中国空间科学技术

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遥感图像云检测方法综述

刘子力, 杨家俊, 王文静, 史振威

2023 (1): 1-17. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0001

摘要 ( 1374 )

PDF(3043KB) ( 2380 )

光学遥感图像中云层会对地面信息进行不同程度的遮挡，造成了地表观测信息的模糊和缺失，极大地影响遥感图像的成像质量。因此，对遥感图像中云层覆盖的检测和评估是进一步分析和利用遥感图像信息的基础和关键。通过充分的调研和对比总结，梳理了20世纪90年代以来，国内外基于遥感图像的云检测方法的发展趋势和代表性工作。将基于遥感图像的云检测方法分为三类：基于光谱阈值的方法、基于经典机器学习的方法以及基于深度学习的方法。总结了当前国内外云检测公开数据集，并对比了部分代表性工作的云检测精度。此外，简要梳理了与云检测相关的云雾（霾）检测、云雪检测、云阴影检测以及云去除等方法。对当前云检测相关工作中存在的问题和未来的发展趋势进行了分析和展望。

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大规模卫星星群域管控策略设计

李宁, 岳程斐, 郭海波, 邱实, 曹喜滨

2023 (1): 18-28. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0002

摘要 ( 475 )

PDF(6485KB) ( 628 )

针对大规模卫星星群单节点管控带来的系统通联性差、地面资源依赖度高等问题，提出了分层管理、域内自治、动态维护的卫星星群分布式域管控策略。首先，设计了衡量卫星节点管控能力的静态指数及动态指数，并提出了多因素加权的星群簇首选择方法。其次，提出了通过逐层择优的方式进行域结构初始化的算法流程。最后，根据星群变化情形，提出了基于事件触发的动态时间片域管控方法，保证了大规模星群在全任务周期内能维持相对稳定的管控构型。仿真结果表明，所提出的域管控策略能够有效完成对目标星群的簇首选择、域初始化及动态维护过程，并保持域结构的稳定。实现了目标星群在空间中的域结构划分管理，使地面直接参与管理的卫星节点数目降至原管理模式的14％，有效解决了星群管控严重依赖地面资源的相关问题。

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面向卫星多目标重复观测任务的分层聚类规划

张耀元, 杨洪伟, 袁荣钢, 梁奕瑾, 李爽

2023 (1): 29-43. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0003

摘要 ( 293 )

PDF(5824KB) ( 318 )

针对敏捷卫星多目标重复观测任务规划面临的可行任务执行序列集合规模庞大困难，提出了一种任务执行序列时间解耦的分层聚类任务规划方法。该方法以规划过程中的可观测窗口和任务执行窗口为聚类对象，通过单次可观测窗口聚类和多次任务执行窗口聚类将任务集合按任务窗口属性分解为一系列时间解耦的小规模集合，在两次任务执行窗口聚类间使用基于贪婪优化的搜索算法对聚类生成的小规模任务集合分别进行集合内任务规划，最后将各集合的任务规划结果合并后得到所有任务的执行序列。仿真结果表明，该分层聚类方法可有效降低全局优化复杂度，消解不同优先级观测任务的冲突，提高任务规划质量，能够在不降低目标点观测完成率的前提下对有多个观测机会的目标点进行重复观测，且算法稳定性好，能在数秒内得出规划结果，适用于星上自主任务规划。

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考虑能量最优的集群航天器避碰规划

赵腾, 康国华, 陶新勇, 许传晓, 武俊峰

2023 (1): 44-52. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0004

摘要 ( 195 )

PDF(4000KB) ( 268 )

针对传统集群聚集算法在航天器集群规划应用中存在燃料消耗大、不均衡以及耗时过长等问题，提出了向心聚集的能量最优聚类避碰算法。该算法首先基于集群相对运动方程与有限时间的能量最优模型，建立了自适应的向心聚集的能量最优模型；在此基础上，对于耗时较长且碰撞的问题，提出一种基于能量最优的聚类避碰算法，以模块间安全距离矢量作为避碰约束，将能量消耗作为聚类算法指标进行改进。仿真验证表明，该算法可以自适应选取集群聚类的中心，有效避免碰撞，减少集群聚集总能量的消耗以及模块间能量消耗的不均衡性，使得工质消耗达到全局最优，且耗时仅有常规遗传算法的万分之一。该算法为集群快速安全聚集提供了思路。

