中国空间科学技术

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地月空间基础设施体系架构与发展设想

杨孟飞, 彭兢, 李炯卉, 倪彦硕, 朱舜杰, 杜颖, 徐宝碧, 黄晓峰, 张正峰

2024 (3): 1-14. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0034

摘要 ( 1510 )

PDF(7849KB) ( 1717 )

建设地月空间基础设施，为人类在地月空间的活动提供基础性、通用性的通信、导航、监测等服务，既可满足中国后续月球探测国家重大工程任务需求，同时可以加速推进地月空间航天产业发展，对于推动中国科技强国、航天强国建设具有重大的战略意义。在阐明地月空间基础设施概念、分析研判国内外发展现状的基础上，紧密围绕重大工程和航天产业持续性发展需求，提出地月空间基础设施体系架构设想，明确系统服务、系统组成、“云-域-端”网络体系以及内部和用户接口体系。最后以分阶段逐步建成技术先进、布局合理的地月空间基础设施，提供自主开放、安全可靠、长期连续稳定运行的通用化服务为目标，提出发展展望和发展建议，为中国地月空间基础设施发展建设规划提供参考。

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近月空间星座轨道设计方法

陈诗雨, 倪彦硕, 彭兢

2024 (3): 15-29. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0035

摘要 ( 1981 )

PDF(9757KB) ( 2282 )

结合未来月球探测任务对中继通信及月面导航的需求，提出一种近月空间星座轨道构型设计方法。首先梳理了中继通信、月面导航、建设及维护成本三个方面的星座设计指标，并应用层次分析法确定了各项指标的权重，给出综合评价指标；充分考虑近月空间轨道资源，分析各类轨道的性质，初步筛选适合部署星座的轨道类型；提出一种近月空间星座建设路线，分三个阶段逐步实现全月的100%四重覆盖；依次设计三个阶段的星座构型，对每个阶段，比较不同的构型方案，选择综合评价指标最优的构型方案。基于上述方法得到了近月空间星座建设方案：第一阶段部署2颗椭圆冻结轨道卫星，可为月球南极极区提供全时对地中继通信；第二阶段部署6颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L2晕轨道卫星，可为月球南极极区提供全时导航定位，并为全月面提供全时对地通信；第三阶段部署4颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L1晕轨道卫星、3颗远距离逆行轨道卫星，可为全月提供全时导航定位。对全月任一点，该星座的几何精度衰减因子小于5的时间至少占72%，可长时间为全月面提供高精度导航定位。相较于现有文献，该近月空间星座设计方法考虑的轨道类型更丰富，星座性能指标更全面，且创新性地提出了分阶段的近月空间星座建设方案。

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月面通信导航基础设施总体架构与关键技术研究

李炯卉, 王孖杰, 白帆, 顾征, 辛鹏飞, 贾敏, 赵洪博, 彭兢

2024 (3): 30-42. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0036

摘要 ( 451 )

PDF(6199KB) ( 587 )

月面通信导航基础设施是地月空间基础设施体系中重要的组成部分，为月面局部热点区域用户提供更加便捷的通信网络服务，同时可与近月导航星座相配合提供月面区域定位导航基准和一定的定位导航授时能力。面向当前重大工程和未来大规模月面活动的中长期战略发展，在分析总结国内外发展趋势的基础上，提出月面通信导航基础设施总体架构，包括月面通信导航网络架构以及月面与空间接口。在此基础上，分析了月面频率规划、电波模型、网络接入、高速传输、定位导航等核心问题的解决途径。最后，提出分步建设建议和技术发展路线图，为未来月球探测任务通信与导航系统规划和建设提供参考。

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地月云网：跨域融合一体的地月空间网络

乔梁, 李承昊, 王善澎, 李炯卉, 刘雷, 徐勇, 燕洪成, 孙哲蕾

2024 (3): 43-50. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0037

摘要 ( 350 )

PDF(5073KB) ( 407 )

