2020年 第7卷 第2期
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2020, 7(2): 111-117.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190509001
摘要:
无人月球科考站对月球资源的长期深度勘查与开发利用具有重要意义，已成为当前航天大国抢占的空间科技战略制高点，识别其构建与运行过程中的关键技术，是无人月球科考站工程必须解决的首要问题。对此，给出了一种无人月球科考站的组成方案，指出了其构建与运行的基本过程及面临的主要问题，针对上述问题提出了应当突破的关键技术，包括主动软着陆系统设计、软着陆安全边界辨识、装备自适应移动步态规划、月面综合环境致损等效、装备服役寿命预测与控制等。进而对关键技术突破所涉及的基本研究内容进行了初步分析，并给出了无人月球科考站分步构建与运行的工程实施建议，为我国未来无人月球科考站的研究与工程实施提供参考。
无人月球科考站对月球资源的长期深度勘查与开发利用具有重要意义，已成为当前航天大国抢占的空间科技战略制高点，识别其构建与运行过程中的关键技术，是无人月球科考站工程必须解决的首要问题。对此，给出了一种无人月球科考站的组成方案，指出了其构建与运行的基本过程及面临的主要问题，针对上述问题提出了应当突破的关键技术，包括主动软着陆系统设计、软着陆安全边界辨识、装备自适应移动步态规划、月面综合环境致损等效、装备服役寿命预测与控制等。进而对关键技术突破所涉及的基本研究内容进行了初步分析，并给出了无人月球科考站分步构建与运行的工程实施建议，为我国未来无人月球科考站的研究与工程实施提供参考。
2020, 7(2): 118-127.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190402001
摘要:
介绍了引力波的基本概念，叙述了引力波产生的原因；调研了国内外地面和空间引力波探测的典型任务，并分析指出了地面与空间引力波探测任务的区别；分析了空间引力波探测任务的相关关键技术，阐释了空间引力波探测未来的技术发展方向；指出引力波探测任务的实施，对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用，对提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义。
介绍了引力波的基本概念，叙述了引力波产生的原因；调研了国内外地面和空间引力波探测的典型任务，并分析指出了地面与空间引力波探测任务的区别；分析了空间引力波探测任务的相关关键技术，阐释了空间引力波探测未来的技术发展方向；指出引力波探测任务的实施，对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用，对提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义。
2020, 7(2): 128-135.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190618003
摘要:
500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）已完成建设，调试与试运行以来发现超过100颗新脉冲星，于2020年1月通过国家验收。作为世界最大和最灵敏的单口径射电望远镜，FAST为众多科学发现提供了前所未有的机遇。在国家重大需求方面，FAST具有重要的应用价值。本文对FAST的主要应用目标进行了研讨，包括在深空探测方面，FAST将把我国空间测控能力提升至太阳系外缘；在脉冲星自主导航方面，FAST将大幅提升脉冲星脉冲到达时间的测量精度，建成国际领先的高精度脉冲星计时阵，进行空间飞行器的自主导航；FAST作为非相干散射雷达的接收系统，将提供高分辨率和高效率的地面观测；利用FAST进行高分辨率微波巡视，可以识别微弱的空间信号，为搜寻地外理性生命和国家安全服务。随着FAST的正式运行，它将在推动应用课题研究方面发挥重大作用。
500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）已完成建设，调试与试运行以来发现超过100颗新脉冲星，于2020年1月通过国家验收。作为世界最大和最灵敏的单口径射电望远镜，FAST为众多科学发现提供了前所未有的机遇。在国家重大需求方面，FAST具有重要的应用价值。本文对FAST的主要应用目标进行了研讨，包括在深空探测方面，FAST将把我国空间测控能力提升至太阳系外缘；在脉冲星自主导航方面，FAST将大幅提升脉冲星脉冲到达时间的测量精度，建成国际领先的高精度脉冲星计时阵，进行空间飞行器的自主导航；FAST作为非相干散射雷达的接收系统，将提供高分辨率和高效率的地面观测；利用FAST进行高分辨率微波巡视，可以识别微弱的空间信号，为搜寻地外理性生命和国家安全服务。随着FAST的正式运行，它将在推动应用课题研究方面发挥重大作用。
