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2024年, 第44卷, 第5期　刊出日期：2024-10-25 上一期    下一期

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嫦娥六号探测器和鹊桥二号中继星专题I

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月球背面无人自动采样返回任务分析与要点设计 盛瑞卿, 孟占峰, 赵洋, 谭志云, 张弘, 黄昊, 张伍 2024 (5):  1-14.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0069 摘要 ( 630 )   PDF(17095KB) ( 491 )   嫦娥六号任务是实现人类首次月球背面采样返回的任务。针对月球背面整体地形崎岖、可选平坦采样区少的特点，通过开展采样区选址分析，选取了南极艾特肯盆地阿波罗坑内的主、备两块着陆区，确保月背安全可靠着陆、起飞和月面工作；针对嫦娥六号在产品技术状态基本确定情况下实现新的任务目标，需要开展系统方案优化设计，减少系统的改动量，规避过多技术状态更改带来的工程实现风险，通过开展方案比较确定了逆行环月轨道飞行方案，在保证实现任务目标的前提下实现了系统更少的更改；针对嫦娥六号中继测控时长相对嫦娥五号减少且不连续的特点，提出了分阶段、多自主、中继联合协同的月面工作时序设计方案，确保着陆、起飞和月面工作可靠、高效实施；针对载荷搭载需求，提出了以数据处理单元作为核心的系统设计方案，确保系统信息接口、电气接口的安全性，并对不同载荷设计了定制式探测模式，在保证不影响主任务完成的前提下，实现探测收益的最大化。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用，确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功，并可为后续月球及深空探测任务提供有益的参考。 相关文章 | 计量指标

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嫦娥六号环月飞行双环容错姿态控制 张洪华, 关轶峰, 李骥, 于洁, 陈尧, 王志文, 张晓文, 张录晨, 李林峰, 孙国健, 王振华, 郭敏文, 李晓锋, 高锡珍 2024 (5):  15-22.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0070 摘要 ( 377 )   PDF(4634KB) ( 296 )   嫦娥六号着陆器和上升器组合体（着上组合体）环月飞行阶段，利用安装于上升器的10N发动机（可形成力偶控制方式）和安装于着陆器的150N发动机进行姿态控制。根据发动机安装布局，当力偶控制方式下某10N发动机常关故障、其配对使用的10N发动机正常工作时，推进系统将产生与期望相反的控制力矩，导致姿态发散。为了保证在10N发动机故障情况下着上组合体姿态稳定，给出了双环容错姿态控制策略，包括10N发动机内环控制和150N发动机外环控制。数学仿真结果表明，着上组合体环月飞行阶段双环容错姿态控制下，10N发动机故障后，着上组合体姿态可以稳定在给定范围内。针对配置力偶姿控发动机和冗余发动机的探测器，采用双环容错姿态控制策略，可以有效应对力偶姿控发动机故障影响，保证探测器姿态稳定。 相关文章 | 计量指标

