84. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0055

摘要 ( 117 )

PDF(19065KB) ( 228 )

为了保证薄膜结构构成的充气式可展开天线、网状可展开天线和太阳帆等航天器的表面精度、信号增益等工作性能，需要对空间薄膜结构的动力学展开性能进行分析。由有限元离散方法将整个薄膜反射面离散为众多常应变三角形单元，这些单元的节点可视作质点；考虑这些三角形单元的弹性势能，由最小势能原理得到三角形单元的平衡方程，从而实现单元上点的应变和单元三条斜边线应变之间的转换；最后，为了防止展开过程中单元间接触，建立接触模型，由薄膜反射面的离散拓扑组集结构的质量矩阵和刚度矩阵，并建立动力学方程。基于文中方法对具体算例进行计算和分析，结果表明，动力学模型能够很好的模拟薄膜的展开过程，可应用于薄膜结构的展开性能分析中。

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板式表面张力贮箱推进剂重定位过程数值仿真的网格收敛性分析

戴炜, 张钟元, 李光昱, 韩伟

2023 (4): 85-92. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0056

摘要 ( 78 )

PDF(4854KB) ( 138 )

为了验证2.67L卫星贮箱性能，通过建立贮箱仿真模型，分别对贮箱50%与60%填充率下推进剂的重定位过程进行仿真验证。为了提高仿真效率，通过引入GCI指数这一概念，对比295万、625万、767万、955万网格数量的仿真结果，对仿真模型的网格收敛性进行分析。通过两个工况仿真结果的对比验证，认为当网格数量为625万时，数值模拟的误差能够收敛，具有较高的仿真效率。基于该仿真模型，对比分析了贮箱在受到轴向、周向扰动时与不受扰动时推进剂重定位过程的质心坐标变化，发现在扰动持续1s情况下，推进剂质心变化小于1×10^-3m，因此认为该板式贮箱具有较好的抗扰动能力。

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基于PPO2强化学习算法的空间站轨道预报方法

雷骐玮, 张洪波

2023 (4): 93-103. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0057

摘要 ( 140 )

PDF(10671KB) ( 147 )

影响热层大气密度的因素较多且变化机理复杂，很难建立准确的大气模型，导致大气阻力摄动成为空间站轨道预报精度的主要影响因素之一。研究了基于PPO2强化学习算法的轨道预报方法，利用强化学习网络修正大气模型中的相关参数，提高了轨道预报精度。首先建立了空间站的轨道动力学模型，分析了大气模型参数的误差特性，设计了基于强化学习的轨道动力学模型修正方案。选择PPO2算法作为强化学习算法，设计了训练参量与强化学习网络模型，生成了PPO2算法的训练和测试样本，完成了仿真训练与测试。仿真结果表明，该方案能有效补偿大气密度模型不准确造成的轨道预报误差，提高空间站轨道预报的精度和效率。

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空间大功率热源两相温控系统设计与仿真

刘庆志, 杨昌鹏, 徐侃, 赵欣,

2023 (4): 104-110. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0058

摘要 ( 146 )

PDF(4605KB) ( 285 )

为解决未来空间应用中大功率热源带来的温控问题，提出了集微槽道蒸发器、相变装置和热辐射器在内的泵驱两相流体回路热排散系统方案，在此基础上开展了系统仿真工作，对流体回路运行特性和温控能力进行了研究。仿真结果反映了大功率热源短时工作条件下两相流体回路温度、饱和压力和干度的变化特征，两相流体回路工作特性符合设计预期，60kW分布式大功率热源峰值温度能够控制在70℃以下。对泵驱动能力过剩所带来的不利影响进行了仿真分析，得出了泵驱动能力过剩导致两相回路系统温差增大的结论。分析了蒸发器和相变装置换热性能对温控系统的影响。蒸发器换热性能降低后，热源温度将超出要求范围；相变装置换热性能降低后，泵可能受到气蚀影响。

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交变电磁消旋过程中径向共线构型编队的附加力策略研究

廖潜, 石永康, 黄少华, 陈金山

2023 (4): 111-119. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0059

摘要 ( 79 )

PDF(5140KB) ( 50 )