为了更好地发挥地月空间基础设施对各类用户的服务效能、构建跨域融合一体的地月空间网络，提出了地月云网概念，各星座/设施之间及其内部通过无线链路连接成网，并通过一体化网络协议实现地月空间组网。地月空间组网运行将对传统深空探测任务带来颠覆性变革，可以实现全时段测控、高效数据回传、器间任务协同等。然而，地月云网具有高动态、大时延、强异构特点，这给地月空间组网带来了挑战。对地月空间网络发展与特点进行了分析，构建了适应地月空间特征及满足未来深空探测网络节点互联需求的地月云网协议栈，具有一体化、通用化、分层化、智能化、国际化的特点，并对其数据面和控制面设计进行了阐述。同时对未来地月云网协议发展进行了展望，提出了关键技术。

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地月空间天基时空基准的构建与传递

周会超, 郑晋军, 王海红, 毕少筠

2024 (3): 51-59. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0038

摘要 ( 431 )

PDF(6434KB) ( 620 )

地月空间正在逐渐成为人类太空探索活动的热点区域。高精度时间、空间基准的构建和传递是确保地月空间任务规划与实施的重要基础，既是地球时空基准的体系化拓展，也是提升地月空间时空信息保障水平的重要手段。随着GNSS系统的发展和稳定服务，地球区域时空基准设施相对完备。月球区域的导航系统与地球类似，国内外也提出了多种方案，但地月空间还包括地球、月球区域以外的区域，其时空基准实施的构建需要充分考虑空域大、动力学特殊等因素，在高效益实现时空信息服务的同时，将地球和月球的时空基准进行有机衔接。立足当前发展需求，开展了地月空间时空基准架构的设计，并针对地球、月球区域之外地月区域特点，研究并提出基于地月平动点的天基时空基准构建、溯源和传递方案，可支持实现地月空间时空基准信息服务，为地月空间时空基准的一体化构建与发展提供参考。

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平动点导航星座下的月面接收机自主完好性监测

鲁智威, 许承东, 黄国限, 石默然, 武明

2024 (3): 60-68. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0039

摘要 ( 238 )

PDF(5984KB) ( 221 )

为了减少月球探测复杂环境对导航的影响和提升平动点导航星座的可靠性，提出了一种基于多假设解分离的月面接收机自主完好性监测方法。该方法利用了地月空间引力不对称性，仅需3颗平动点卫星测量信息就可以实现月面用户级完好性监测。为使月球背面更多区域的可见星数达到完好性监测所需卫星数，增加L2点Halo轨道卫星数并采用多种群遗传算法优化Halo轨道振幅和初始相位。最后采用解分离算法验证了基于3颗卫星进行完好性监测的可行性。仿真表明，在2颗可见星条件下可实现故障检测，平面短周期轨道卫星故障更容易检测；在3颗可见星条件下可实现故障排除，故障偏差达到20σ~30σ（σ=1m）时，故障检测率和排除率开始上升到100%。首次分析了基于平动点导航星座的完好性监测可行性并提出了解决方法，该方法可应用于探月任务导航领域，为未来探月任务完好性监测算法和平动点导航星座设计提供了有益参考。

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基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法

同钊, 朱向鹏, 陈素芳, 徐连军, 蒙艳松

2024 (3): 69-79. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0040

摘要 ( 301 )

PDF(11532KB) ( 357 )

针对载人登月及无人月球探测后续任务中亟须突破的高精度实时自主导航需求，拥有GNSS自主导航能力具有重大意义，符合未来月球探测任务简便、低代价导航发展趋势。而将地球GNSS导航直接应用到地月空间导航场景所能提供的实时导航能力有限，无法满足高精度导航应用的需求。因此，提出了一种基于地球GNSS和导航增强星的地月空间导航方法，通过仅增加一颗月球空间导航节点，在播发导航信号的同时，分别建立与地球GNSS导航星座和月球用户之间的双向时间同步链路，将钟差与位置误差进行解耦，实现月球用户的高精度实时三维绝对导航。仿真结果表明，该方法能大幅提升月球用户的几何精度因子，可获得优于50m的实时定位精度，具有很强的实用性。

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面向地月空间开发的频率轨道国际规则与申报使用态势

孙茜, 刘慧梁, 王冀莲

2024 (3): 80-88. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0041

摘要 ( 247 )

