中国空间科学技术

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高精度霍尔电推进技术的应用与发展研究

刘祺, 毛威, 胡鹏, 魏延明, 扈延林, 李永, 边炳秀, 刘旭辉

2023 (2): 1-15. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0016

摘要 ( 424 )

PDF(8062KB) ( 488 )

在现代化全域通信导航的应用背景下，卫星平台所需具备的精确轨道预测与实时轨道控制能力对电推进系统的推力精度、分辨率等性能提出更高的要求，因此建设高精度的电推进系统具有非常重要的意义。通过对空间应用需求和电推进技术现状的分析，阐明了当前电推进技术的推力输出精度不足以支撑高精度连续导航、超低轨卫星实时阻力补偿以及高分辨率遥感卫星动中成像等空间任务的需求。在此基础上，以霍尔推进系统为研究对象，针对研制高精度推进系统的技术难点，从霍尔推力器技术、流量控制技术、电源及控制技术和试验验证技术四个方面阐述了国内外研究的现状，分析和探讨了关键技术的发展方向和研究思路，为高精度霍尔推进技术未来的重点研究和发展方向提出建议。

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航天器构型重构技术研究进展与展望

彭祺擘, 武新峰, 王北超, 李爽

2023 (2): 16-31. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0017

摘要 ( 577 )

PDF(6523KB) ( 825 )

航天器构型重构技术是航天器在轨服务等重大空间任务必须突破的关键技术之一，将对新一代航天器系统的设计与研发产生深远影响。首先，给出了航天器构型重构的内涵及分类；其次基于主结构变构型等多种典型技术，对构型重构技术的研究现状进行了系统的总结和探讨；随后基于标准化模块设计等方法，给出了航天器构型重构技术体系；接着从支持航天器故障排除等方面出发，对构型重构技术的应用前景进行了归纳；最后，总结了构型重构技术的总体研究进展，并对其未来发展进行了展望。

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面向综合环境监测的星载SAR技术发展

邓云凯, 张衡, 范怀涛, 禹卫东, 王宇, 唐新明, 葛大庆, 徐丰, 刘国祥

2023 (2): 32-46. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0018

摘要 ( 388 )

PDF(20989KB) ( 389 )

针对中国微波遥感对地观测在信息维度、反演精度、观测效率和体系架构等方面存在的问题，基于国家重点研发计划“星载新体制SAR综合环境监测技术”的研究内容与成果，探讨了面向综合环境监测的若干未来星载SAR技术发展。在超大幅宽成像方面，提出分段渐变重频时序设计方案和基于最优线性无偏估计的低过采样变重频数据处理算法，实现了跨盲区大幅宽星载SAR成像；在宽幅星载SAR高灵敏度成像方面，提出中频数字波束合成高效星上实时处理架构和加权因子快速生成算法，采用16通道机载飞行试验数据验证，图像信噪比提升约112dB；在多极化星载SAR成像方面，分别提出一种简缩极化分解算法及混合全极化方位模糊抑制方法，在P/L波段机载飞行试验中得到验证；在高精度干涉SAR技术方面，提出基于改进相位补偿方案的层析SAR处理方法，利用P波段全极化层析SAR数据验证，获得优于0.9m的森林高度反演精度；在综合环境监测星座架构设计方面，针对广域地表高程、地表形变、海浪谱能量、洋流速度和生物量应用，完成品质因数达100的高分宽幅SAR卫星方案，其观测效能和观测维度较目前在轨SAR卫星有大幅提升。

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微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

王帅, 刘向阳, 赵子靖, 郭浩然, 耿金越, 沈岩, 王宁飞

2023 (2): 47-54. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0019

摘要 ( 161 )

PDF(4763KB) ( 166 )

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster，μCAT）具备功率低和结构简单的特点，能够满足微纳卫星的任务需求，具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理，对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断，得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性，研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明，μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高，密度较大；随着等离子体向下游运动，电子温度和电子密度降低，离子速度增大；外加磁场的磁感应强度越强，电子温度和离子速度越高，电子密度有所降低；磁场位置适当向推力器下游平移，能够有效提高推力器中轴线的电子密度；μCAT充电时间越长，电子温度、电子密度和离子速度越大；相比于CuW和AgW阴极，Ti阴极羽流的电子温度更高，电子密度更低。

