中国空间科学技术

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低轨巨型星座构型设计与控制研究进展与展望

阮永井, 胡敏, 云朝明

2022 (1): 1-15. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0001

摘要 ( 1112 )

PDF(4662KB) ( 2852 )

近年来低轨星座计划发展迅速，低轨巨型星座已成为全球争夺空间战略资源的“新战场”。首先，概述了Telesat、OneWeb、Starlink等低轨巨型星座计划的发展现状，以及中国互联网星座计划的基本情况。在此基础上，分别从星座的任务需求、覆盖特性、摄动补偿和备份策略4个方面，综述了星座的构型设计方法及其特点。然后，根据卫星从发射入轨到离轨整个星座构型的控制流程，梳理了低轨巨型卫星星座的初始化控制、保持控制、重构控制，以及卫星的碰撞规避控制和离轨控制的方法和特点。最后，对未来低轨巨型星座构型设计和构型控制技术的研究方向进行了展望。

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卫星在轨故障案例与人工智能故障诊断

王亚坤, 杨凯飞, 张婕, 郭莉芳, 韩笑冬, 邢川, 王睿

2022 (1): 16-29. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0002

摘要 ( 853 )

PDF(1709KB) ( 1080 )

减少卫星在轨故障，使卫星按设计寿命要求在轨执行飞行任务是卫星设计的一个重要课题。为了分析在轨卫星故障的原因，探索最新的卫星故障诊断方法，首先收集了2003～2021年卫星典型在轨故障案例，然后对卫星故障从不同的维度进行统计分析和相关性分析，包括卫星平台与卫星故障的相关性、卫星在轨时长与卫星故障的相关性等，最后介绍了基于人工智能的故障诊断研究，包括国内外应用的基于人工智能的卫星故障诊断系统和故障诊断方法，以及针对时间序列数据的人工智能故障诊断方法。本研究可以为今后卫星系统设计、避免故障发生提供指导。

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星载ADS-B相关研究进展及展望

倪久顺, 陈利虎, 余孙全, 李松亭, 郭剑鸣, 罗坳柏, 李晋华

2022 (1): 30-37. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0003

摘要 ( 335 )

PDF(4911KB) ( 1110 )

星载ADS-B技术作为未来空中交通管制的重要技术，可以克服地面设备难以在荒漠、远洋、极地等地部署的难题。星载ADS-B具有侦收范围广、可全球覆盖的特点，由此各国纷纷展开相关研究。针对星载ADS-B技术特点，进行了星载ADS-B相关研究进展的调查。首先综述了星载ADS-B原理及相关卫星研究情况；其次围绕天线技术、射频电路技术、信号处理、星座设计方法四个方面，评述了星载ADS-B接收的关键技术进展；最后对星载ADSB的数据应用及未来发展方向进行了展望。

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追踪及凝视状态下地气光对空间目标成像影响

张路平, 肖山竹, 胡谋法, 陈盛

2022 (1): 38-46. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0004

摘要 ( 135 )

PDF(7239KB) ( 88 )

为了分析不同探测方式下地气光辐射对空间目标成像特性的影响，利用卫星仿真工具包（satellite tool kit，STK）设计了一个以地球同步轨道（geosynchronous orbit，GEO）卫星与中轨道（medium orbit，MEO）卫星上搭载的可见光成像器为探测平台，以高椭圆轨道（highly elliptical orbit，HEO）卫星为观测目标的空间目标运动及探测场景，采用微元法建立空间目标与地气光辐射模型，进而推导出目标信噪比（signaltonoise ratio，SNR）。在探测平台上布置追踪探测器与凝视探测器，以进一步分析不同探测模式空间目标与地气光辐射信号及目标SNR的变化规律。仿真结果表明，中轨探测器得到的目标SNR强于高轨探测器，同一探测平台上追踪探测器得到的目标SNR强于凝视探测器，二者在空间目标进出探测器视场时相差最大，在空间目标靠近探测器视场中心时相差最小。

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空间薄膜结构刚柔耦合非线性动力学分析

邵琦, 陆一凡, 史创, 岳洪浩, 刘荣强

2022 (1): 47-56. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0005

摘要 ( 307 )