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System design and validation of Queqiao-2 lunar relay communication satellite ZHANG Lihua, XIONG Liang, SUN Ji, CHEN Luojing, XIAO Chuan, ZHOU Wenyan, WANG Yong, LIU Wangwang, GUAN Yifeng, CHEN Tao, YU Xiaochuan, XU Jin, CHEN Guohui, CAO Xiaoping 2024 (5):  23-39.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0071 摘要 ( 629 )   PDF(8335KB) ( 645 )   In order to provide relay communication supports for future Chinese lunar exploration program，Queqiao-2 relay communication satellite was developed.Queqiao-2 can perform scientific observations with three kinds of scientific instruments on board.The system design of Queqiao-2，including mission orbit and transfer orbit design，configuration and layout design，housekeeping and information flow design，power supply and distribution design，GNC and propulsion system design，communication links design，etc.，was accomplished through comprehensive tradeoff and evaluation on technical maturity，availability，schedule，cost，and so on.With a view to reducing development risk，both the platform and relay communication payloads were developed based on significant heritage from previous Queqiao relay satellite and other relevant spacecraft.Queqiao-2 features flexible system architecture to support multiple frequencies，modulations，data rates and software reconfigurations to meet new user requirements.Subsequent to a successful launch on March 20，2024，by means of 5 orbit maneuvers，Queqiao-2 was inserted into a highly elliptical frozen mission orbit around the moon with a 24h period on schedule.Following on-orbit tests and calibrations，Queqiao-2 has possessed the capacity to provide reliable relay communication services to multiple lunar exploration missions，as well as the capacity to perform scientific observations.Under the support of Queqiao-2，Chang′e-6 achieved its ambitious mission goal to collect  and return samples from the moon′s mysterious far side.In the meanwhile，Queqiao-2 has also paved the way for the following Chinese lunar exploration missions including Chang′e-7 and Chang′e-8.The design life time of Queqiao-2 is more than 8 years.Benefit from flexibility and extensibility of relay communication system design，it is convenient to provide relay communication services for future lunar exploration missions of both China and other countries.In addition，innovative scientific observations would be performed during the period that no relay communication task is arranged.The system design of Queqiao-2 reflects the development philosophy of technical innovations and inheritance integration.Based on highly flexible and extensible system architecture，multiple and concurrent relay communication mission requirements can be met.It can provide strong supports for future lunar exploration missions.Successful launching，orbit entering and on-orbit tests of Queqiao-2 verified the correct design principle and versatility.By means of Queqiao-2，more innovative scientific outcomes are anticipated and lunar exploration activities can be facilitated. 相关文章 | 计量指标

综述

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空间热光伏发电技术进展与展望 邱家稳, 田岱, 韩承志, 张冉, 苏生, 马彬, 汤亮亮, 邵剑雄, 朱安文 2024 (5):  40-56.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0072 摘要 ( 381 )   PDF(4668KB) ( 287 )   空间同位素电源是通过热电转换技术将衰变热能转换为电能的空间电源装置，广泛应用于深空探测任务中太阳能电池无法使用的任务场景，其热电转换方式包括温差、热光伏等静态转换方式以及斯特林、布雷顿等动态转换方式。空间同位素电源普遍使用钚238核源，其制备生产困难，价格高昂，在全球范围内产能受限，同时，长周期的深空探测任务对同位素电源寿命也提出较高要求，因此热电转换效率高、易于实现长寿命的空间热光伏发电技术成为开展深空探测任务的优选技术路线。近年来，近场热光伏、基于光谱调控的热光伏技术是研究重点，结构热控、辐射器、滤光器、电池晶元等关键器件的理论研究与技术验证也取得了显著的进展。对热光伏空间同位素电源技术方案、关键器件研究情况进行了综述，从电源系统总体设计的角度对各器件的发展现状与未来技术的发展重点方向进行了研判，可为进一步推动热光伏同位素电源系统的工程化研制提供参考。 相关文章 | 计量指标

论文

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基于钎焊工艺的环路热管耦合系统设计及验证 孟恒辉, 徐亚威, 韩东阳, 刘鑫, 耿利寅, 张庆君, 刘立平, 张红星, 王玉莹 2024 (5):  57-65.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0073 摘要 ( 151 )   PDF(5382KB) ( 89 )   随着航天技术的发展，航天器的功能集成度提升，对系统散热要求越来越高。环路热管作为一种两相态高效传热部件，具备远距离、逆重力、布局灵活等特点，常应用于单一热源下的定向热量传输；对于多点热源的复杂环境，环路热管系统稳定性差，一般很难适应。针对复杂空间热流下多点分散热源的散热需求，设计了一种基于钎焊工艺的环路热管强耦合热管理系统，对关键耦合参数进行了敏感性分析，并开展了相关试验，验证了界面低热阻、强耦合等关键技术的可行性，提升平台散热能力达52%。环路热管实现了在陆地探测四号01星载荷舱上的应用，为国际首次在平台系统的大规模应用，载荷舱散热能力由4kW提升到6kW，为大功率固态放大器提供0~20℃在轨温度环境。环路热管突破了在平台应用的约束限制，为后续环路热管的热耦合系统设计提供借鉴。 相关文章 | 计量指标

