2017年 第4卷 第4期
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2017, 4(4): 301-309.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.001
摘要:
基于已实施的小天体探测任务和未来小天体表面移动探测技术的发展趋势，阐述了小天体表面移动技术研究现状。根据小天体的特殊动力学环境和任务需求，总结了小天体表面移动技术的主要问题；归纳分析了包括小天体引力场建模与表面运动特性分析、小天体表面弹跳技术以及弱引力环境下的导航与制导技术在内的小天体表面移动关键技术，并介绍了这些关键技术的研究进展；对上述关键技术的未来研究热点和发展趋势进行了展望。
基于已实施的小天体探测任务和未来小天体表面移动探测技术的发展趋势，阐述了小天体表面移动技术研究现状。根据小天体的特殊动力学环境和任务需求，总结了小天体表面移动技术的主要问题；归纳分析了包括小天体引力场建模与表面运动特性分析、小天体表面弹跳技术以及弱引力环境下的导航与制导技术在内的小天体表面移动关键技术，并介绍了这些关键技术的研究进展；对上述关键技术的未来研究热点和发展趋势进行了展望。
2017, 4(4): 310-324.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.002
摘要:
总结了近20年来火星探测的重要发现以及生命、气候和地质3个方面尚未解决的关键科学问题；介绍了美国国家航空航天局（NASA）2020火星探测任务的科学目标、科学载荷和着陆区选择的工程条件限制，并重点分析了经过3次着陆区选择研讨会，上百位行星科学家投票选取的排名前3的预选着陆区的地质情况。在此基础上，提出了对我国2020年火星任务的着陆探测部分的一些思考，并根据不同的任务目标（聚焦生命、气候和地质问题；支持载人火星探测的资源勘察；工程技术验证）提出了3个候选着陆区。
总结了近20年来火星探测的重要发现以及生命、气候和地质3个方面尚未解决的关键科学问题；介绍了美国国家航空航天局（NASA）2020火星探测任务的科学目标、科学载荷和着陆区选择的工程条件限制，并重点分析了经过3次着陆区选择研讨会，上百位行星科学家投票选取的排名前3的预选着陆区的地质情况。在此基础上，提出了对我国2020年火星任务的着陆探测部分的一些思考，并根据不同的任务目标（聚焦生命、气候和地质问题；支持载人火星探测的资源勘察；工程技术验证）提出了3个候选着陆区。
2017, 4(4): 325-332.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.003
摘要:
为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模，首先，基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法：渐近迭代力密度法；其次，基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型，采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型，进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程，并采用广义-α方法对动力学方程进行高效数值积分；最后，对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明：索网找形方案满足天线反射面形面精度要求，得到均匀的索段张力分布；展开过程中桁架竖杆应力最大，在展开末段，驱动滑块对桁架产生较大冲击。
为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模，首先，基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法：渐近迭代力密度法；其次，基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型，采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型，进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程，并采用广义-α方法对动力学方程进行高效数值积分；最后，对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明：索网找形方案满足天线反射面形面精度要求，得到均匀的索段张力分布；展开过程中桁架竖杆应力最大，在展开末段，驱动滑块对桁架产生较大冲击。
2017, 4(4): 333-339.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.004
摘要:
提出了一种新型多自由度可展机构9RR-12URU，可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该机构包含3个3RR-3URU四面体可展单元，基于螺旋理论分析了单个四面体可展单元的自由度，进而采用拆分杆组法得到了9RR-12URU组合单元机构的自由度。基于节点的空间几何位置和坐标变换矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置和速度的解析表达式，并采用RPY角描述了各节点相对于定节点的姿态变化。基于Adams软件对9RR-12URU组合单元机构的自由度和运动学理论分析进行了仿真验证，结果表明该机构具有收拢和调姿两种自由度，使机构达到最大折叠比。该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大，可用于曲面构架式可展开反射器中。
提出了一种新型多自由度可展机构9RR-12URU，可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该机构包含3个3RR-3URU四面体可展单元，基于螺旋理论分析了单个四面体可展单元的自由度，进而采用拆分杆组法得到了9RR-12URU组合单元机构的自由度。基于节点的空间几何位置和坐标变换矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置和速度的解析表达式，并采用RPY角描述了各节点相对于定节点的姿态变化。基于Adams软件对9RR-12URU组合单元机构的自由度和运动学理论分析进行了仿真验证，结果表明该机构具有收拢和调姿两种自由度，使机构达到最大折叠比。该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大，可用于曲面构架式可展开反射器中。
2017, 4(4): 340-345.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.005
