2017年 第4卷 第2期
介绍了空间小推力轨道优化问题中的最优Bang-Bang控制问题，对两类延拓解法给出了描述：第一类解法首先求解能量最优解，然后采用能量-燃耗同伦得到最优Bang-Bang控制；第二类解法引入推力开关切换准则，以双脉冲解作为初解，通过参数延拓得到最优Bang-Bang控制。对两类延拓解法进行了比较，指出了各自的优势与特点。对延拓方法应用于求解更加复杂的小推力轨道设计问题进行了展望，提出了包含初解、延拓与拼接三要素的人工智能轨道优化概念。
介绍了“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信，并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭，分别完成中继星和着陆器-巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷，开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外，还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜，分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务，充分继承成熟技术和产品，增加中继通信功能模块，开放资源引入高性能载荷和搭载项目，将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。
针对探月任务多窗口发射需求和目标轨道受到明显月球引力摄动的特点，提出一种快速高效的发射轨道设计方法：在星箭分离前的发射段，各发射窗口对应的发射轨道的一、二级飞行段完全相同，仅调整三级工作段程序角和无动力滑行时间，以满足入轨要求；在末级排放段，微调末级速度方向，利用月球摄动抬高末级近地点高度，使之超过GEO受保护区。该方法可统一火箭一、二级飞行段状态，缩小子级残骸落区范围，增强入轨参数设计的灵活性，显著提高星箭入轨参数迭代和相关分析工作的效率，明显改善末级离轨效果，符合空间安全相关要求，可推广应用于其他深空探测任务的多窗口发射轨道设计。
地月L2点位于地月连线的延长线上，在地月L2点运行的卫星可以连续观测月球背面，解决月球背面与地球之间的通讯问题，在月球背面着陆探测任务中起着至关重要的作用。对从地球出发、利用月球引力辅助变轨、形成地月L2点的轨道进行了研究，分析了发射窗口、地月转移时间、近月点高度、近月点倾角、轨道振幅等多项因素对转移轨道和使命轨道特性的影响，寻求满足地月L2点中继任务需求的飞行轨道。通过分析研究，文章明确了转移和使命轨道的相关特性，可为中继星任务轨道的参数设计和优化提供有益参考。
介绍了月球/中继星激光测距的科学意义、研究状况和发展趋势；研究了地月第二拉格朗日点（L2点）纯反射式激光测距技术和任务设计，主要包含单体大孔径激光角锥反射器的设计与研制，以及基于云南天文台1.2 m望远镜的月球/中继星激光测距系统研究。研究结果表明：采用单脉冲能量3 J和10 ns脉宽脉冲激光器，预期系统能接收到的单脉冲回波光电子数约为0.74，单光子测距精度优于1 m。
为保证应用于深空探测器的同位素热源的安全性和可靠性，开展了深空探测器同位素热源环境试验技术研究。通过对同位素热源全寿命周期内各任务剖面的系统分析，总结得出了同位素热源环境试验项目，并对这些项目进行了研究及模拟实验，具体包括：高温-离心、高温-冲击、高温-振动等热-力复合环境试验技术，空气动力学加热、热冲击试验、发射场火灾事故地面模拟实验等异常环境安全性试验技术。通过以上研究建立了同位素热源鉴定级环境可靠性试验及异常环境安全性试验能力，为深空探测器同位素热源研制任务提供了技术支撑。
相对于月球正面大面积平坦的月海区域，月球背面地形整体崎岖复杂，因此地形地貌的变化会对探测器的软着陆探测产生一定的影响。从任务设计、着陆器设计和月面工作程序3个方面分析了“嫦娥4号”着陆区南极-艾特肯盆地（South-Pole Aitken Basin，SPA），及其相对于“嫦娥3号”着陆区的变化，主要结论包括：1）着陆区范围缩小，由“嫦娥3号”着陆区经度范围16.4°和纬度范围3°，减小到经度范围约4°和纬度范围约2°；2）动力下降策略更改，动力下降过程主减速段结束后，着陆器由斜向前运动轨迹改为接近垂直向下运动轨迹，同时更改测距敏感器的引入时机；3）提高微波测距测速敏感器信号发射功率和信噪比；4）着陆后需要预测着陆器的光照和测控被地形遮挡的情况，然后制定如休眠或月食模式等相应策略等。通过以上优化设计，“嫦娥4号”任务可适应月球背面地形地貌的变化，有效降低着陆过程和月面工作的风险。