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微流控氧化硅纳米流体强化流动沸腾传热 陈洪强, 高权, 马祥, 张永海, 魏进家 2024 (5):  66-74.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0074 摘要 ( 122 )   PDF(8788KB) ( 63 )   利用纳米流体增强微通道流动沸腾传热是提高高功率电子设备传热性能的有效方法。然而，传统的纳米流体面临制造过程复杂、稳定性差以及无法控制纳米颗粒尺寸的挑战，对整体传热效率产生负面的影响。开发了一种简单的微流控合成策略，能够以连续、高效和高通量的方式制备高度稳定且尺寸可控的二氧化硅纳米流体。特别设计的螺旋微通道反应器仅需通过流速调节，便可实现连续流一步法合成具有30~110nm可控粒径的稳定纳米流体。流动沸腾传热实验结果表明，在较高的流速下（0.4m/s），较小尺寸的纳米颗粒（≤55nm）的传热性能优于较大尺寸（110nm）的纳米颗粒，对于临界热通量（CHF）和传热系数（HTC）的增强分别达到90.9%和68%。沸腾表面润湿性的提高、表面高效成核以及改善的汽泡动力学特性为传热性能的强化提供了理论解释。这些发现不仅为纳米流体的可控制备提供了新方法，还为航空航天、电力电子等功率器件的高效两相芯片冷却提供了新思路。 相关文章 | 计量指标

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回合制轨道博弈中MCTS算法的改进与应用 郑鑫宇, 张轶, 周杰, 唐佩佳, 彭升人, 党朝辉 2024 (5):  75-82.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0075 摘要 ( 145 )   PDF(3370KB) ( 112 )   航天器回合制追逃博弈中的变轨感知延迟使得微分对策法求解困难，基于深度强化学习的博弈算法可解释性弱，在工程上的运用仍存在风险。针对航天器回合制追逃博弈问题，提出了一种预测价值积累的蒙特卡洛树搜索（PVA-MCTS）算法。该算法基于航天器轨道运动的可预知性，对博弈过程中的决策价值进行预测并积累，解决了航天器回合制追逃博弈奖励稀疏、时间跨度大的问题，采用的自适应扩展方法提升了学习效率。将其用于求解航天器回合制追逃博弈问题，并与蒙特卡洛树搜索（MCTS）算法求解得到的结果对比，结果表明PVA-MCTS算法对追踪航天器和逃逸航天器分别有约27.6%的追捕用时缩短和约6.8%的逃逸时间延长。该算法的提出可加快推进后续轨道博弈技术在非合作目标接近、碰撞规避等领域应用的落实落地。 相关文章 | 计量指标

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基于可达域分析的空间非合作围捕构型设计 李瑞峰, 孙冲, 王政, 方群, 张翔 2024 (5):  83-94.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0076 摘要 ( 170 )   PDF(4695KB) ( 194 )   多个低成本航天器协同围捕空间高价值非合作目标是轨道博弈的典型场景。在考虑目标自主机动情况下，如何快速设计围捕构型以可靠高效地实现在轨围捕是目前尚未解决的关键问题。提出一种基于可达域分析的航天器集群围捕构型设计方法。首先，建立围捕任务动力学模型，描述了集群围捕任务的条件，提出了基于连续推力机动可达域分析方法的多航天器协同围捕非合作目标的准则。进一步，采用最优控制理论求解航天器机动可达域，开展了可达域特性分析，提出了集群航天器协同可达域的半解析解。最后，提出一种4个航天器协同围捕构型设计方法。仿真结果验证了围捕构型设计方法的有效性，并与传统单航天器连续推力可达域求解方法对比，证明了可达域求解方法的可行性。 相关文章 | 计量指标