2020, 7(2): 136-143.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190618001
摘要:
世界上最大的单口径射电望远镜FAST已经完成验收并正式运行，而甚长基线干涉观测是FAST的核心课题之一，FAST可以为甚长基线观测网提供重要贡献。为了发挥FAST在甚长干涉观测网中的作用，总结了国际上其他大型射电望远镜的主要研究成果，结合FAST的特点，挑选适合FAST的研究课题；介绍了FAST现有的VLBI观测系统，和天马望远镜进行的VLBI干涉条纹；讨论了FAST VLBI系统的发展，包括未来适合FAST参与的VLBI观测网。研究最终挑选到了适合FAST VLBI的6个研究课题；应用FAST与天马望远镜获得了首条VLBI干涉条纹；FAST在CVN、EVN、LBA的VLBI观测方面，可发挥其极高灵敏度的优势；研究发现附近的小天线可为FAST参加相位参考观测提供帮助。
世界上最大的单口径射电望远镜FAST已经完成验收并正式运行，而甚长基线干涉观测是FAST的核心课题之一，FAST可以为甚长基线观测网提供重要贡献。为了发挥FAST在甚长干涉观测网中的作用，总结了国际上其他大型射电望远镜的主要研究成果，结合FAST的特点，挑选适合FAST的研究课题；介绍了FAST现有的VLBI观测系统，和天马望远镜进行的VLBI干涉条纹；讨论了FAST VLBI系统的发展，包括未来适合FAST参与的VLBI观测网。研究最终挑选到了适合FAST VLBI的6个研究课题；应用FAST与天马望远镜获得了首条VLBI干涉条纹；FAST在CVN、EVN、LBA的VLBI观测方面，可发挥其极高灵敏度的优势；研究发现附近的小天线可为FAST参加相位参考观测提供帮助。
2020, 7(2): 144-151.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190618004
摘要:
射电望远镜易受地球人工电磁信号干扰，为加强对500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）电磁环境的保护，开展移动基站干扰排查实验，通过对电磁波宁静区内单个及多个基站与FAST的电磁干扰分析，结合望远镜周边传播损耗情况，研究在降低基站干扰的同时保证周边居民通信需求的措施。为减少基站干扰提供了有益建议。
射电望远镜易受地球人工电磁信号干扰，为加强对500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）电磁环境的保护，开展移动基站干扰排查实验，通过对电磁波宁静区内单个及多个基站与FAST的电磁干扰分析，结合望远镜周边传播损耗情况，研究在降低基站干扰的同时保证周边居民通信需求的措施。为减少基站干扰提供了有益建议。
2020, 7(2): 152-157.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190618002
摘要:
500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）位于贵州省黔南州偏远山区，利用喀斯特洼坑作为望远镜台址，建造世界第一大单口径射电望远镜。FAST观测来自宇宙中遥远天体的微弱电磁信号，具有极高的灵敏度，易接收到来自望远镜自身设备及台址周边的电磁干扰。为此，要求台址电磁干扰水平极低。为实现科学观测目标，如何保持宁静的电磁环境是FAST科学产出的重要基础条件。开展研究的主要保护措施包括：为切实保护FAST良好的电磁环境，设立以FAST台址为中心、半径30 km范围的电磁波宁静区是减弱干扰的首要步骤；其次，对望远镜自身及其周边的电子电气设备具有严格的电磁兼容要求，防止对望远镜产生干扰。通过有效的电磁兼容设计和电波环境保护措施，FAST台址电波环境目前良好稳定。随着贵州省特别是黔南州经济发展，FAST周边建设项目不断增加，针对与众多无线电通信业务和当地经济发展项目的协调问题，如何在科学需求和当地发展中实现平衡，是电磁波宁静区运行的核心课题。
