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2021年, 第41卷, 第4期 刊出日期:2021-08-25 上一期   
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综述
连续小推力非开普勒悬浮轨道研究综述
潘晓, 徐明
2021 (4):  1-15.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0046
摘要 ( 136 )   PDF(4502KB) ( 175 )  
连续小推力非开普勒悬浮轨道在深空探测与地球极地观测任务中有着重要的应用前景。归纳了电推进、太阳帆推进等连续小推力技术的发展历程与现状;阐述了日心、行星悬浮轨道的动力学特性、稳定性、轨道保持策略;分析了三体问题下人工拉格朗日点的优势及其在深空探测方面的应用;讨论了悬浮轨道编队飞行的研究方法与控制策略。最后针对小推力悬浮轨道研究发展面临的难题,提出了研究新思路和应用新方向。
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模块化空间折展机构研究现状与展望
田大可, 高海明, 金路, 刘荣强, 马小鸥, 范小东, 郭振伟
2021 (4):  16-31.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0047
摘要 ( 132 )   PDF(19796KB) ( 388 )  
模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点,可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求,是一种新型关键的航天装备。针对应用需求,阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展,重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型,分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状,从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面,展望了模块化空间折展机构未来的发展方向,旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。
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论文
微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断
孙江宏, 孙素蓉, 王海兴, 马弢
2021 (4):  32-40.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0048
摘要 ( 40 )   PDF(6531KB) ( 34 )  
火星大气层的主要成分为二氧化碳,如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳,使其转化为氧气和一氧化碳加以利用,可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本,进一步提高生命保障能力。低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分,可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离,是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式。设计了一种尺度在亚毫米级、功率输入为数瓦的直流微槽等离子体反应器,可以在较低气体温度下实现二氧化碳分解。测量了反应器电流、功率等放电参数,采用发射光谱确定了体系中激发态组分,分析了激发态粒子谱线强度随输入电压、稀释气体比例等反应器工作参数变化,利用氮气分子振转谱带测量了等离子体放电区振动温度和气体温度。研究表明,添加氩、氦、氮气均可以增强二氧化碳的分解,添加氦气可以促进二氧化碳的电离过程。稀释气体激发态因具有高能量,可以通过潘宁解离通道增强二氧化碳分解。氦组分激发态的能量高于二氧化碳电离能,可以促进二氧化碳的电离反应。微等离子体内存在强烈的振动平动非平衡现象:振动温度约为4400~4800K,而气体温度仅为450 ~600K,表明可以通过合理的放电和结构设计,定向将能量注入到振动态,从而进一步促进二氧化碳的振动解离。
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LIPS-200离子推力器非预期电击穿特性的初步分析