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考虑太阳光压的小天体附近自然绕飞轨道研究 郎安琪, 秦子浩, 谭立国 2024 (5):  95-106.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0077 摘要 ( 84 )   PDF(11178KB) ( 79 )   在小天体附近是否存在探测器的长寿命自然绕飞轨道是近小天体段轨道设计中的重要问题。针对不规则小天体附近复杂动力学环境，综合考虑不规则引力摄动J2、J3、J4项，太阳光压摄动和可能存在的星蚀情况，基于平均动力学和冻结轨道求解方法发展了一种能够快速确定小行星附近长寿命自然绕飞轨道的类型和存在区域（轨道根数存在范围）的半解析方法。分析了考虑光压摄动、星蚀以及小行星-探测器系统参数变化对这些轨道存在区域的影响。搜索了潜在威胁小行星99942 Apophis附近可能存在的自然绕飞轨道，发现了两类长寿命轨道族：存在域小且对参数不确定性更敏感的向日轨道族和半长轴跨度范围较大且稳定性更好的晨昏线轨道族。研究结果表明太阳光压对不规则小天体附近长寿命绕飞轨道的存在情况影响显著。考虑光压摄动后，长寿命轨道存在域显著减小。随着光压摄动的增强，向日轨道偏心率增大，而晨昏线轨道偏心率减小，两类轨道的半长轴覆盖范围均减小。 相关文章 | 计量指标

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火星样品返回任务中样品捕获定向概念与验证 刘志, 高金忠, 于茂华, 王治易, 杨文淼, 韩天, 刘洲, 苑会领 2024 (5):  107-114.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0079 摘要 ( 135 )   PDF(9961KB) ( 161 )   针对火星样品返回任务中样品捕获回收概念，提出了一种样品捕获定向系统架构，以实现火星轨道样品容器的在轨捕获、姿态定向，并将样品容器转移到封装桶内。该方案使用捕获盖进行样品容器的捕获；4个扇面形成可收缩的捕获空间，用于约束定位样品容器；扇面上的传送带与样品容器接触，利用摩擦力与突出挡条带动样品容器运动，传送带相互协同传动用于实现样品容器姿态回正，并转移到封装桶内。为了准确实现样品定向与直线转移，基于扇面转角测量信号制定了扇面与传送带的协调动作策略。设计和研制了样品捕获定向机构样机，测试验证了样品捕获、定向和转移功能。该机构具有质量小（＜12kg）、定向与转移功能集成度高、样品容器姿态回正适应性强、转移可靠性高等特点，可应用于火星样品返回任务。 相关文章 | 计量指标

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可见红外一体化敏捷小卫星微振动抑制方法 阎梅芝, 魏建光, 赵志明, 果琳丽, 黄伟, 常新亚, 刘朋, 刘涌, 冯振伟 2024 (5):  115-126.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0080 摘要 ( 161 )   PDF(11334KB) ( 356 )   随着光学遥感小卫星高分辨率、高集成度、高敏捷等需求提升，部分卫星同时配置可见红外一体化相机与控制力矩陀螺（control moment gyroscope，CMG），兼顾轻小型化与全天时、多目标、多模式成像要求。针对此类卫星存在CMG、红外相机制冷机等多个扰振源，且对于相机成像质量影响大、抑制难等挑战，对基于上述扰振源的微振动综合抑制方法进行了研究，包括设计、安装CMG隔振器、将红外相机制冷机压缩机与相机光机主体隔振安装，设计、安装阻尼桁架实现相机主体与卫星平台舱结构之间的隔振等。通过综合应用上述扰源减振、终端隔离等措施，经分析计算与整星微振动及在轨实际测试与验证，能够有效降低微振动对图像质量的影响，即使对于可见红外一体化相机，分辨率为亚米级的可见光通道在轨动态调制传递函数（modulation transfer function，MTF）也能够达到0.1，微振动对可见相机MTF的影响因子可控制到0.991。 相关文章 | 计量指标