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大功率高效率星载固态功率放大器研究

杨飞, 殷康, 赵恒飞, 赵莹, 刘江涛, 杨淑丽

2023 (2): 55-62. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0020

摘要 ( 162 )

PDF(8851KB) ( 248 )

针对卫星系统对于微波大功率放大器的需求，研制了L频段200W高效率固态功率放大器，对其设计方法和关键技术进行了详细论述。应用低温共烧多层陶瓷技术，实现了射频电路的高集成和小型化；基于第三代半导体器件，应用波形赋形及线性补偿技术，提升了射频电路的功率和效率；采用移相全桥拓扑，研制了高效率、大功率二次电源。在1.45~1.55GHz的频带范围内，固放整机输出功率大于200W，效率高于60%，3阶交调优于18dBc，同时具备30dB增益可调，360°内步进5.6°的相位可调能力。试验结果表明，该固放为目前国内星载领域连续波功率和效率最高的单机。

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模块化月球表层采样力学模型

吕嘉航, 李谦, 胡定坤, 罗浩天, 邹欣悦

2023 (2): 63-72. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0021

摘要 ( 155 )

PDF(5989KB) ( 209 )

因不受作业空间的限制，月球表层采样机具设计形式多样，为建模分析带来较大难度。为避免不同结构机具分析时重复建模，建立了一种模块化的月球表层采样力学模型。该模型将复杂的采样机具拆分成若干个基本面单元，基于朗肯土压力理论、最大抗剪强度理论和地基极限承载力理论对面单元在采样过程中的受力进行分析，组合各个面单元所受到的力获得复杂机具的力学模型。基于不同机具形式与贯入角度的模拟月壤贯入试验，对理论模型进行了试验验证，通过引入月壤密度沿深度的影响修正公式，将理论模型的误差率降低至8.2%。结果证明该力学模型和模块化理论可行，为后期月球表层采样机具的设计研发提供了参考。

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基于分布式深度学习的多星计算卸载策略

周锦雯, 刘乃金, 陈清霞

2023 (2): 73-80. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0022

摘要 ( 243 )

PDF(3932KB) ( 335 )

在边缘计算增强的低轨卫星网络场景下，低轨卫星集群协同处理地面任务能有效降低用户响应时延。对卫星集群的联合卸载决策和资源分配优化问题进行研究，将其描述为一个混合整数规划问题，并采用了一种基于分布式深度学习算法的卫星边缘计算卸载算法（deep learningbased offloading algorithm，DLOA）。该算法使用多个并行DNN用于生成卸载决策并采用经验回放存储新生成的卸载决策，当采用隐藏层结构不同的DNN，收敛速度比同构DNN提升18%，收敛值与最优值的比值基本为1，可以认为已收敛至最优。此外，探讨了DNN的数量对所使用的算法的影响，仿真结果表明采用少量DNN就可以获得近优的收敛效果。通过对不同任务规模下采用不同算法的任务完成率进行研究，结果表明DLOA算法可通过采用异构DNN和优化资源分配方案显著提升完成率，其较单星运算方案任务完成率提升1倍，较二进制粒子群算法方案提升20%。

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异构多星编队的脉冲构型保持控制方法

杨盛庆, 陈筠力, 钟超, 刘艳阳, 王文妍

2023 (2): 81-92. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0023

摘要 ( 150 )

PDF(7401KB) ( 147 )

近地轨道的双星编队通常设计具有自稳定性的编队构型参数初值，通过保持编队构型参数形成长期稳定的相对周期运动。针对编队中卫星数量增多产生的相对运动耦合问题，提出了基于Hill坐标和三角函数公式的多星相对运动分析方法。基于SAR载荷测量基线定义，结合多星编队构型参数的相对运动特性，提出了编队构型参数的设计方法，能够实现多星编队的最大有效基线组合。通过分析J2项摄动和大气阻力摄动的长期影响，研究了异构多星编队的相对运动衍化规律，提出了主从形式的脉冲偏置控制，能够有效保持针对异构多星编队设计的编队构型。通过面质比异构的四星编队控制仿真，验证了脉冲偏置控制形式下异构多星编队构型保持控制方法的有效性。

