中国空间科学技术

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飞行器大气再入过程中黑障缓解方法综述

喻明浩, 邱泽洋

2022 (2): 1-12. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0016

摘要 ( 425 )

PDF(2375KB) ( 1396 )

为了方便研究人员更好地掌握黑障的缓解方法及其研究现状，系统地介绍了目前航天领域中用于缓解黑障的多种技术方法。首先，简要介绍了黑障的成因以及研究现状，并阐述了电磁波在等离子体中的传播机理；其次，详细说明了14种黑障缓解方法的基本原理及其优缺点，这些方法包括改变空气动力学形状、引入正交电磁场、驻波检测法、提高入射频率以及太赫兹法等。随后，从功耗、尺寸质量、通信效果以及工程实用性等6个方面对每种方法进行了分类评估。最后，针对黑障问题后续的研究方向，提出了几点建议。

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航天员失重环境下运动策略与效能分析

李志昌, 黄倬然, 李剑飞, 曹哲, 魏承

2022 (2): 13-21. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0017

摘要 ( 242 )

PDF(6864KB) ( 173 )

航天员在空间执行任务过程中由于受到空间微重力环境的影响，其运动的协调性以及平衡性均会与地面环境下的表现有所差异。以研究失重环境下航天员运动特点为目标，对航天员姿态调整策略进行动力学分析，并对运动过程人体效能进行评价。具体而言，在无外力/力矩驱动下，人体必须依靠四肢按一定的协调运动策略才能实现对躯干姿态的主动控制。而运动策略的分析则需要对人体全身运动过程的动力学原理进行研究。首先基于NewtonEuler法建立人体多刚体系统动力学模型，其次基于MBDyn软件以及计算力矩方法建立可对人体复杂运动过程进行仿真计算的闭环控制系统。最终，利用以上理论及系统，验证了人体依靠四肢按一定的运动策略进行姿态主动调节的可行性，所得各关节的动力学特性，为今后航天员执行任务过程动作设计提供了一定的理论支持。

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气体介质对排气式气囊缓冲特性影响研究

李博, 竺梅芳, 雷江利, 何青松, 王飞

2022 (2): 22-29. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0018

摘要 ( 134 )

PDF(3933KB) ( 148 )

中国新一代载人飞船试验船研制过程中开发了一套组合式缓冲气囊。以新飞船返回舱为研究对象，通过流体力学和热力学理论推导，建立了含有内囊的组合式气囊缓冲过程动力学模型，并通过MSCDytran对其有效性进行了验证。之后通过仿真计算，分析了影响气囊缓冲特性的两项气体固有参数——气体自由度与摩尔质量——对气囊缓冲过程的影响。研究结果表明，相比气体自由度，摩尔质量对气囊缓冲特性影响更大，气体摩尔质量越小，气囊的排气速度越快，所需的排气口面积越小；但通过调整气囊的排气口面积，几种常见的气体可作为气囊缓冲介质实现相近的缓冲效果，其中由气囊缓冲介质不同导致的缓冲过载与反弹速度的最大偏差分别不超过02g与012m/s。研究结果可以为缓冲气囊工程应用中气体介质的选择提供一定参考。

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WAAS卫星播发电文一致性分析

王启舟, 李锐, 张晶灿, 张超

2022 (2): 30-38. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0019

摘要 ( 159 )

PDF(11245KB) ( 95 )

星基增强系统(SBAS)是在传统GNSS的基础上为了进一步满足民航用户对卫星导航系统越来越高的精度、完好性、连续性和可用性需求而应运而生。目前全球已建立起了多个SBAS系统，其中提供服务时间最长的是美国的WAAS系统。WAAS系统包括38个参考站、3个主控站、6个上注站和3颗GEO卫星，每个参考站配备3套独立的监测接收机。首先介绍了WAAS的系统结构，通过比对WAAS不同GEO卫星播发的各类型电文数据的异同，分析其电文播发的一致性及用户使用不同GEO播发电文对服务的影响，并对最低运行性能标准里针对用户选择WAAS不同GEO卫星信号的规范和约束条件进行了合理性分析。通过对比目前成熟的广域差分系统架构和播发方式，从应用需求角度揭示了SBAS系统与传统广域差分系统实现的本质区别，指出完好性实时监测的基础是必须建立足够可靠的地面监测网络和卫星通信链路。