PDF(3908KB) ( 351 )

地月空间频率轨道等战略资源的开发与利用已成为主要航天大国间角力的焦点，但以地球为中心的国际规则体系无法满足日益增长的地月空间频率轨道使用需求。国际政策法规的模糊性加剧了资源的竞争态势，造成航天器之间潜在的频率干扰风险，国际规则制定正处于非常关键的机遇期、窗口期。针对国际政策与地月空间开发需求不匹配的问题，对地月空间频率轨道资源申报与使用的国际规则现状进行了研究，给出国际电联、空间频率协调工作组等政府间或非政府间组织关于地月空间活动频率使用的现行规定。以美国阿尔忒弥斯探月计划为例，分析了典型探月系统实践过程中对国际频轨政策法规的合规情况。此外，详细分析了全球探月系统频率轨道资源的申报与使用特点及未来发展态势。最后，结合国际月球科研站与载人登月的建设目标，提出了现行规则下合规申报与高价值资源论证储备策略，以及与工程建设相匹配的资源国际合作建议。

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高开采价值小行星探测目标选择探讨

林亲, 王超, 姚伟

2024 (3): 89-97. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0042

摘要 ( 209 )

PDF(4600KB) ( 172 )

随着全球金属消费量不断攀升和地球能源日渐紧缺，开发利用小行星资源已成为有效解决矿产资源和能源储备问题的主要探索途径之一。首先根据小行星自身价值、开采利润和成本效益等，从众多小行星中筛选出高开采价值的目标范围；再综合分析轨道特性、尺寸大小和自转周期等约束因素对小行星探测可行性的影响，从技术限制角度筛选出未来几十年能实现开采的目标范围；最后，融合高开采价值和特定时间下低技术限制的初选目标，并从发射窗口、目标资源、成本效益和最小速度增量等方面对各目标进行更为详细的比对分析，优选出适合不同时间段探测任务的空间探测对象，从而为未来几十年高开采价值小行星探测目标选择提供参考。

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空间点目标神经形态学探测方法

王瑞琳, 王立, 贺盈波, 李林

2024 (3): 98-110. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0043

摘要 ( 144 )

PDF(11402KB) ( 98 )

随着在轨航天器面临越来越多的威胁，如何识别并评估这些威胁对航天器正常运行的影响已成为一个迫切需要解决的问题。目前，空间目标的探测和跟踪主要依赖于传统的基于帧的视觉传感器，但这类传感器在实时性和数据量等方面存在不足。与此同时，基于神经形态学的视觉传感器已在运动目标检测和跟踪领域获得广泛应用。由于其获取的事件流数据仅包含视场中变化部分的信息，且具有微秒级的时间分辨率，这使得目标检测和跟踪的速度能够达到微秒级，同时大幅降低了需要处理的数据量。正因为神经形态学视觉传感器的这些优势，它在空间应用领域已成为当前的研究焦点。基于此，提出了一种基于三层脉冲神经网络的空间点目标检测方法——空间点目标神经形态学探测方法，仅使用事件流数据实现对空间点目标的探测和跟踪。主要包括局部运动感知层/全局运动感知层以及输出层，采用分数阶漏积分点火神经元作为基础处理单元，并利用其自适应性抑制事件流数据中的热噪声。通过实际采集的空间点目标事件流数据和公开数据集中的事件流数据进行了验证。在实际采集的空间点目标事件流数据上，去噪滤波部分的事件去噪精度和事件信噪比分别能够达到0.414和-3.036，跟踪部分的总跟踪时长、总跟踪错误次数以及平均跟踪偏差分别达到了9.395s、100以及0.3797。试验结果表明，空间点目标神经形态学探测方法能够从复杂的事件流数据中检测出快速运动的单个或者多个空间目标，并且能够对检测出的空间点目标进行持续的跟踪。

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一种适应卫星姿态侧摆机动的混合轮系控制方法

雷拥军, 陆栋宁, 袁利, 陈超

2024 (3): 111-119. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0044

摘要 ( 193 )

PDF(3080KB) ( 267 )