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基于时序建模的卫星故障检测方法

杨凯飞, 韩笑冬, 吕原草, 徐楠, 宫江雷, 李翔

2023 (2): 93-102. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0024

摘要 ( 334 )

PDF(4514KB) ( 348 )

为解决当前卫星故障检测面临的依赖规则库、多元特征融合不足以及数据正负样本分布不均衡等问题，从卫星数据的时序特性出发，提出基于时序建模的卫星故障检测方法与半监督模型，实现卫星数据规律的有效挖掘与数据驱动的故障检测。考虑卫星数据间的时序关联，提出基于长短期记忆神经网络的卫星故障检测方法，并引入滑动窗口机制实现卫星数据的有效预测与故障检测。考虑卫星数据多元特征参数间的关联关系，引入时间卷积和自编码器神经网络，同时建模不同时刻、多元特征参数间的依赖关系，实现融合多元特征参数进行卫星故障的有效检测。以某型号卫星电源分系统为实验对象，仿真结果表明，所提算法和模型在关键指标方面优于BP神经网络等传统故障检测方法和模型。

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火星探测UHF频段原位通信关键技术研究

翟盛华, 田嘉, 董超, 李雄飞, 惠腾飞

2023 (2): 103-116. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0025

摘要 ( 172 )

PDF(7638KB) ( 134 )

火星是人类探索太阳系的下一个里程碑，由于地球和火星之间的距离非常遥远（最远距离约4亿千米，光行时约22min），为了最大限度地完成火星车和地球之间的高效通信，火星车和火星环绕器之间的器间原位中继通信技术就显得尤为重要。针对大椭圆轨道下器间通信信噪比低、信号参数变化快、全自主要求高及质量功耗约束极为严苛等难点，提出了一种UHF频段器间原位通信技术，主要包括超高灵敏度高动态自适应信号解调、高精度多普勒测量、基于CCSDS Proximity-1的协议一体化集成融合和面向火星复杂环境的高集成度高收发隔离产品工程化设计，实现了捕获灵敏度优于-141dBm、解调灵敏度（1kbit/s）优于-134dBm、频率动态范围优于±26kHz、多普勒测量精度优于10mHz、收发隔离大于180dB、弧段内全自主高可靠高吞吐率通信及基于架构统型的系统/单机极限优化，相关指标优于美国系列火星探测器中的“Electra”。经祝融号火星车和天问一号火星环绕器、ESA“Mars Express”火星轨道器在轨实际测试，测试数据符合预期，为中国首次火星探测的圆满成功做出了重要贡献。

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CSK调制信号的跟踪方法

严涛, 田野, 李天, 王国永, 王瑛, 周泉, 边朗

2023 (2): 117-127. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0026

摘要 ( 172 )

PDF(9105KB) ( 122 )

CSK调制信号能够满足GNSS厘米级高精度服务的高信息速率播发需求，正受到广泛关注。针对CSK调制信号只能用于播发数据，而不能用于提供测量观测量的问题，对CSK调制信号的跟踪方法进行了研究。通过权衡性能和实现复杂度，提出了两种跟踪方法，方法一跟踪精度高但实现复杂度高，方法二以损失跟踪精度为代价降低了实现复杂度。理论和仿真分析结果表明，所提方法一在CSK调制信号载噪比高于40dB-Hz时，可提供与BPSK信号相当的跟踪性能。方法二相比方法一所需相关器资源降低一半，性能损失约4dB。论文的研究成果可为CSK调制信号在GNSS高精度信号体制中的应用提供支持。

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一种基于链路状态的舱内环境自适应干扰消除算法

梁薇, 黎军, 李静玲, 崔涛, 魏佳圆, 张怡

2023 (2): 128-134. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0027

摘要 ( 109 )

PDF(2474KB) ( 109 )

针对舱内无线光传输系统多种干扰问题，比如多径损耗和突发干扰等，提出一种基于链路状态的自适应干扰消除技术，该方法分析舱内链路状态，完成链路状态估计，采用环境自适应的变遗忘因子RLS（recursive least squares）算法，针对不同链路状态采取差异化的干扰消除策略，以提高舱内通信质量。仿真结果表明：该算法在尽力避免增加算法复杂度的条件下，相对于传统固定遗忘因子算法，在平稳状态下优先保证传输的误码性能，在链路状态变化时具有更好的收敛性能，灵活适应了舱内多种传输情况。