月球具有足够大的尺寸，能够有效地遮挡来自地球的低频电磁波干扰，因此月球背面是进行低频射电天文观测的最佳场所。本文论述了利用低频射电频谱仪在月球背面进行空间低频射电天文观测的意义，给出了低频射电频谱仪工作原理、科学探测目标和系统组成。研究了低频射电频谱仪的设计，并采用低频射电频谱仪对北京中关村地区空中低频电磁波辐射频谱进行了试验探测，结果表明：低频射电频谱仪能够清晰地探测到 0.1~40 MHz 频带内的广播电台及授时台等发射的低频电磁波信号。
针对地月系L2平动点附近两种常用轨道——拟halo轨道和Lissajous轨道，研究了轨道长期维持过程。采用穿越xz平面单圈控制的轨道维持策略，控制量通过单步预测法进行寻优。在全摄动动力学模型下对拟halo轨道和Lissajous轨道受控维持下的一年飞行过程分别进行了仿真和比较，结果显示Lissajous轨道的维持控制代价优于拟halo轨道，从轨道拓扑构型保持方面对该结果进行解释，并设计对比实验加以验证。研究结论对地月系L2平动点轨道选择、维持控制策略设计、长期飞行效果分析等方面具有工程参考意义。
月球背面能够有效屏蔽来自地球并同时遮挡来自太阳的射电信号干扰，拥有太阳系中近乎最安静的电磁环境，是开展空间超长波天文观测的最佳选择区域。在立足完成空间干涉实验的基本任务目标基础、并力争实现重大科学发现的研究思路基础上，研制并发射两颗微卫星，搭载“嫦娥4号”任务进入地月转移轨道，自主完成地月转移、近月制动，在有效燃料约束下形成环月大椭圆轨道编队，构建环月超长波天文干涉仪。说明了系统的工作模式，对数据处理与科学分析方法进行了论述，包括数据预处理、干涉成像与全天功率谱获取角度，进而从支持服务模块和科学载荷模型两个方面对微卫星方案进行了简要概述，凝练了项目任务解决的关键科学与技术问题。月球轨道编队超长波天文观测微卫星的实施将通过全球首个绕月近距编队飞行系统，构建全球首个星–星干涉射电天文观测系统，进而打开人类认识宇宙的新窗口。
改进了月面中低纬度地区光照分析算法，以Aristarchus高原（AP）为例，使用LRO卫星获得的高分辨率、高精度的LOLA数据和DE/LE430月球行星历表，同时基于月球天平动模型，定量计算和分析了AP地区的光照特性。结果表明：AP地区的光照率都在0.35以上，平坦地区的光照条件较好，受到地形的影响不同位置的光照率相差很大。光照率最大值点（B）要比最小值点（A）高出30%以上。考虑典型的长周期天平动效应，18.6年光照数据的分析结果表明，每个位置的光照率变化较小且趋于稳定，这对月球表面演化研究是一个重要的参考。
为快速简便地设计地月自由返回轨道，提出了一种基于UKF参数估计算法的地月自由返回轨道设计方法。该算法不仅避免了传统数值方法推导相关梯度矩阵的复杂性，而且只需基于地月系统二体模型给出猜测初值，从而显著降低了自由返回轨道设计的难度，将地月自由返回轨道对应的两点边值问题的求解转化为参数估计问题，该算法可以得到高精度模型下收敛的精确解。数值仿真结果表明：该算法结构简洁，求解效率较高，所得结果精确且具有良好的鲁棒性，可以作为地月自由返回轨道设计的一个有力工具。
针对小升阻比的火星探测器在火星大气进入过程中所面临的难点问题，对火星大气进入过程制导方法进行了研究。首先在确知探测器弹道系数和升阻比的前提下，考虑过程量及开伞条件约束，优化设计再入飞行的初始再入角。然后考虑非一致终端约束和飞行器的有限机动能力，设计参考轨迹剖面，并确保其能提供足够的裕度来应付各种参数不确定性。最后设计标准轨道法制导律，完成轨迹有效跟踪，并通过六自由度仿真验证了算法的合理性，为火星着陆项目中大气进入段制导方案设计提供参考。
研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型，以碎石堆模型来建立小行星的结构模型，计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下，计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu（中文名贝努）为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示：采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块，且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势，即对空间环境无污染。
太阳系中存在着数量众多的双星系统。研究双星系统对于认识小行星的起源和演化有着重要意义。本文以双椭球模型，使用Joshua推导的四阶精度相互势，对双互锁双星系统进行研究。并通过KTC定理证明其稳定性。研究结果验证了卫星和主星存在相对滚转角速度是双互锁系统的一种可能的绕转方式。