针对高稳定度轮控大型卫星因动量轮力矩小而难以满足侧摆成像任务需求问题，开展了混合轮系配置方案及控制方法研究。首先，提出常规轮系配置卫星滚动轴方向串联大力矩飞轮的混合配置方案，并设计飞轮开环前馈与常规动量轮闭环反馈相结合的控制策略；其次，设计以容许角动量最大量为权重的飞轮组前馈力矩分配律和具有角动量反馈的飞轮力矩跟踪控制方法，实现飞轮力矩合理分配及其模型不确定性导致输出力矩偏差抑制；然后，设计估计器对星体内外扰动力矩进行估计与补偿，以确保卫星高稳定度性能实现；最后，给出在轨应用情况，验证所提出方案及方法的有效性。在轨应用表明，采用该控制方法，有效缩短了整星侧摆稳定时间达100s以上，且非机动期间姿态稳定度优于3.75 ×10^-5（°）/s。

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超低轨飞行器迎风面减阻构型优化研究

江一鹏, 崔玉福, 刘质加, 秦江

2024 (3): 120-126. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0045

摘要 ( 225 )

PDF(2289KB) ( 299 )

针对超低轨飞行器迎风面气动阻力过大的问题，在理论解求自由分子流气动阻力方法的基础上分析迎风面阻力的主要影响因素，计算不同长度下几种典型迎风面构型的气动阻力值并分析其变化原因。在此基础上设计迎风面构型的表达函数并引入智能算法对其迭代寻优。对构型存在的约束，引入罚函数机制以降低不可行解的适应度值。研究结果表明：此方法可获得最小阻力迎风面的近似最优解，在现有材料的约束下，相比锥形构型，优化方法最大减阻可达5%以上，并能有效增加飞行器头部容积；随迎风面高度上升，最小阻力构型从近台形逐渐向锥形转化。提出的构型优化方法，可为后续超低轨飞行器减阻构型设计提供参考。

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双光梳测距技术的空间应用与试验设计

周思宇, 顾营迎, 杨越棠, 施立恒, 马宇轩, 朱飞虎, 张运方, 吴冠豪

2024 (3): 127-135. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0046

摘要 ( 236 )

PDF(4447KB) ( 263 )

双光梳测距技术具有测量精度高、测速快、非模糊范围大和可现场溯源的优势，在航天工程中具有广阔的应用前景，如航天器交会对接、卫星编队飞行、大型展开机构定位等。在货运飞船与空间站交会对接的任务场景下，提出了一种双光梳高精度测距技术空间应用与试验方案，介绍了双光梳测距技术的基本原理，对试验系统进行了架构设计，实现在400m范围内对空间动态合作目标优于100μm测距精度、1kHz测量带宽。进一步针对测距系统的关键参数进行了设计与仿真，对系统的空间环境适应性进行了分析，结果表明测距系统最大可实现19.5m/s相对运动速度下的高精度测距，满足搭载任务场景需求，为下一步双光梳测距技术的在轨试验与航天工程化应用提供了技术参考。

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基于力密度的径向肋式索膜反射面天线形态设计

杜雪林, 张康, 张瑞翔, 刘安民, 夏杰, 张洪, 涂宇

2024 (3): 136-145. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0047

摘要 ( 96 )

PDF(8067KB) ( 78 )

针对空间索膜结构的初始形态设计问题，提出基于力密度方法和控制索网网格面积大小的方法来对边界拉索张力设计和索网形状设计的天线找形迭代策略。首先将薄膜反射面离散为三角形膜单元，得到膜单元的等效力密度，结合索网结构特点，得到索网和薄膜的静力平衡方程。保证索网所有内部索段的张力相等，同时通过控制网格面积大小实现边界索段张力设计。对前索网形状进行设计，根据前索网的抛物面方程，更新前索网自由节点坐标，进而重新调整竖向索张力，同时控制网格面积大小，通过优化迭代过程，实现天线的形态设计。通过径向肋式索膜反射面天线算例表明，该方法能够得到满足形状和张力分布的设计结果。