PDF(2545KB) ( 386 )

空间薄膜结构经历大范围刚体运动时，刚柔高度耦合的非线性动态响应极易发生，这将会降低结构几何精度，甚至影响设备正常工作。针对平面张拉式空间薄膜天线，建立了大范围运动的空间薄膜天线刚柔耦合非线性动力学有限元模型，描述了二阶效应与刚柔耦合效应对结构刚度特性、阻尼特性以及载荷的作用。通过对模型的数值解算，讨论了刚体运动规律（初始速度、运动加速度）以及结构模态频率和阻尼对刚柔耦合响应的影响。结果表明，动态响应的频率和变形峰值均与刚体运动加速度和初速度正相关，而与阻尼负相关；随着结构基频的增加，动态响应频率提高，但最大变形减小。刚柔耦合非线性动力学建模方法及模型，将为柔性结构动力学分析及面型控制提供理论基础；刚柔耦合响应特性分析对机动运动规划设计与空间薄膜结构扰动规避具有重要参考价值。

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极低频超大型航天器姿态机动与物理试验验证

袁泉, 林瀚峥, 张军, 魏春岭

2022 (1): 57-64. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0006

摘要 ( 134 )

PDF(3239KB) ( 317 )

针对具有0.01Hz极低频主模态的超大型航天器的姿态机动问题，给出利用经典的Bang-Bang轨迹规划方法、滤波轨迹规划方法和传统的相平面控制方法进行姿态机动的方案，构建了极低频超大型航天器姿态机动地面物理试验系统，对不同的姿态机动控制方法进行了试验验证。针对不同的姿态机动轨迹规划方法，采用喷气发动机或控制力矩陀螺作为执行机构，构建了5种超大型航天器姿态机动控制方案，即：姿态跟踪控制+Bang-Bang轨迹规划+喷气发动机，姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+喷气发动机，姿态跟踪控制+Bang-Bang轨迹规划+控制力矩陀螺，姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+控制力矩陀螺，相平面控制+角速度偏置规划+喷气发动机。利用构建的超大型物理试验系统对上述5种方案进行了试验比较，试验结果表明：机动轨迹对挠性变形的影响超过执行机构的影响，姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+控制力矩陀螺方案最优，其变形量相对相平面控制方案能减少约81.8%。

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基于深度神经网络的多星测控调度方法

李长德, 徐伟, 徐梁, 王燕

2022 (1): 65-72. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0007

摘要 ( 224 )

PDF(2393KB) ( 255 )

卫星规模的急剧扩大给传统多星测控调度方法带来了巨大挑战。传统调度方法面临调度时间长、任务满足度低等问题，难以适应大规模卫星调度。为此，引入了支持大数据和并行计算且具有自主学习特性的深度神经网络（DNN）算法，提出了一种基于DNN的多星测控资源调度方法。根据多星测控资源调度的特点以及DNN算法的要求，对调度过程中影响调度结果的相关实体和约束等信息进行特性分析，选择对调度结果有较大影响的属性或约束，离散化处理后作为DNN的特征值。在此基础之上通过预处理将测控任务与测控资源间的全匹配缩减为有效匹配，减小求解空间，降低DNN的特征维度以及训练难度。然后基于抽取的特征值及调度特性构建DNN模型，并通过大量历史调度数据完成对该DNN模型的训练。最后经试验表明，DNN调度方法的任务满足度达到99%，且通过特征降维后，算法的运行时间缩减了83%，验证了算法的可行性和高效性。

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考虑失效性故障的火星探测器进入段姿态容错控制

戴清, 周洪刚, 刘鹏轩, 李爽

2022 (1): 73-82. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0008

摘要 ( 211 )

PDF(4095KB) ( 178 )

火星进入过程中的故障和外部干扰不可避免地降低了火星进入制导和控制算法的性能。利用反步法设计了一种对转动惯量信息变化不敏感的火星进入姿态容错控制算法。首先，将虚拟控制律的微分量视作干扰量，利用自适应技术对其进行补偿，避免了传统反步法微分爆炸的缺陷。同时，控制设计过程中显式地引入了饱和函数，保证了在存在输入饱和的情况下，控制律仍然能使得探测器姿态保持稳定。最后，以“火星科学实验室”探测器为模型进行了数值仿真验证，结果表明该控制律在存在输入饱和约束、转动惯量不确定性、执行机构部分失效甚至完全失效的工况下，仍然能够完成对姿态的精准跟踪。