500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）位于贵州省黔南州偏远山区，利用喀斯特洼坑作为望远镜台址，建造世界第一大单口径射电望远镜。FAST观测来自宇宙中遥远天体的微弱电磁信号，具有极高的灵敏度，易接收到来自望远镜自身设备及台址周边的电磁干扰。为此，要求台址电磁干扰水平极低。为实现科学观测目标，如何保持宁静的电磁环境是FAST科学产出的重要基础条件。开展研究的主要保护措施包括：为切实保护FAST良好的电磁环境，设立以FAST台址为中心、半径30 km范围的电磁波宁静区是减弱干扰的首要步骤；其次，对望远镜自身及其周边的电子电气设备具有严格的电磁兼容要求，防止对望远镜产生干扰。通过有效的电磁兼容设计和电波环境保护措施，FAST台址电波环境目前良好稳定。随着贵州省特别是黔南州经济发展，FAST周边建设项目不断增加，针对与众多无线电通信业务和当地经济发展项目的协调问题，如何在科学需求和当地发展中实现平衡，是电磁波宁静区运行的核心课题。
2020, 7(2): 158-163.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190618005
摘要:
地外文明搜寻（Search for Extra Terrestrial Intelligence，SETI）是射电天文的重要子领域。为了获得尽可能多的观测时间，SETI采用共时观测（Commensal Survey），即不单独占用望远镜时间，在望远镜进行其他观测任务的同时进行SETI信号的搜寻。介绍了SETI共时观测的概念以及SETI后端的整体框架，分析了SETI共时观测的主要策略；对实时数据接收系统SERENDIP进行了分析说明；同时分析了数据去射电干扰和候选目标提取方法；通过对500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）的5 h漂移扫描数据处理，验证了SETI后端的有效性。最后对SETI的未来发展趋势进行了展望：FAST的高灵敏度不仅是对其它望远镜针对该项目观测数据的有效验证，更增加了探测到微弱地外文明信号的可能性。
地外文明搜寻（Search for Extra Terrestrial Intelligence，SETI）是射电天文的重要子领域。为了获得尽可能多的观测时间，SETI采用共时观测（Commensal Survey），即不单独占用望远镜时间，在望远镜进行其他观测任务的同时进行SETI信号的搜寻。介绍了SETI共时观测的概念以及SETI后端的整体框架，分析了SETI共时观测的主要策略；对实时数据接收系统SERENDIP进行了分析说明；同时分析了数据去射电干扰和候选目标提取方法；通过对500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）的5 h漂移扫描数据处理，验证了SETI后端的有效性。最后对SETI的未来发展趋势进行了展望：FAST的高灵敏度不仅是对其它望远镜针对该项目观测数据的有效验证，更增加了探测到微弱地外文明信号的可能性。
2020, 7(2): 164-170.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20171124001
摘要:
获取具有良好层理信息的月壤剖面样品是未来载人登月任务中的重要工作之一。针对传统贯入式取心存在的贯入阻力大、取心率低等问题，将与取心管壁相接触的月壤颗粒排出是有效的解决方案。基于依靠振动及非对称摩擦功能界面实现月壤颗粒单向流动的原理，提出了一种适于宇航员手持操作的取心装置设计方案，对关键零部件进行了详细的结构设计。利用离散单元法数值模拟软件EDEM对其取心性能开展了研究。结果表明：相比于传统静压贯入式取心器，该取心装置可有效提高取心率，并降低取心过程中受到的阻力。
获取具有良好层理信息的月壤剖面样品是未来载人登月任务中的重要工作之一。针对传统贯入式取心存在的贯入阻力大、取心率低等问题，将与取心管壁相接触的月壤颗粒排出是有效的解决方案。基于依靠振动及非对称摩擦功能界面实现月壤颗粒单向流动的原理，提出了一种适于宇航员手持操作的取心装置设计方案，对关键零部件进行了详细的结构设计。利用离散单元法数值模拟软件EDEM对其取心性能开展了研究。结果表明：相比于传统静压贯入式取心器，该取心装置可有效提高取心率，并降低取心过程中受到的阻力。
2020, 7(2): 171-177.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190313002
摘要:
研究着陆器与月壤的相互作用对着陆稳定性、安全性和着陆机构设计具有重要的意义。建立了具有角度的着陆器足垫冲击月壤的动态作用力学模型，并通过离散单元法分析了足垫在0°、8°、15°和22°冲击角度和1 m/s、2 m/s和4 m/s冲击速度下月壤的动态变化情况，得出了在冲击速度4 m/s、冲击角度为0°时，冲击力最大为5 080.6 N；在竖向位移相同的情况下，冲击角度越大冲击力越小。另外，足垫冲击月壤角度越大对月壤的压实作用越小，其中22°时，前后孔隙率变化为26.5%。冲击角度一定时，速度越大对月壤的压实较滞后，而压实程度较大，冲击速度为4 m/s时，前后孔隙率变化为78.1 %。研究结果对着陆机构设计和着陆控制具有参考意义。