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构架天线四面体桁架单元精度分析与多目标优化设计

吴迪, 陈金宝, 陈传志, 赵将, 马小飞

2023 (2): 135-143. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0028

摘要 ( 139 )

PDF(5190KB) ( 162 )

为了减小加工装配误差对天线桁架精度的影响，解决含随机变量的优化问题，综合考虑了杆件加工装配误差正态分布特性对精度的影响，通过最小势能原理求解得到了含杆件误差的构架天线桁架单元的平衡状态，采用蒙特卡洛方法对杆件误差变化对型面精度的影响开展了分析，得到杆件随机误差下的平均精度。为提高计算效率，建立了以杆件长度公差为设计变量、以桁架型面精度和加工成本为目标函数的代理模型，通过多目标遗传优化算法进行了公差优化设计，得到了代理模型误差小于8%的多组公差设计方案。其中平均精度最小达到了0.013mm，并且分析结果显示腹杆影响显著大于底杆。

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柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

尹旺, 王翔, 王为, 刘冬雨

2023 (2): 144-154. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0029

摘要 ( 156 )

PDF(9209KB) ( 127 )

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。

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非对称偏馈环形网状天线索网预张力设计方法

范叶森, 聂锐, 何柏岩, 杨癸庚

2023 (2): 155-164. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0030

摘要 ( 143 )

PDF(6165KB) ( 129 )

提出一种考虑桁架柔性变形对索网平衡态影响的非对称偏馈环形网状天线索网预张力设计方法。该方法将天线整体结构分为内部索网与外部桁架两部分，通过内部索网预张力与外部桁架变形间的不断迭代，寻找满足索网形状及张力要求的天线平衡态，以实现网状天线索网预张力优化配置的目的。相比于常规基于刚性桁架假设的预张力设计，该方法可充分计及环形桁架与柔性索网协调变形，获得高精度反射面，且该方法适用于非对称偏馈天线，可有效避免后期张力调试，节约人力物力。算例分析验证了在进行预张力设计时计及桁架柔性的必要性及方法的正确性和有效性。

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基于卫星云图的大区域云层预测方法

顾轶, 韩潮, 刘建勋, 刘升刚, 邢炜

2023 (2): 165-173. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0031

摘要 ( 185 )

PDF(6791KB) ( 286 )

云层覆盖是影响对地观测卫星成像的一个重要问题，如果遥感图像中云层比例太高，或者特定目标不可见，则遥感图像就会失效。对地观测卫星能够根据云层预测信息，在多个观测目标之间进行选择。面向对地观测卫星任务规划的应用，设计了大区域范围的短期云层预测方法，首先通过光流法获取云运动矢量，然后依据云运动矢量外推获得预测的云层图像，同时引入拉普拉斯算子刻画云层运动过程中的扩散现象，利用风云二号卫星的真实云图序列数据，通过神经网络的反向传播算法优化扩散因子，以提升云层预测的效果。通过对结果进行分析，引入的拉普拉斯算子方法能够提高云层预测的精度，80%分位数的云层覆盖率误差约为11.7%，该精度的云层预测可以用于指导对地观测卫星任务规划。

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Landsat 8地表温度产品验证与分析

李胜林, 刘波, 赵犇, 李大成, 王宇恒, 郭凤云

2023 (2): 174-182. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0032

摘要 ( 265 )

PDF(9850KB) ( 160 )

Landsat系列卫星热波段具有60~120m的空间分辨率，对各种环境监测起到了重要的作用。随着Landsat系列卫星在全球范围内地表温度（land surface temperature，LST）产品的发布，其验证工作也随之展开，然而对于长时间序列的精度验证工作仍然缺乏。以黑河流域中游为研究区，利用研究区内湿地站（SD）、戈壁站（GB）和大满超级站（CJZ）三个气象站的地面测量数据对2013-2016年清晰无云的31景Landsat 8地表温度产品进行了验证与分析，并将Landsat 8地表温度产品与广泛使用的普适性单通道算法（JMS）反演结果进行了对比。结果表明，Landsat 8地表温度产品与普适性单通道算法反演结果精度均较高，在各个站点处R2均优于0.949。基于所有站点分析，Landsat 8地表温度产品精度稍高于普适性单通道算法反演结果。

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