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Galileo导航电文认证服务性能测试分析

刘玮伦, 陈潇, 刘婷, 徐颖, 任明亮

2024 (3): 146-156. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0048

摘要 ( 128 )

PDF(6986KB) ( 112 )

近年来频发的全球卫星导航系统（GNSS）欺骗事件，引起了各国对GNSS信号欺骗防护的关注，导航电文认证（NMA）作为民用信号系统级的解决方案，对生成式欺骗攻击具有较好的防护效果。伽利略（Galileo）卫星导航系统在2016年首次提出导航电文认证方案，并于2021年正式发布了公开服务导航电文认证（OSNMA）测试信号。针对OSNMA服务的性能测试，首先对Galileo导航电文认证技术和终端的认证流程进行了阐述，然后利用GNSS接收机开展了关键性能指标的技术试验与仿真。结果表明，OSNMA服务各项指标符合预期，其交叉认证的选星策略具有一定的参考性。研究成果可为中国北斗导航系统（BDS）未来电文认证服务的设计提供支持。

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基于非线性各向异性滤波的图像特征匹配算法

李华, 杨杨, 陈雨杰

2024 (3): 157-166. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0049

摘要 ( 85 )

PDF(8475KB) ( 59 )

图像特征匹配是增强现实系统中的关键技术，匹配精度是提升特征匹配性能的关键。提出了一种多尺度特征匹配加强算法（I-AKAZE），通过对非线性各向异性滤波过程中传导函数的改进，减缓图像梯度值大的区域非线性扩散速度，极大程度地保留了匹配图像的边缘特征；同时，结合改进的非线性量化加速稳健特征描述符（NLG-SURF），提高了描述符的识别率。实验结果表明I-AKAZE算法在Mikolajczyk数据集上的可重复性得分相比目前先进的AKAZE算法有着大幅度提升，对应的特征描述符的平均识别率提升8.4%，并且运行速度比经典的SIFT算法快约19%，算法整体在检测和描述阶段上的性能都有提升。

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GEO轨道太阳帆热致干扰力矩分析

王杰, 余晔, 张涛

2024 (3): 167-173. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0050

摘要 ( 125 )

PDF(5035KB) ( 137 )

太阳帆由轻质伸展臂张拉大面积柔性薄膜结构组成。当太阳帆经历空间高低温环境时，温度场突变以及材料热膨胀系数的不一致将激起伸展臂的变形和振动，对太阳帆的姿态产生干扰力矩，影响控制系统的稳定性。提出了太阳帆热致干扰力矩分析方法，以豆荚杆式伸展臂支撑的太阳帆为仿真对象，建立了热结构分析模型，分析了太阳帆在进出地影时结构的瞬态温度场分布，进一步计算了突变温度场下结构的动态响应，最后获取了热致动力学响应对中心星体的干扰力矩。数值仿真结果表明，热致变形和进出地影时伸展臂的热致振动将会对太阳帆中心星体造成不可忽视的干扰，干扰力矩幅值达10^-3N·m。提出的方法可对太阳帆在轨热扰动响应进行精确预示，对工程设计具有理论指导意义。

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一种高精度星载磁强计系统级标定方法

孟立飞, 徐超群, 肖琦, 刘超波, 耿晓磊, 陈德祥, 易忠, 张铁龙

2024 (3): 174-179. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0051

摘要 ( 159 )

PDF(1770KB) ( 132 )

星载三轴磁强计经常被用于卫星在轨的姿态确认与修正，为提高其在轨磁场测量精度，提出了一种高精度的星载磁强计系统级标定方法。首先，引入了光学棱镜基准，完成了参照磁强计磁轴的正交性自校准。随后，利用二乘法完成了三轴零磁环境模拟系统线圈系数校准，再利用参照磁强计完成了三轴零磁环境模拟系统磁轴正交性标定，从而获得高精度的空间磁环境地面模拟系统。最后，利用三轴零磁环境模拟系统与卫星正交性对应关系，完成了星载磁强计的标定。试验结果表明：经过标定后，三轴零磁环境模拟系统非正交度优于0.01°，星载磁强计标定误差优于10nT，为星载磁强计系统地面标定试验验证提供了新途径。

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