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基于改进Sage-Husa的GNSS/SINS组合导航系统自适应UKF算法 荆蕾, 林雪原, 潘新龙, 乔玉新 2024 (5):  127-135.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0081 摘要 ( 83 )   PDF(6187KB) ( 65 )   GNSS/SINS组合导航系统的无迹卡尔曼滤波器（UKF）是以准确的测量噪声统计特性为基础的，当测量噪声统计特性发生变化时，如不对其进行准确的估计，将会导致UKF的滤波性能下降甚至发散。为了解决上述问题，提出了一种基于改进Sage-Husa的GNSS/SINS组合导航系统自适应UKF算法（ISHUKF）。首先，建立了GNSS/SINS非线性组合导航系统的简化UKF模型；然后，在分析组合导航系统中常规Sage-Husa算法存在滤波发散原因的基础上，提出了一种改进的Sage-Husa算法以保证测量噪声估计方差的正定性；最后，进行了GNSS/SINS组合导航系统的仿真实验。实验结果表明，相对于变分贝叶斯算法，ISHUKF对测量噪声方差的估计精度与其大致相同，并且算法更加简单；相对于标准UKF算法，在整个仿真时段内可提高组合导航系统的位置精度、速度精度和姿态精度分别约33%、35%和72%，进而验证了算法的可行性及优越性，并为复杂环境下组合导航系统的滤波方法提供了一种简易的方法。 相关文章 | 计量指标

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基于海上多目标的视频卫星稳像方法 李睿瑄, 李峰, 辛蕾, 鲁啸天, 刘锋 2024 (5):  136-146.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0078 摘要 ( 89 )   PDF(3851KB) ( 102 )   视频卫星稳像是实现卫星视频高精度应用的前提和基础。由于卫星姿态指向精度不足以及平台姿态稳定度不足等原因，通常需要引入基于图像配准的稳像技术以实现视频凝视的效果；然而在观测海上目标时，由于没有控制点标校，帧间无法开展基于特征点的配准，所以天基凝视视频相机在观测时经常会出现目标在像面上反复跳变的问题。提出一种基于海上多目标舰船检测的全局前景视频稳像GFVS（global foreground video stabilization）方法，构建高斯误差模型，通过优化后位置和原始位置的偏差修正像面错位，最后进行稳像视频合成。实验结果表明，该方法能够有效解决海上控制点不足时抖动图像难以配准的问题，得到更加稳定的凝视视频效果，应用吉林一号卫星星座采集的两组卫星数据进行验证实验，最终稳像的误差能够控制在0.9个像素以内。 相关文章 | 计量指标

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国产C波段SAR卫星绝对辐射定标精度验证 邓明军, 陈志远, 张过, 刘宁, 杨银 2024 (5):  147-154.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0082 摘要 ( 116 )   PDF(5198KB) ( 127 )   SAR图像测量地球物理参数，实现定量遥感应用，对辐射定标精度有严格要求，因此需要对SAR卫星进行辐射定标精度验证。通过雷达方程推算出雷达散射截面积、定标常数与图像DN值三者之间的关系，并利用宁夏中卫定标场有源定标器及其SAR图像做定标验证实验。实验结果表明，高分三号02星数据绝对辐射定标精度较高，其中积分法辐射定标精度为0.65dB，而峰值法定标精度为0.57dB；海丝1号卫星数据辐射定标精度为1~2dB，计算定标常数时保持相同波位可有效提高定标常数的稳定性。 相关文章 | 计量指标