张雪儿, 张天平, 李得天, 孟伟
2021 (4):  41-48.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0049
摘要 ( 179 )   PDF(3821KB) ( 181 )  
离子推力器的非预期电击穿现象直接影响其工程应用的工作可靠性,基于地面寿命试验中比较完整的非预期电击穿事件基础数据,采用基础数据对比分析、威布尔模型统计分析、因果关联推断与分析等方法,对LIPS200离子推力器在地面12000h寿命试验中的非预期电击穿现象进行了初步研究,获得了平均击穿频次、击穿事件的时间分布、分类统计击穿周期的威布尔分布等量化结果。分析表明,地面试验中LIPS200平均击穿频次明显低于NSTAR等产品的主要原因是LIPS200具有较低的栅间电场强度;其击穿事件具有明显的累计工作时间分布特性;采用双参数威布尔统计分析方法可以得到不同影响因素及机理下的击穿特征周期和击穿频次变化趋势。
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卫星多源信息贝叶斯融合方法研究
许迎春, 赵淑敏, 崇玉海, 陈乃松, 周倩, 周涛
2021 (4):  49-58.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0050
摘要 ( 66 )   PDF(3788KB) ( 63 )  
卫星在研制设计过程中存在大量不确定性因素,对卫星的可靠性及性能造成直接影响。如何实现复杂卫星系统的不确定性建模是目前亟需解决的问题,而多源分布信息融合是不确定性建模的关键。此外,在实际系统中,由于时间、成本的约束很难直接获得系统的分布信息。针对在系统信息缺失情况下如何实现卫星系统的多源信息融合问题,提出多层系统结构模块化与系统信息合成的方法。通过系统结构的分解,将已知的低层级信息与高层级信息进行融合,进而采用诱导推断的方式使得系统节点从“无信息”至“有信息”。通过某卫星姿态控制系统算例分析得到,提出的方法能充分利用系统结构关系,有效融合并更新各个组件、子系统的分布信息,解决了系统信息缺失的问题,为进一步开展卫星系统不确定性设计优化提供参考。
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时间与燃料约束的参数自主寻优变轨滑模控制
张晗, 康国华, 张琪, 魏建宇, 戴涧峰
2021 (4):  59-68.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0051
摘要 ( 58 )   PDF(3928KB) ( 46 )  
航天器相对运动轨控采用滑模控制具有较好的抗扰能力,但参数设置复杂。为贴近工程实际,引入燃料最优约束和寻优算法,提出一种综合考虑时间、燃耗以及误差的参数自主寻优滑模控制。首先,基于线性相对运动方程与指数趋近的滑模控制,建立相对运动滑模控制器模型,并由能量最优的轨迹规划器给出收敛约束时间,实现高效机动;然后,分析滑模控制器中可调参数与时间、误差的约束条件,制定了参数量级寻优规则;最后,通过惯性权值改进的粒子群算法,将误差允许范围内的最少燃料消耗作为寻优评价标准,输出最优量级与系数组合的控制参数,实现滑模的最优控制。仿真表明,使用粒子寻优器得到的参数组合,可使滑模偏差控制器在规定时间内通过最小燃料消耗令位置与速度误差稳定收敛,增加航天器在轨寿命。
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充液航天器质量特性计算方法研究
李青, 黄俊, 缪远明, 于杭
2021 (4):  69-76.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0052
摘要 ( 59 )   PDF(7653KB) ( 22 )  
充液航天器的质量特性对飞行动力学建模和控制设计有着重要影响。质量特性测量装置通常只能测出干重状态下航天器的质量特性,而充液状态下的航天器质量特性只能靠计算给出,其中如何计及各贮箱内液体的惯性张量是此类工程计算的难点。首先采用势流理论推导了任意形状贮箱内液体质量特性的一般表达式,包括全充液情况和部分充液情况,其中对部分充液情况考虑了自由液面小幅晃动的影响;然后采用三维有限元方法建立了液体质量特性的数值计算方法,并通过一个验证算例确认了该计算方法的有效性;最后应用该方法计算了一个充液航天器的质量特性,并研究了不同的液体处理方法对计算结果的影响。研究表明,工程上通常采用的“固化液体”处理方法所计算出来的转动惯量明显偏大,而所提出的计算方法具有更好的理论正确性和工程适用性。
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一种多传感器组合导航系统的改进异步融合算法
刘丽丽, 林雪原, 陈祥光