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基于覆盖圆的太阳同步回归轨道卫星目标轨迹调整方法

林竹翀, 王剑锋, 张蔚, 柳丽, 朱子亨, 魏银杉

2022 (1): 83-91. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0009

摘要 ( 128 )

PDF(6743KB) ( 96 )

遥感卫星星座在环境监测、地理测绘等领域运用中，需要考虑目标轨迹分布的优化问题。轨迹分布与星座的重访能力和进出站间隔保持等应用需求密切相关。目前对星下点轨迹分布的优化和调整还缺乏准确实用的方法，存在卫星数目增多带来的计算量增加问题和对多种需求综合考虑不够的问题。为了克服现有技术的不足，解决太阳同步回归轨道遥感卫星星座的目标轨迹分布优化问题，提出一种基于“覆盖圆”的准确、直观的优化计算方法。该方法能够在同一框架下考虑卫星相位保持和重访性能优化问题，并能对多目标重访性能优化问题给出一种直观有效的解决方案。仿真试验证明了该方法的有效性。该方法可用于卫星星座设计和在轨卫星星座的性能调优。

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星载SAR全方位模糊特性及计算方法

陶满意 , 胡广清 , 黄源宝 , 陈国忠 , 苏小明

2022 (1): 92-98. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0010

摘要 ( 476 )

PDF(4954KB) ( 518 )

常规的星载SAR模糊度计算方法是基于距离向一维方向图和方位向一维方向图，独立进行距离向模糊度和方位向模糊度分析。由于星载SAR对地观测是二维的，因此距离模糊度是全方位的，且真实的模糊能量仅来自于距离向模糊信号，方位向模糊是基于距离向模糊信号的基础上由于成像处理导致的模糊信号重组。为解决系统设计时预估分析的距离向模糊度值与实际成像效果不一致的问题和还原方位向模糊度本质，提出了星载SAR模糊度分析和计算的新方法。该方法首先从模糊特性机理出发，分析了距离和方位模糊产生的原因和两者之间的关系；然后建立了方向图任意指向角度与对地实际观测之间的角度转换模型，同时以二维方向图为基础给出了全方位模糊度计算的方法和步骤；最后进行了仿真设计验证，仿真结果表明，全方位模糊度计算方法更加符合实际成像效果，且为后续高分辨率星载SAR系统设计和模糊度抑制提供了参考依据。

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构架式可展开天线反射器模块化构型设计优化

胡飞, 宋燕平, 黄志荣, 李怡晨, 马小飞, 李婉

2022 (1): 99-106. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0011

摘要 ( 325 )

PDF(4948KB) ( 432 )

针对构架式可展开天线反射器模块化构型要求, 基于螺旋理论分析了模块及多模块组网的自由度，采用模块组合思想降低了构架式可展开天线反射器结构设计复杂性。首先，在由四面体单元组成的构架式天线反射器结构基础上，利用3个相同构型的3RR3RRR四面体单元构建平面模块，再采用模块间花盘与花盘连接方式组网形成构架天线反射器；其次，基于构架式天线反射器的可收展的期望运动，运用螺旋理论验证模块化构架式天线的可展性；最后，针对花盘姿态变化型综合，优化模块间连接运动副，使构架式可展开天线反射器收拢后达到最大收纳比。研究表明模块化构架式可展开天线反射器具有可展性，当模块间采用万向副连接时，组装的二圈模块化天线反射器为8自由度机构且能完全收拢。模块组网后的构架天线反射器具有收纳比高、自由度少的优点，在较少驱动下可使天线展开完全和展开可控，在航天机构领域具有良好的应用性。

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异形光斑的高精度光束偏转角度测量

邹炎升, 张乃元, 袁辉, 刘陈, 刘德明

2022 (1): 107-113. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0012

摘要 ( 151 )

PDF(3264KB) ( 191 )