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利用并联氙气瓶温差补偿航天器质心偏移的可行性研究

王珏, 王敏, 郭婷婷, 仲小清, 温正, 魏鑫

2022 (2): 39-45. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0020

摘要 ( 137 )

PDF(3400KB) ( 125 )

在以往航天器研制中，一般通过增加配重的方式对航天器质心偏移进行补偿。这种质心补偿方式占用了运载火箭承载能力资源，降低了航天器的有效承载能力。针对常规质心补偿方式的弱点，利用电推进航天器上氙气高密度填充的特点，提出了一种通过氙气瓶温度控制对航天器质心偏移进行补偿的方法，减少了航天器配重的使用需求。氙气瓶温差对航天器质心偏移的补偿能力与氙气质量占比、氙气瓶质心间距等正相关。在典型航天器应用条件下，利用氙气瓶温差可对几十毫米量级的航天器质心偏移进行补偿，补偿误差最低可达到2mm左右，可为电推进航天器的质心控制提供参考。

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基于广义相对论的轨道摄动下星间激光相位比对

梁健, 贾前, 刘磊, 唐硕

2022 (2): 46-55. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0021

摘要 ( 173 )

PDF(3914KB) ( 180 )

针对纳米到皮米量级星间激光测距，在地心非旋转坐标系（GCRS）下，考虑卫星轨道摄动引起的广义相对论效应，建立了星间单向以及双向星间激光相位比对模型。通过仿真研究了地球主引力场范围内轨道摄动引起的广义相对论效应对星间激光相位比对误差的影响，并通过星间激光相位比对误差计算星间激光测距误差。不同轨道高度的卫星仿真结果表明，对于地球主引力场卫星，轨道摄动引起的广义相对论效应测距误差最小在百皮米量级，最大达到微米量级。星间距相同时，轨道高度越高，轨道摄动引起的广义相对论效应测距误差越小；轨道高度相同时，星间距越大，轨道摄动引起的广义相对论效应测距误差越大。

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基于N-BEATS的单站对流层天顶总延迟预报

苏行, 杨韬, 孙保琪, 杨旭海

2022 (2): 56-63. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0022

摘要 ( 164 )

PDF(10573KB) ( 194 )

高精度对流层延迟先验值有助于加速精密单点定位的快速收敛。基于高精度高分辨率气象数据库，采用深度学习NBEATS算法，进行了单站对流层天顶总延迟的预报试验。试验选取了9个IGS跟踪站，试验弧段从2002年1月至2019年6月共185a。首先基于NBEATS算法，设计了3种预报策略，然后基于前175a针对不同预报策略进行模型训练，并对最后365d的对流层天顶总延迟进行预报。试验结果表明，以该气象数据库为基准，12h以内预报弧段的预报残差均值量级大多可达亚毫米，2h、4h、6h的预报残差的标准差分别约为5mm、9mm、13mm。

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基于北斗三号导航系统的卫星定位技术

赵鹏飞, 陈高峰, 李小娟, 汪大宝, 刘宁, 王慧聪

2022 (2): 64-70. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0023

摘要 ( 194 )

PDF(3247KB) ( 229 )

对北斗三号体制下的传输链路、接收门限进行理论分析，得出捕获算法采用4次非相干累加，可以使捕获灵敏度达到-130dBm，同时实现定位时间小于5min的综合较优结果。接着以低轨太阳同步轨道卫星为例，利用STK建模进行全轨道周期仿真，结果显示全程收星数超过4颗，定位精度达到2.59m，速度误差为0.00378m/s。2020年底北斗三号导航系统部署完成后，首次完成在轨卫星定位测试，实际收星数大于或等于6颗，定位精度达到277m，速度误差0.006m/s，仿真和测试结果的一致性良好。该研究成果可作为后续在轨航天器使用北斗三号系统实现定位需求的参考。