高速运动的失效卫星等空间目标会威胁在轨卫星的安全，高效清除这类优先级高的目标的研究成为必然趋势。通过探讨不同消旋方法，提出一种基于非匀强磁场的径向分布电磁消旋编队策略，将旋转目标在非匀强交变电磁场中产生的电磁力视为控制力，通过位置调节控制电流，并利用数值模拟方法验证可行性。仿真结果表明，通过距离反馈控制电磁线圈的输出电流能在电磁消旋过程中减小电磁卫星与消旋目标的相对距离变化幅度，减少推进剂消耗，验证基于非匀强磁场的径向分布电磁消旋编队实现无推进剂消旋策略的可行性。

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基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法

武威, 刘荟萃, 曹建峰, 鞠冰, 王潜心, 吴志远

2023 (4): 120-125. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0060

摘要 ( 103 )

PDF(1981KB) ( 74 )

针对高轨卫星搭载的GNSS单频接收机观测值精度低导致多普勒法难以准确探测周跳的问题，提出了基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法。首先使用卡尔曼滤波平滑多普勒观测值，以降低观测噪声的影响，然后联合使用平滑后的多普勒值和载波相位观测值按照传统多普勒法计算周跳探测量，并对其进行历元间差分，从而降低系统误差，提高周跳检出率。实验使用探月三期再入返回试验任务中月地转移段返回舱接收到的GNSS观测数据，结果证明提出的方法相比传统的多普勒法可以在低信噪比的环境下更准确地进行周跳探测，可为后续高轨卫星的GNSS搭载试验提供技术支撑。

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基于多域融合的空间辐射源细微特征识别

王晓晗, 闫毅, 范亚楠, 李雪, 牟娇

2023 (4): 126-136. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0061

摘要 ( 112 )

PDF(7466KB) ( 148 )

辐射源识别主要关注辐射源的个体差异，通过信号处理手段，获取辐射源信号上与设备硬件相关的特征参数，从而掌握辐射源设备的型号、工作状态等信息。由于通信信号愈发复杂，单一域特征识别无法全面反映信号的细微差异，直接对信号处理结果进行识别存在大量数据冗余，导致识别效果不佳。为提高空间辐射源的识别效果，提出了一种基于多域特征融合的辐射源识别方法，通过对信号进行HilbertHuang变换和高阶谱分析，并提取变换结果的均值、方差、峰度、偏度和信息熵，将其拼接、融合形成空间辐射源信号的多域特征，利用SVM分类器进行分类，实现多域融合的辐射源细微特征识别。仿真结果表明，使用多域融合方法进行辐射源识别，在20dB的信噪比下可达到95.44%的正确率，与传统基于边际谱信息熵的分类识别方法对比，正确率提升9.41%。对比基于HHT边际谱、边际谱信息熵、双谱投影、双谱矩形积分、四阶累积量切片谱的分类识别方法，本方法的识别效果均有提升。

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一种基于星载遥感的碳通量直接测量方法

吕蒙, 张思勃, 王磊, 姚伟

2023 (4): 137-148. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0062

摘要 ( 133 )

PDF(4997KB) ( 211 )

目前全球尺度碳通量监测主要通过地基原位CO₂通量与浓度测量，结合星载遥感CO₂浓度等数据源，经过一系列的同化算法加以实现。考虑到原位测量覆盖范围有限，提出一种基于星载遥感的碳通量直接测量方法。基于湍流一阶闭合理论，采用水平风廓线-CO₂浓度廓线双廓线模型，结合莫宁奥布霍夫相似理论实现对CO₂通量的直接测量。其中水平风廓线通过双视向激光雷达采用多普勒相干测风反演得到，CO₂浓度廓线则基于激光雷达的差分吸收原理进行探测。基于星载激光雷达的双廓线探测方案目前可达1m/s的测风精度和10^-6的CO₂浓度探测精度。通过廓线模型初步分析发现：在较强碳源（例如近地面CO₂浓度差>10^-5）的下垫面及中性大气条件下可满足目前科学应用对通量数据的精度需求，即实现25%以内的CO₂通量测量的不确定度。该方法总体上可提供大尺度碳通量观测数据，作为地基CO₂通量测量的有益补充。

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