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返回式航天器动态等离子体低频电磁波信道特性研究 孙斌, 黄才, 龙吟, 丁凯, 刁伟鹤, 张慧雯 2024 (5):  155-165.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0083 摘要 ( 79 )   PDF(6954KB) ( 87 )   考虑低频电磁波在等离子体鞘套下强穿透能力，低频法被认为是一种缓解黑障影响的可行方法。现有研究建立了低频电磁波在稳态等离子体鞘套下衰减模型，但是忽略了动态等离子体信道对信号的影响，缺乏对该信道特性的深入认识。因此，对动态等离子体低频电磁波信道特性开展研究，以动态等离子体信道响应为基础，结合有色高斯分布时变电子密度模型，建立了动态等离子体信道统计模型，获得了该信道一阶统计特性，幅度概率密度函数Pr（r）为幂函数-高斯函数结合分布，相移概率密度函数Pφ（φ）为正切函数-高斯函数结合分布，功率谱密度函数SHi（ω）为有色噪声分布。为验证该信道统计模型有效性， 开展多种状态的数值仿真（电子密度1018~1019/m3，碰撞频率1 ~ 5GHz，低频电磁波频率1~30MHz），仿真结果与理论结果高度吻合。随着电子密度从1018/m3增大至1019/m3，幅度、相移随机波动程度增强，Pr（r）均值μr从1.33增大至34.04，标准差σr从0.13增大至14.34；Pφ（φ）均值μφ从0.58增大至5.81，标准差σφ从0.11增大至1.19，功率谱发生衰减和展宽现象。刻画的动态等离子体低频电磁波信道，对低频通信调制算法设计和性能评估具有重要意义。 相关文章 | 计量指标

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基于星间链路的全球短报文服务可用性分析 田露, 李骏平, 刘蕾 2024 (5):  166-174.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0084 摘要 ( 114 )   PDF(4802KB) ( 121 )   在北斗全球短报文的传输过程中，星间链路网络在其中起到重要的作用，在系统运行过程中或太空对抗中可能发生星座一个或多个节点故障，势必影响全球短报文系统的服务可用性。针对北斗短报文业务和星间链路的传输特性，设计了基于星间链路的全球短报文仿真分析方法，设计了20个不同的星座故障场景，对仿真数据进行整理，统计不同场景不同时间的短报文服务受损情况。结果表明，当短报文载荷故障卫星总数小于或等于2 时，对短报文服务区域几乎无影响，当短报文载荷卫星故障数在3~6时，服务区域损失在10%以内，说明在少量卫星故障下，仍能保持较高的服务可用性，基于星间链路的全球短报文系统具有较好的稳健性。 相关文章 | 计量指标

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结合空洞卷积与注意力机制的道路提取方法 余果, 李大成, 杨毅 2024 (5):  175-185.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2024.0085 摘要 ( 74 )   PDF(13243KB) ( 58 )   针对高分辨率影像中道路情况复杂，存在细小道路和被建筑、阴影等隔断道路，导致道路提取精度不高的问题，提出一种结合空洞卷积单元和并行注意力机制模块的改进模型AP-LinkNet。该模型是通过在下采样编码过程中扩大感受野和深层次关注道路特征以达到更高的细节道路提取精度。其中空洞卷积模块在扩大感受野的同时不改变空间上像素之间的关系，并行注意力机制提高输入影像采样过程中对通道和空间信息的关注度，并加权赋值给解码步骤的反卷积特征。结合两种机制的特点，减少复杂道路背景的噪声扰乱性以及提高道路提取模型的整体精度。与DeepLabV3+、U-Net、LinkNet和D-LinkNet模型做对比分析，AP-LinkNet模型在DeepGlobe数据集上道路提取的F1分数和IOU评价指标为80.69%和78.65%，其中F1分数分别高出对比模型11.71%、5.24%、3.97%和3.58%。结果表明模型精确度和鲁棒性更高，对于高分影像狭窄、被遮挡等复杂道路细节提取效果好。 相关文章 | 计量指标