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微小推力下小卫星的轨道递推与推力标定

张军华, 陈建林, 孙冲, 袁建平

2022 (2): 71-81. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0024

摘要 ( 281 )

PDF(3405KB) ( 399 )

针对采用微小推力进行轨道机动的小卫星，考虑复杂摄动力的基础设计了一种高精度轨道外推和推力在轨标定算法。首先，建立了考虑地球复杂摄动力和微小推力的小卫星轨道动力学模型；然后基于动力学模型，利用变步长龙格库塔算法，设计了对微小推力小卫星进行高精度轨道外推的方法。随后通过无迹卡尔曼滤波器(UKF)，设计在轨标定算法，对存在误差的微小推力实时标定进行了研究。最后，根据轨道外推仿真验证结果和STK软件结果进行对比，验证了轨道递推方法的有效性和精确性，通过推力标定的仿真结果，验证了推力在轨标定算法的精确性和可行性。

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基于改进神经网络的空间机械臂阻抗控制方法

戚毅凡, 贾英宏, 赵宝山, 钟睿, 洪闻青

2022 (2): 82-90. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0025

摘要 ( 385 )

PDF(3739KB) ( 492 )

针对环境信息不确定和碰撞模型未知情况下的空间机械臂柔顺控制问题，提出了一种基于改进型神经网络的阻抗控制方法。以空间机械臂阻抗控制系统闭环方程为基础，分析了环境信息不确定和碰撞模型未知情况下不能实现精准力控制的原因。利用粒子群优化算法调整神经网络中的权值矩阵，以提高神经网络的收敛速度和寻优性能。基于改进后的神经网络设计阻抗控制器，使改进后的神经网络能实时调整阻抗参数以达到更好的柔顺控制效果。数值结果表明，相比传统阻抗控制，该控制器能够有效减小力控制误差和位置控制误差，且对于力反馈干扰信号具有更强的抗干扰能力。

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一种用于深空导航定位的新型DOR信标

甘江英, 舒逢春, 吴亚军, 童锋贤, 郭绍光, 吴徳

2022 (2): 91-98. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0026

摘要 ( 198 )

PDF(5835KB) ( 174 )

甚长基线干涉测量（VLBI）是深空探测器导航定位的重要手段之一，深空探测器的VLBI观测通常采用差分单程测距（DOR）信标和双差单程测距（DeltaDOR）测量体制，精确地测量深空探测器相对于河外射电源的角距。相位杂散是影响DeltaDOR测量精度的主要误差源之一，针对这项误差研究了一种基于伪随机噪声调制方式的新型DOR信标（PNDOR），开展了信标的设计实现，从时域和频域角度分析了Gold码带宽及多项式、整形滤波系数和DOR信号调制指数的优化方法。 PNDOR信标可有效削弱相位杂散效应，提高DeltaDOR测量精度，满足中国未来深空探测任务高精度导航定位需求。

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最优特征选择下多层次分割的城市道路提取

雷惠敏, 张和生

2022 (2): 99-107. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0027

摘要 ( 142 )

PDF(9092KB) ( 98 )

针对道路提取过程中特征维数过高的问题，提出了一种基于ReliefF过滤式和Wrapper封装式的特征选择方法。将粒子群优化算法（PSO）作为Wrapper的搜索算法，优化过的随机森林算法（OPRF）作为Wrapper的分类器构成PSO_OPRF封装式子集评估器，对ReliefF预选后的特征子集进行评估，降低特征维度，选出最优特征集，根据选择的特征对影像进行多层次分割分类提取城市道路网。以山西省太原市部分城区GF2遥感影像为数据源进行道路提取，利用提出的特征选择方法所得的道路提取质量与仅使用ReliefF算法选择的特征、以传统随机森林作为分类器和以J48决策树作为分类器特征选择方法的提取质量对比。结果表明该方法的三种类型道路的提取质量分别达到0.959、0.853、0.931。