摘要:
可展机构既可展开至指定构型用于工作，也可收拢以便于运输，在航天和建筑等领域具有广阔的应用前景。本文提出并设计了一种以Bennett过约束机构为基本组成单元的可展机构，该机构的工作形面可拟合柱面，且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型。对Bennett机构进行了几何描述，并分析其运动学特性；利用剪式机构实现了单元机构的组合连接，保证了设计关键点准确位于目标参数曲面上，计算了所设计的可展机构的展收比；对机构的运动学及动力学性能进行了仿真分析，验证了所提出的设计，为后续的样机研制提供了理论依据。验证结果表明：本文提出的Bennett过约束机构单元组合简单、形面拟合精度高、刚度大，能够很好地应用于该圆柱面天线的设计。该研究对航天可展机构的设计分析具有参考价值。
可展机构既可展开至指定构型用于工作，也可收拢以便于运输，在航天和建筑等领域具有广阔的应用前景。本文提出并设计了一种以Bennett过约束机构为基本组成单元的可展机构，该机构的工作形面可拟合柱面，且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型。对Bennett机构进行了几何描述，并分析其运动学特性；利用剪式机构实现了单元机构的组合连接，保证了设计关键点准确位于目标参数曲面上，计算了所设计的可展机构的展收比；对机构的运动学及动力学性能进行了仿真分析，验证了所提出的设计，为后续的样机研制提供了理论依据。验证结果表明：本文提出的Bennett过约束机构单元组合简单、形面拟合精度高、刚度大，能够很好地应用于该圆柱面天线的设计。该研究对航天可展机构的设计分析具有参考价值。
2017, 4(4): 346-354.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.006
摘要:
为评价航天器结构中碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料管件的使用可靠性，开展了三点弯曲加载条件下CFRP管件弯曲性能和蠕变行为试验研究。进行了管件弯曲模量和弯曲强度测试、500 h时长的恒温蠕变测试以及-60 ℃～100 ℃和-160 ℃～80 ℃两种高低温循环蠕变测试，获得了典型温度工况、不同应力水平作用下管件弯曲蠕变变形规律。根据测试结果，确定了基于时间-温度-应力等效原理的管件蠕变主曲线以及唯象蠕变Findley模型，预测分析了管件长期蠕变变形；采用最大应变强度准则，对该CFRP管件的强度特性和安全承载能力进行了评价。结果表明，该CFRP管件在设计服役期限内能够满足蠕变变形与强度要求。
2017, 4(4): 355-360.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.007
摘要:
随着大型可展开环形天线在航天器上的应用，口径越来越大，指标更加严格，卫星姿控、轨控、太阳翼驱动等导致的机械运动必然会引起大型反射面天线的振动，从而造成电性能降低，影响任务完成质量。提供了一种获取大型环形天线在轨振动影响的刚-柔-姿控一体化分析方法，建立了集扰动源、整星刚柔耦合动力学模型、姿态控制系统、天线振动影响分析的一体化仿真分析模型，实现了在典型扰动模式下的环形天线的振动响应计算、环形天线整体指向和变形计算。分析结果为天线在轨振动影响分析、性能指标预示、振动传递机理及抑制措施提供支持。
随着大型可展开环形天线在航天器上的应用，口径越来越大，指标更加严格，卫星姿控、轨控、太阳翼驱动等导致的机械运动必然会引起大型反射面天线的振动，从而造成电性能降低，影响任务完成质量。提供了一种获取大型环形天线在轨振动影响的刚-柔-姿控一体化分析方法，建立了集扰动源、整星刚柔耦合动力学模型、姿态控制系统、天线振动影响分析的一体化仿真分析模型，实现了在典型扰动模式下的环形天线的振动响应计算、环形天线整体指向和变形计算。分析结果为天线在轨振动影响分析、性能指标预示、振动传递机理及抑制措施提供支持。
2017, 4(4): 361-366.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.008
摘要:
地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性，是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求，分析并研究了地月L2点周期轨道（halo轨道）对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下，研究并给出了halo轨道族延拓计算方法，基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族；给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型，定义了相应的时间覆盖因子；数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明：地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性，幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好，幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好，南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国“嫦娥4号”月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。
地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性，是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求，分析并研究了地月L2点周期轨道（halo轨道）对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下，研究并给出了halo轨道族延拓计算方法，基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族；给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型，定义了相应的时间覆盖因子；数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明：地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性，幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好，幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好，南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国“嫦娥4号”月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。