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二体绳系卫星系统冲击效应动力学与试验研究

段富成, 张慧博, 侯玮杰, 秦晓刚, 吴霞, 杨生胜

2023 (1): 53-62. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0005

摘要 ( 175 )

PDF(6619KB) ( 130 )

为了研究冲击效应对二体绳系卫星系统动力学特性的影响，开展了基于绝对节点坐标法的柔性绳索模型及绳系卫星系统运动特性分析研究。首先介绍了绝对节点坐标法柔索模型的建立过程，并进行了动力学仿真实验，在仿真时充分考虑了柔索的轴向刚度矩阵、弯曲刚度矩阵以及质量矩阵，可在不增加计算量的同时保留系绳真实特性。最后，搭建了三自由度的二体绳系卫星地面模拟试验系统，在规格为20m×30m的大型气浮平台上开展了试验验证，对末尾释放阶段和初始回收阶段系绳的张力以及子星的运动状态进行了分析。验证结果表明：地面模拟试验与仿真实验相比，系绳张力误差均在5%以内，验证了该建模方法的有效性和所搭建的试验系统的可靠性，同时为绳系卫星的未来发展和地面试验的进一步展开奠定了基础。

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多星分布式无源相干定位方法

王雨琦, 吴楠, 张旭, 刘丹, 王海强, 韩笑冬, 仲小清, 王宁远

2023 (1): 63-68. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0006

摘要 ( 219 )

PDF(3058KB) ( 237 )

针对方向性辐射源信号主瓣波束窄测向定位精度不足的问题，提出多星分布式无源相干定位方法。首先，根据参考星接收到的主瓣强信号对辐射源位置进行粗定位，并根据粗定位信息对频移进行补偿；随后，将参考星信号分发至临近卫星，在粗定位范围内对相干星接收到的旁瓣弱信号进行互相关搜索，解算时差信息；然后，采用多星时差定位体制估计辐射源精确位置；最后对提出算法进行了CramerRao下界分析，并通过仿真实验对算法进行验证。仿真结果表明，算法在弱信号信噪比（SNR在-40~0dB）的情况下，定位误差能够快速逼近CramerRao下界，并且能够有效提高辐射源的定位精度。

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基于码片幅度调制的导航信号扩频码认证方法

严涛, 李天, 田野, 王瑛, 边朗, 蒙艳松

2023 (1): 69-78. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0007

摘要 ( 182 )

PDF(4745KB) ( 166 )

信号认证是满足全球卫星导航系统(GNSS)民用信号安全性需求的关键，相比于导航电文认证(NMA)，扩频码认证（SCA）具有更强的安全性。为了在实现SCA的同时不对非认证用户造成影响，提出了一种基于码片幅度调制(CAM)的导航信号SCA方法，对民用信号的扩频码的码片幅度进行了调制，实现了在扩频码层面的认证特征的引入。为了验证所提方法的有效性，采用理论和仿真分析，与GPS L1C采用的Chimera SCA方法进行了比较。结果表明，所提方法在检测性能方面提升了2.55~2.78dB。研究成果可为下一代高安全卫星导航信号的设计提供支持。

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“田园一号”微推进系统设计与性能测试

李经广, 梁振华, 廖文和, 张翔, 翟豪, 冯国津, 徐根

2023 (1): 79-87. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0008

摘要 ( 163 )

PDF(4388KB) ( 195 )

针对“田园一号”微纳星编队飞行任务的技术需求，开展了微推进系统的总体设计。常规冷气推进由于其比冲低、贮存压力高、结构复杂，难以满足微纳卫星需求。选择R134a作为推进工质，通过将推进剂液化，减小系统体积。基于3D打印技术，设计贮箱、稳压罐、管路一体的推进系统。采用MEMS加工工艺，设计并研制出电加热喷口，从而提高系统比冲。分析了不同喷口尺寸、供气压力以及温度下所产生的推力和比冲大小，确定出喷口设计。表征测试所研制的电加热喷口，结果表明喷口加工误差控制在2%以内。真空条件下，采用扭摆测量系统测试推力器推进性能，测试结果表明，当稳压罐内气体压力在0.1~0.2MPa变化时，推力大小为5~10mN。当喷气温度从25℃升至95℃时，推进系统比冲可提升10%以上。