2021 (4):  77-84.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0053
摘要 ( 60 )   PDF(3940KB) ( 43 )  
针对多传感器组合导航系统中各子导航传感器数据采样率不同且呈有理数倍的这一特殊问题,提出了一种组合导航系统的信息融合算法。首先将多传感器组合导航系统的原始状态方程变换成状态数据块向量与当前状态向量之间的关系,进而构成新的状态方程,而原始量测方程表达为与状态数据块向量之间的关系,进而构成新的量测方程。然后基于具有尺度与小波特性的矩阵算子,给出了改进异步融合算法的具体实现步骤。最后将该算法应用于CNS/GNSS/SINS/高度表多传感器组合导航系统。仿真结果表明,相对于传统算法,位置、速度和姿态精度可分别提高约20%、15%和10%,验证了本算法的高精度特性和可行性。
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多等级区域侦察弹性星座设计方法
王浩, 张占月, 张海涛, 姜平
2021 (4):  85-94.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0054
摘要 ( 216 )   PDF(4923KB) ( 118 )  
针对传统侦察星座目标单一、弹性低的问题,提出了多等级区域侦察弹性星座的设计方法。该方法将星座设计过程按区域等级信息分为多个子星座逐步设计,直到整体星座对所有的区域性能满足设计要求。以区域被划分为3个等级为例,首先对星座设计需求、设计指标及设计步骤进行了分析。其次推导了地面最低分辨率和轨道高度的关系并确定了不同子星座的轨道高度。最后考虑轨道倾角、一箭多星发射、光照和升交点漂移同步约束,构建基础星座、子星座1和子星座2的优化模型。最终设计星座为3层混合星座,共8个轨道面和70颗卫星,星座对各等级区域的最大重访时间分别为10937s,12241s和17437s,弹性指数为2213%,2420%和6361%。结果表明该方法设计的星座可实现对区域覆盖和弹性分级的设计要求,证明了方法的有效性。对比Walker星座设计方法,在同等设计要求下,Walker星座所需卫星数为156颗,多等级区域侦察弹性星座所需卫星数远低于Walker星座,结果进一步证明了该星座设计方法的优越性。
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考虑燃料消耗均衡性的低轨通信星座在轨星座构型重构方法研究
李玖阳, 胡敏, 王许煜, 李菲菲, 徐家辉
2021 (4):  95-101.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0055
摘要 ( 118 )   PDF(6406KB) ( 65 )  
针对低轨(low earth orbit,LEO)通信星座在轨重构问题,分析了低轨通信星座的特点,提出了4个重构指标,即全球平均覆盖率、燃料消耗均衡性、重构总时间和重构总速度增量,并分析了提高轨道高度的重构方式。采用基于分解的多目标进化算法(multiobjective evolutionary algorithm based on decomposition,MOEA/D)对重构进行建模分析。结果表明,模型优化结果可以得出多组最优解,构成帕累托前沿,并得出燃料消耗均衡性最优的解,针对两种失效模式得出的重构总时间均为3.6×105s,速度增量方差分别为261.4m2/s2和293.4m2/s2,这些解均可恢复星座原有的覆盖性能,并使燃料消耗最为均衡。
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超静空间科学卫星分离式主动隔振技术
杨鸿杰, 刘磊, 李新国
2021 (4):  102-110.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0056
摘要 ( 37 )   PDF(4563KB) ( 24 )  
针对量子科学实验、时频传递实验等项目研发的先进载荷对微振动频谱积分的特殊指标需求,研究一种分离式主动隔振技术。分离式隔振技术将卫星划分为载荷模块和服务模块,考虑两模块之间柔性连接线缆和限位弹簧,首先建立两模块的动力学模型。随后,设计基于加速度反馈的六自由度隔振控制器,考虑执行机构控制和驱动电路的电气噪音,在时域和频域仿真分析载荷模块对服务模块的振动隔离性能。仿真结果表明,主动隔振后载荷模块三轴加速度功率谱密度在05~200Hz内积分值小于2 μgn。最后,分析主动隔振控制器参数对载荷模块加速度功率谱积分指标的影响。分离式主动隔振可为我国超静科学卫星的振动隔离提供一种技术途径。
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一种航天器星上时间获取方法