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捕风一号卫星总体设计与技术特点

白照广, 王崇羽, 范东栋, 孙纪文

2022 (2): 108-116. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0028

摘要 ( 572 )

PDF(8151KB) ( 209 )

捕风一号卫星是中国首次实现基于星载导航卫星反射信号测量（global navigation satellite systemreflection，GNSSR）技术的气象卫星，采用新型L波段海面风场信息探测技术，在风场测量、海面飓风风速反演等方面为国家气象、防灾减灾等行业提供服务。从系统设计角度介绍了捕风一号卫星的总体技术指标，结合需求分析阐述了卫星系统配置、载荷关键指标和轨道特性等方面的确认过程和结果。给出了载荷高精度风场监测、卫星海上发射、星地一体化数据反演、创新性数据中心等方面的技术特点，在具备2~70m/s范围大风场测量的同时，风速测量精度可以达2m/s。同时介绍了在轨测试情况、载荷性能比较与后续发展建议。卫星总体方案的设计过程可作为后续业务星和其他卫星系统论证的参考。

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星载GNSS-R海面风场观测载荷关键技术设计与验证

王延光, 白照广, 朱雪萍, 王崇羽, 韩琳

2022 (2): 117-124. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0029

摘要 ( 188 )

PDF(3896KB) ( 273 )

目前海面风场观测手段有限，基于全球导航卫星系统反射信号处理（global navigation satellite system reflection, GNSSR）的天基观测为全球风场信息获取提供了全新的手段。GNSSR海面风速探测技术具有全天时、全天候、低功耗、宽覆盖、多信号源、低成本等特点，日益获得了广泛的关注。由于GNSS系统设计之初的目标是面向全球用户提供基于无线电伪距测量的被动导航服务，并非设计为天基遥感辐射源，所以GNSSR反射信号具有观测点离散、信号功率弱、信号处理算法运算量大等特点。以捕风一号卫星为研究对象，对GNSSR信号处理算法和处理系统进行了研究。针对GNSSR信号特点和星载实时处理需求和约束，提出在短时循环相关和旋转变换的基础上配合动态相位补偿技术在数据处理不失真的条件下将GNSSR信号处理运算量减小到传统算法的1/8.99；同时设计了基于FPGA的反射信号处理系统,并完成地面及在轨试验。试验结果表明设计的GNSS-R信号处理系统和快速算法满足了卫星对实时5幅DDM处理的要求，DDM处理结果有效支撑了后续风场反演。

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基于GMF方法的捕风一号风速反演分析

范东栋, 卢敏健, 陈趁新, 高涵, 尉昊赟

2022 (2): 125-133. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2022.0030

摘要 ( 191 )

PDF(10828KB) ( 161 )

全球尺度高时空分辨率海面风场探测是当前全球气象研究及预报预测领域的关注热点之一，传统海面风场探测技术存在测量区域有限，且受天气环境限制明显等问题。基于全球导航卫星系统反射（GNSSR）测量技术风速反演原理，以捕风一号1级数据产品为输入，欧洲中期天气预报中心再分析风速数据为参考风速，采用地球物理模型函数（GMF）方法构建风速反演模型。分析了1级产品中不同参量，如卫星、观测天线、镜面点入射角、信噪比等，对观测特征量与风速的影响，确定了GMF经验模型分类和筛选方案并完成模型建立。对所生成的风速反演数据及其统计特性与飓风卫星导航系统（CYGNSS）相应数据进行了比对分析，表明反演风速以及反演偏差关于入射角、参考风速的分布特性均与CYGNSS数据趋势一致。初步展示了捕风一号卫星风速探测能力，可为后续探测性能提升和星座发展提供参考。

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