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一种改进的固液火箭发动机故障诊断方法

吴一凡, 魏延明, 杨博, 于贺, 刘超凡, 魏翔

2023 (1): 88-99. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0009

摘要 ( 170 )

PDF(7093KB) ( 101 )

针对固液火箭发动机的可靠性问题，设计了一种改进的贝叶斯网络故障诊断方法，可以通过网络化自主逻辑推理，对固液火箭发动机进行故障诊断。为了提取时序观测信号的故障特征，提出将步进法与核主成分分析（KPCA）相结合的分析方法，并根据模糊C均值聚类算法（FCM）建立模糊多态贝叶斯网络，实现对观测信号尺度的模糊处理，提高对不确定性故障的诊断能力。通过Matlab/Simulink建立改进的贝叶斯网络故障诊断系统。仿真结果表明，改进的算法能够实现对固液火箭发动机常见故障的有效诊断，并能够适应小样本集学习的情况。与传统贝叶斯诊断算法相比，故障诊断的平均准确率提高了20.9%。

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腿臂融合型在轨装配机器人运动建模与步态规划

朱力, 李团结, 宁宇铭, 姚聪

2023 (1): 100-108. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0010

摘要 ( 252 )

PDF(7099KB) ( 229 )

针对目前机器人在轨装配存在的作业效率低、空间操作受限、环境感知不完全等问题，提出一种腿臂融合型在轨装配机器人。首先，使用DH法建立了腿臂融合型装配机器人运动学模型，并对其单个腿部进行正逆运动学分析，得到单个腿各个关节角和足端之间的运动关系；其次，分析了腿臂融合型装配机器人的行走步态和装配步态，行走步态中分析了二步态和三步态，装配步态中分析了单臂装配和双臂装配，使机器人达到平稳的行走和装配；最后，基于ROS（robot operating system）搭建仿真平台并对行走步态进行了仿真验证，结果表明提出的方法能够有效用于该机器人的行走。

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基于重复自抗扰控制的索网天线振动抑制

董雨桐, 王文豪, 马小飞, 刘磊

2023 (1): 109-118. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0011

摘要 ( 170 )

PDF(7003KB) ( 216 )

为解决索网天线在轨运行过程中的振动抑制问题，提出一种基于重复自抗扰复合控制器的主动振动控制方法。首先，使用有限元法建立天线型面的振动动力学模型，基于模态截断的方法对动力学模型进行降阶并转化为状态空间方程的形式。然后，基于能量最小化准则，使用遗传算法对传感器/作动器的位置进行优化。最后，设计了基于线性自抗扰控制的天线型面振动主动抑制算法，并在此基础上设计前馈重复控制算法，通过对反馈控制周期性误差的学习，提高控制器抑制周期性扰动的能力。仿真结果表明，相比无控状态时，所提出的控制方法可将型面扰动降低97.0%，振动抑制效果优于PID控制器。所设计的控制方法为天线型面的振动控制提供了一种新的技术手段。

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剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构设计与性能分析

余力威, 何柏岩, 聂锐, 范叶森, 马小飞

2023 (1): 119-128. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0012

摘要 ( 178 )

PDF(8364KB) ( 288 )

空间可展开天线的展开平稳性是天线顺利展开的关键。天线的收展比是运载火箭空间配置的重要参考因素。为减小天线展开过程中的振动冲击，提高展开平稳性，降低空间可展天线收展比，梳理了可展开天线桁架机构的常见构型，提出一种剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构，并详细介绍了该机构的基本单元及展开方式。对该机构的收展比进行具体分析，结果表明在相同口径和展开高度的情况下该机构的高径比比Astromesh天线桁架机构减小了35%左右。对该机构进行运动学和动力学建模，分析了机构展开平稳性，结果表明在相同大小驱动力作用下该机构的各节点加速度均方根是Astromesh天线桁架机构的30%左右，具有更好的展开平稳性。试制了缩比模型并进行了展开实验及相关参数测试，验证了机构设计的合理性及计算结果的准确性。