研究着陆器与月壤的相互作用对着陆稳定性、安全性和着陆机构设计具有重要的意义。建立了具有角度的着陆器足垫冲击月壤的动态作用力学模型，并通过离散单元法分析了足垫在0°、8°、15°和22°冲击角度和1 m/s、2 m/s和4 m/s冲击速度下月壤的动态变化情况，得出了在冲击速度4 m/s、冲击角度为0°时，冲击力最大为5 080.6 N；在竖向位移相同的情况下，冲击角度越大冲击力越小。另外，足垫冲击月壤角度越大对月壤的压实作用越小，其中22°时，前后孔隙率变化为26.5%。冲击角度一定时，速度越大对月壤的压实较滞后，而压实程度较大，冲击速度为4 m/s时，前后孔隙率变化为78.1 %。研究结果对着陆机构设计和着陆控制具有参考意义。
2020, 7(2): 178-183.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20171123001
摘要:
针对火星探测器制动捕获问题进行研究，通过对火星探测器捕获问题的动力学建模、典型工况数值仿真，对3种典型的直接捕获策略：定向捕获、匀速捕获、变速捕获进行比较、分析，系统地总结了3种捕获策略的优缺点，得到变速捕获推力器燃料消耗低，但需要实时速度信息等结论。进一步地，通过数值分析点火时刻对制动捕获效果的影响，发现探测器最优点火时刻为到达近火点前制动耗时一半左右所对应的时刻。为实现特定捕获过渡轨道，设计了基于ZEM/ZEV闭环制导的捕获策略。通过与变速捕获对比表明：所设计捕获策略的制动效果与变速捕获相当，且能满足特定的末端位置/速度约束，可为实际任务提供一种备选方案。
针对火星探测器制动捕获问题进行研究，通过对火星探测器捕获问题的动力学建模、典型工况数值仿真，对3种典型的直接捕获策略：定向捕获、匀速捕获、变速捕获进行比较、分析，系统地总结了3种捕获策略的优缺点，得到变速捕获推力器燃料消耗低，但需要实时速度信息等结论。进一步地，通过数值分析点火时刻对制动捕获效果的影响，发现探测器最优点火时刻为到达近火点前制动耗时一半左右所对应的时刻。为实现特定捕获过渡轨道，设计了基于ZEM/ZEV闭环制导的捕获策略。通过与变速捕获对比表明：所设计捕获策略的制动效果与变速捕获相当，且能满足特定的末端位置/速度约束，可为实际任务提供一种备选方案。
2020, 7(2): 184-190.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190315001
摘要:
火星的进入、下降与着陆（Entry，Descent，and Landing，EDL）是探测任务中的重要过程，而离轨制动是飞行器EDL过程前的关键机动过程，是保证飞行器大气进入过程顺利执行的决定性步骤。针对火星进入前的离轨机动问题，提出了一种“推–滑”最优离轨制导方法。该方法在状态方程局部线性化的基础上，给出了状态和协态变量的解析形式，并通过推导最优离轨机动的必要条件，给出了“推–滑”最优离轨制导律的求解方程。仿真结果表明：提出的制导策略在保证最优性和制导精度的前提下具有良好的鲁棒性，可为我国未来火星探测过程中的离轨机动提供理论依据和方法参考。
火星的进入、下降与着陆（Entry，Descent，and Landing，EDL）是探测任务中的重要过程，而离轨制动是飞行器EDL过程前的关键机动过程，是保证飞行器大气进入过程顺利执行的决定性步骤。针对火星进入前的离轨机动问题，提出了一种“推–滑”最优离轨制导方法。该方法在状态方程局部线性化的基础上，给出了状态和协态变量的解析形式，并通过推导最优离轨机动的必要条件，给出了“推–滑”最优离轨制导律的求解方程。仿真结果表明：提出的制导策略在保证最优性和制导精度的前提下具有良好的鲁棒性，可为我国未来火星探测过程中的离轨机动提供理论依据和方法参考。
2020, 7(2): 191-196.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20171117001
摘要:
针对已有的SLAM算法在实时性和准确性方面无法满足火星车自主导航实际需求的问题，提出了一种基于航向辅助的分布式EKF-SLAM算法来实现火星车的自主导航定位。该方法利用双轴模拟式太阳敏感器获取太阳方位角，进而解算出火星车的航向信息并加入到SLAM的各子系统，从而构建了航向辅助的分布式SLAM系统模型，并采用联邦EKF实现分布式SLAM系统的状态估计，最终构建整体的天文航向辅助的分布式EKF-SLAM系统。最后，利用装载太阳敏感器的移动机器人在户外进行实验，实验对比结果证明了所提出算法的估计精度与有效性。