兰天, 郭坚, 张红军, 董振辉, 韦涌泉
2021 (4):  111-120.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0057
摘要 ( 41 )   PDF(5035KB) ( 46 )  
星上时间获取精确度直接影响了航天器各项自主功能的执行。准确获取星上时间的主要挑战来自时间获取动作与时间维护动作之间的数据竞争。在中断嵌套导致高优先级中断与秒中断间发生数据竞争时,需要根据秒中断被嵌套的状态决定在高优先级中断中获取星上时间时是否进行进秒修正。在现有适用于高优先级中断嵌套秒中断场景下的星上时间获取方法中,依赖处理器中断状态判定秒中断是否被嵌套,这导致该方法不能适应某些处理器。为解决这一问题,提出了一种不依赖中断状态的星上时间获取方法。相邻两次秒中断之间的时间被分为存在中断嵌套可能的时段和不存在中断嵌套可能的时段。若存在中断嵌套可能,通过时间维护标识判断是否需要对获取的星上时间进行修正。和现有方法相比,该方法不依赖处理器,计算复杂度相当,适用范围更广。该方法已在火星探测器的多台星载计算机上应用并取得了良好的效果,可为后续航天器软件设计提供参考。
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基于循环神经网络的卫星姿态执行器故障诊断
倪平, 闻新
2021 (4):  121-126.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0058
摘要 ( 45 )   PDF(1259KB) ( 16 )  
针对卫星姿态控制系统执行器机构故障问题,提出了一种基于循环神经网络的故障诊断方法。对卫星姿态控制系统建模,进行故障分析并采集星敏感器和角速度陀螺的连续时刻故障数据。设计六种异构的循环神经网络,对故障数据进行故障诊断和分类, 分别从网络深度、反馈单元、激活函数和训练算法对比网络效果。带有门循环单元的 (gate recurrent unit,GRU)深层循环神经网络训练效果更好,其故障诊断准确率达到了95.7%。结果表明对于时序的卫星数据,门循环单元和带有一定深度的循环神经网络故障诊断效果更优。
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基于卫星遥感的岛礁影像多类目标智能化提取
江志军, 张舒豪, 肖进胜
2021 (4):  127-133.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0059
摘要 ( 49 )   PDF(6020KB) ( 22 )  
卫星遥感影像具有背景复杂、目标尺度不一、观测方向各异、纹理不清晰等特点,主流的深度学习目标检测算法不能直接适用于卫星遥感影像的目标检测。改进了RetinaNet,使其适用于卫星遥感影像。首先设计了一种新的特征融合方式,融合ResNet50输出的特征图,使得融合后的特征图同时具有高层语义信息和低层纹理细节信息。为了减弱遥感影像复杂背景对目标特征的影响,设计了特征感知模块,在减弱噪声对特征图影响的同时增强有用特征。挑选DOTA数据集中船只、飞机和存储罐图像进行训练和测试。改进的算法与RetinaNet相比,飞机、船只和存储罐的平均精度分别提高了41%、25%、24%。基于高分二号卫星(GF2)真实影像数据的试验结果表明,提出的算法能够用于卫星遥感岛礁影像的多类目标智能化提取。
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一种深度学习分割遥感影像道路的损失函数
袁伟, 许文波, 周甜
2021 (4):  134-141.  doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2021.0060
摘要 ( 50 )   PDF(10321KB) ( 54 )  
传统的根据光谱特征或形态学算法来分割道路,存在精度低、阈值难确定等缺点,而深度学习中已有的方法并未考虑道路的特性,只是利用通用方法来分割道路。针对上述不足,提出了一种针对道路特有形态的深度学习损失函数——形态损失函数。首先使用连通性算法将预测结果划分为若干个相互分离的连通区域,分别计算这些区域的面积与外接圆面积的比值,然后取平均值作为此批训练数据的形态损失函数,最后将形态损失函数按一定的比例与交叉熵损失函数求和,得到最终的损失函数。通过在公开的遥感数据集上使用深度学习网络进行对比试验,附加了形态损失函数后平均交并比(MIoU)、准确度(ACC)及F1Score均有提高。从预测的图形来看,附加了形态损失函数后,预测的道路更为连续。所提出的形态损失函数可用于提高光学遥感影像道路分割的精度。
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