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航天器可展开薄膜遮光罩的构型设计与优化

彭涛, 林秋红, 李冰岩, 邱慧, 刘荣强, 罗阿妮

2023 (1): 129-138. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0013

摘要 ( 165 )

PDF(7453KB) ( 266 )

针对当前航天器遮光罩轻量化的需求，在保证薄膜遮光罩有效面积不变的前提下，根据质量和有效面积占比设计了一款柔性平面薄膜遮光罩。以提高薄膜边缘应力的同时尽量避免有效圆面积占比减少为优化目标，对薄膜遮光罩的边缘做弧边优化设计。结果表明，当薄膜遮光罩为正六边形时，既能保证结构对称性，又能获得较低的单位有效面积占比对应质量。通过应力叠加法建立了薄膜遮光罩的应力分布模型，求出薄膜边缘应力的理论计算值。探究了弧边拱高的增加对薄膜边缘应力和有效圆面积占比的影响规律，当二者的函数曲线相交于一点时，可取为薄膜弧边的最优拱高。根据设计的薄膜遮光罩参数，搭建薄膜遮光罩的试验样机并进行展开试验。薄膜遮光罩可完全展开，薄膜边缘张紧度高，证明了薄膜遮光罩系统方案设计的可靠性，弧边设计可有效提高薄膜边缘的应力水平。

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构架式可展开抛物柱面网状天线结构设计

王晓凯, 李向华, 杜江华, 刘天明, 钟汉田, 陈传志, 李明, 周鑫

2023 (1): 139-145. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0014

摘要 ( 248 )

PDF(6029KB) ( 335 )

针对具有大尺度抛物柱状反射面需求的空间可展开天线，提出一种基于四棱柱折展模块的构架式可展开抛物柱面网状天线，依靠模块驱动组件实现天线联动展开。把抛物面天线工作表面的拟合方法拓展到抛物柱面天线，采用工作面拟合圆均等网格划分径向投影获取天线支撑桁架设计的关键节点。柔性网状反射面采用双层索网结构形式，提出与前索具有较好对称性的背索网悬链线设计，前、后索网节点由支撑立柱间拟合圆弧均等分径向分别投影到抛物线段和悬链线圆弧上获取，根据前后索网节点建立索网拓扑构型，基于非线性有限元法对索网预张力进行设计迭代，获得抛物线维索网预张力与其均值的最大误差率为12.3%及柱面维索网预张力与其均值的最大误差率为7.6%的优化结果。研制了机械口径12m×12m样机，多次展开获得2mm RMS以内的形面精度，验证了构架式可展开抛物柱面网状天线较优的展开性能和形面精度保持性能。

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一种谐波减速器不对中误差分析方法

张智, 梁云, 姚培, 牛宝华, 艾永强

2023 (1): 146-152. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0015

摘要 ( 137 )

PDF(4994KB) ( 124 )

在空间环境中运行的星载天线转动单元中的谐波减速器产生的不对中故障信号故障特征难以提取，针对此问题提出了一种优化变分模态分解的故障诊断方法，这种方法基于鲸鱼优化算法（WOA）和Teager能量算子（TEO）包络解调。首先，由于包络熵对故障信号特征非常敏感，故采用包络熵作为适应度函数，同时其也是鲸鱼优化算法的目标函数。其次，WOA具有操作简单、调整参数少、跳出局部最优能力强等诸多优点，故使用WOA对变分模态分解（VMD）进行优化，构建优化算法。最后，使用Teager能量算子对本征模态分量（IMFC）进行处理。所提出的方法用于分析谐波减速器输入、输出轴两端收集的实验信号。通过与传统的快速傅里叶变换方法进行对比结果表明，所提出的方法提高了分解效率，在分解参数的原则和故障信号提取精度方面具有良好的性能，误差不超过2%，能够实现谐波减速器不对中故障信号的精确诊断，具有一定的研究意义与工程实用价值。

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