针对已有的SLAM算法在实时性和准确性方面无法满足火星车自主导航实际需求的问题，提出了一种基于航向辅助的分布式EKF-SLAM算法来实现火星车的自主导航定位。该方法利用双轴模拟式太阳敏感器获取太阳方位角，进而解算出火星车的航向信息并加入到SLAM的各子系统，从而构建了航向辅助的分布式SLAM系统模型，并采用联邦EKF实现分布式SLAM系统的状态估计，最终构建整体的天文航向辅助的分布式EKF-SLAM系统。最后，利用装载太阳敏感器的移动机器人在户外进行实验，实验对比结果证明了所提出算法的估计精度与有效性。
2020, 7(2): 197-205.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20180314001
摘要:
数量庞大的近地小行星对地球安全构成了重大潜在威胁，受现阶段小天体观测技术水平限制，仍有大量危险性小行星尚未发现。瞄准我国近地小行星空间观测技术发展需求，通过综合分析国内外近地小行星观测现状及相关技术水平，并结合天/地基小行星观测平台能力对比，从我国近地小天体观测技术基础出发，提出了我国空间红外小行星观测技术方案。采用可见–红外融合探测的技术方案开展小行星搜寻与光谱详察，并通过空间小行星观测平台与地面观测装备网络协同观测，为推动形成我国天体一体化小行星观测体系奠定基础；同时通过对多种小行星撞击地球的防御策略以及小行星利用价值综合分析，为我国开展近地小行星观测、预警、防御等任务提出了初步建议。
数量庞大的近地小行星对地球安全构成了重大潜在威胁，受现阶段小天体观测技术水平限制，仍有大量危险性小行星尚未发现。瞄准我国近地小行星空间观测技术发展需求，通过综合分析国内外近地小行星观测现状及相关技术水平，并结合天/地基小行星观测平台能力对比，从我国近地小天体观测技术基础出发，提出了我国空间红外小行星观测技术方案。采用可见–红外融合探测的技术方案开展小行星搜寻与光谱详察，并通过空间小行星观测平台与地面观测装备网络协同观测，为推动形成我国天体一体化小行星观测体系奠定基础；同时通过对多种小行星撞击地球的防御策略以及小行星利用价值综合分析，为我国开展近地小行星观测、预警、防御等任务提出了初步建议。
2020, 7(2): 206-212.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20180309001
摘要:
面向航空航天领域，将3RR-3RRR四面体基本可展单元机构作为曲面可展开天线的支撑机构，对四面体单元机构的组网方法进行研究。根据三角形等效逼近任意曲面的组网原理，提出连续式组网形式和间隔式组网形式，并进行对比分析。采用间隔式组网形式进行曲面可展机构的设计，分析间隔式最小组合单元组网机构的运动过程。建立了最小组合单元机构的ADAMS仿真模型，并进行仿真验证分析。仿真结果验证了基于四面体可展单元的间隔式组网方法的正确性，根据该组网方法可以拓展形成任意尺寸的大型曲面可展天线支撑机构。
面向航空航天领域，将3RR-3RRR四面体基本可展单元机构作为曲面可展开天线的支撑机构，对四面体单元机构的组网方法进行研究。根据三角形等效逼近任意曲面的组网原理，提出连续式组网形式和间隔式组网形式，并进行对比分析。采用间隔式组网形式进行曲面可展机构的设计，分析间隔式最小组合单元组网机构的运动过程。建立了最小组合单元机构的ADAMS仿真模型，并进行仿真验证分析。仿真结果验证了基于四面体可展单元的间隔式组网方法的正确性，根据该组网方法可以拓展形成任意尺寸的大型曲面可展天线支撑机构。
2020, 7(2): 213-220.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190327001
摘要:
我国开展了大量深空探测方面的研究工作，但超远距离（大于几十个AU）深空探测器在我国尚未实际发射，需综合考虑飞行空间环境、任务寿命和重量限制等约束条件，对能源系统进行合理设计，以保证探测的任务需求。通过对国外相关任务的调研与分析，并结合我国现有的技术基础，选择以空间核动力系统作为能源动力解决方案，同时关注其他概念推进设计，提出了总体任务设想和后续需要开展的关键技术攻关方向，主要为高效的“核能+全电推”系统技术、星际飞行技术及测控技术。对我国后续超远深空探测任务的研究及实施具有一定指导意义。
我国开展了大量深空探测方面的研究工作，但超远距离（大于几十个AU）深空探测器在我国尚未实际发射，需综合考虑飞行空间环境、任务寿命和重量限制等约束条件，对能源系统进行合理设计，以保证探测的任务需求。通过对国外相关任务的调研与分析，并结合我国现有的技术基础，选择以空间核动力系统作为能源动力解决方案，同时关注其他概念推进设计，提出了总体任务设想和后续需要开展的关键技术攻关方向，主要为高效的“核能+全电推”系统技术、星际飞行技术及测控技术。对我国后续超远深空探测任务的研究及实施具有一定指导意义。