大气湍流通常会造成激光光斑畸变为不规则的异形光斑，针对目前四象限探测器(QD)对空间光通信中不规则光斑偏转角度测量精度不足的问题，提出了一种基于多源信息融合的高精度光束偏转角度测量方法。该方法通过对QD及电荷耦合元件(CCD)的数据信息进行融合分析，在保持QD高分辨率和高响应速度的基础上，提高QD对不规则光斑偏转角的测量精确度。通过仿真与实验验证，融合算法相对于传统QD算法对不规则光斑偏转角的测量均方根误差改善了55.56%，测量误差峰峰值减少了42.98%。

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基于视惯融合的大型空间碎片质心位置辨识

姚金铭, 李广平, 张慧博, 田浩, 游斌弟, 戴士杰

2022 (1): 114-124. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0013

摘要 ( 119 )

PDF(8457KB) ( 46 )

大型自由翻滚碎片的质心是在轨操作基坐标系下的不动点，也是碎片连体基下动力学参数向卫星坐标系转换的基准，对其精确识别是提高碎片动力学参数辨识精度的关键。提出基于惯性单元测量数据与双目视觉定位数据融合的大型空间碎片质心位置识别方法。基于无力矩欧拉方程，获取附着到空间碎片表面的惯性单元间转换关系，利用该转换关系对惯性单元冗余测量数据优化，再优化求解惯性单元到质心点距离；利用双目视觉获取惯性单元上标记点动态坐标，再利用惯性单元到质心点距离，基于三点定位原理识别大型空间碎片的质心位置。以加入高斯白噪声的惯性单元与双目视觉测量数据进行仿真，结果表明优化解算后惯性单元实时测量数据的误差降低到1%以下，解算的质心位置三轴误差小于0.47mm；开展了地面试验，结果表明，解算的质心位置三轴误差小于0.49mm。仿真和试验证明，该方法能够为大型空间碎片的消旋、捕获任务提供准确的数据基准。

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融合邻域色差的PSPNet对遥感影像的分割

袁伟, 许文波, 周甜

2022 (1): 125-130. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0014

摘要 ( 183 )

PDF(10294KB) ( 207 )

传统的遥感影像语义分割利用影像的光谱特性，将具有相似值的像素进行归类，但无法区分具有不同光谱的同一类对象。针对这一问题，提出将邻域的色差信息和原始图像一起输入PSPNet网络中的方法。先将RGB变换到LAB空间，然后采用CIELAB公式计算出每一个像素与周围8个邻域像素的色差值，取平均值作为该像素的邻域色差值。在WHU building dataset和Massachusetts building dataset上使用PSPNet进行对比试验。结果显示，在两个数据集中平均交并比MIoU、准确度ACC和F1score都有不同程度的提高。因此，融合邻域色差的方法能有效提高PSPNet分割精度。

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碳基高导热材料及其在航天器上的应用

童叶龙, 陶则超, 李一凡, 刘占军, 江利锋, 殷亚州

2022 (1): 131-138. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0015

摘要 ( 262 )

PDF(5437KB) ( 404 )

在分析航天器对于高导热材料的需求及应用特点的基础上，将碳基导热材料分为高导热石墨扩热板和高导热柔性石墨膜，总结了其在航天器上的典型应用场景。高导热柔性石墨膜可用于复杂结构等温化设计、柔性热传输等，高导热石墨扩热板可用于大功率元器件或设备扩热与传输。针对现有柔性导热材料柔韧性差、尺寸小、厚度薄等应用瓶颈，采用固相发泡技术制备石墨气泡，再通过机械辊压将其压制成表面含“褶皱”的石墨膜，利用热塑性加工技术，研制了热导率优于750W/(m·K)的亚毫米级厚的高导热柔性石墨膜，将抗拉强度由6MPa提高至20MPa，厚度由几十微米提高至亚毫米级，同时使其尺寸可延展，将其应用于航天器大型载荷安装结构，温度梯度由8.9℃减小到2.5℃，可有效提高航天器低热导率结构件的等效热导率；采用高温热压技术制备高导热石墨基材，并通过磁控溅射的方式在石墨表面完整沉积金属镀层，解决了表面掉黑的问题，成功应用于某卫星固态存储器大功率器件散热。

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