2017, 4(4): 367-372.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.009
摘要:
针对“ 嫦娥5号”（CE-5）探测器间高精度相对测量需求，设计了我国深空干涉测量处理中心框架下的同波束VLBI处理算法，分析了X波段同波束VLBI相位解模糊条件和结果；通过引入群时延辅助的相位干涉技术，大幅抑制了干涉时延随机误差，为同波束VLBI中相位解模糊提供了先验条件；利用CE-5对接实测数据验证了本文工作的有效性，为CE-5任务同波束VLBI的实施奠定了基础。
针对“ 嫦娥5号”（CE-5）探测器间高精度相对测量需求，设计了我国深空干涉测量处理中心框架下的同波束VLBI处理算法，分析了X波段同波束VLBI相位解模糊条件和结果；通过引入群时延辅助的相位干涉技术，大幅抑制了干涉时延随机误差，为同波束VLBI中相位解模糊提供了先验条件；利用CE-5对接实测数据验证了本文工作的有效性，为CE-5任务同波束VLBI的实施奠定了基础。
2017, 4(4): 373-378.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.010
摘要:
深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合，获取探测器位置、速度等参数，具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中，要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理，阐述了在实际系统中，测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步，而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理，研究基于内插外推方法的时间配准方法，实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明，内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差，提高深空测角测速组合导航系统导航精度。
深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合，获取探测器位置、速度等参数，具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中，要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理，阐述了在实际系统中，测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步，而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理，研究基于内插外推方法的时间配准方法，实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明，内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差，提高深空测角测速组合导航系统导航精度。
2017, 4(4): 379-384.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.0011
摘要:
目前针对深空探测导航中滤波算法的综合评估的方法种类繁多，但是仍然有较多评估方法由于其单一性，存在或多或少的问题。提出了一套反映滤波算法优劣程度的评估指标体系，并为其建立相应的数学模型。深空探测器采样点数据通过该数学模型计算后，由模糊灰色聚类方法进行综合评估。该方法是以灰色系统理论为基础，结合模糊综合评估方法所建立的评估模型。该模型可以摒弃二者单一使用时的缺点，提升评估结果的准确性。评估结果表明，此评估模型能够对滤波算法进行比较准确、合理、全面的评估。
目前针对深空探测导航中滤波算法的综合评估的方法种类繁多，但是仍然有较多评估方法由于其单一性，存在或多或少的问题。提出了一套反映滤波算法优劣程度的评估指标体系，并为其建立相应的数学模型。深空探测器采样点数据通过该数学模型计算后，由模糊灰色聚类方法进行综合评估。该方法是以灰色系统理论为基础，结合模糊综合评估方法所建立的评估模型。该模型可以摒弃二者单一使用时的缺点，提升评估结果的准确性。评估结果表明，此评估模型能够对滤波算法进行比较准确、合理、全面的评估。
2017, 4(4): 385-389.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.012
摘要:
作为一种实现复杂度低的信道编码方式，BCH（63，56）码被广泛应用在空间遥控链路中，具有检测2 bit错误及纠正1 bit错误的性能。从理论分析和计算机仿真两个方面研究了BCH（63，56）码的编码性能。在介绍BCH（63，56）码编译码原理的基础上，对其误码率性能进行了理论计算和蒙特卡洛仿真。结果表明：当译码后的误码率为1 × 10-5时，BCH（63，56）码的编码增益可达2.1 dB。
作为一种实现复杂度低的信道编码方式，BCH（63，56）码被广泛应用在空间遥控链路中，具有检测2 bit错误及纠正1 bit错误的性能。从理论分析和计算机仿真两个方面研究了BCH（63，56）码的编码性能。在介绍BCH（63，56）码编译码原理的基础上，对其误码率性能进行了理论计算和蒙特卡洛仿真。结果表明：当译码后的误码率为1 × 10-5时，BCH（63，56）码的编码增益可达2.1 dB。
2017, 4(4): 390-394.
doi:10.15982/j.issn.2095-777.2017.04.0013
摘要:
以二阶积分环节作为单体航天器动力学模型，在固定通信拓扑的基础上，假设每个航天器仅获取相邻航天器的速度位置信息，设计了分布式有限时间跟踪控制算法，并证明了算法的有效性。在该算法的基础上，采用了虚拟结构和阶级控制方法，使第一阶级航天器接受虚拟领队形成的虚拟结构信息，次级航天器接受上一级航天器信息，给出了有限时间编队方法，并通过数值仿真验证了该编队算法。
以二阶积分环节作为单体航天器动力学模型，在固定通信拓扑的基础上，假设每个航天器仅获取相邻航天器的速度位置信息，设计了分布式有限时间跟踪控制算法，并证明了算法的有效性。在该算法的基础上，采用了虚拟结构和阶级控制方法，使第一阶级航天器接受虚拟领队形成的虚拟结构信息，次级航天器接受上一级航天器信息，给出了有限时间编队方法，并通过数值仿真验证了该编队算法。
