2018年 第5卷 第6期
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2018, 5(6): 497-505,568.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.001
摘要:
中继通信是一些月球探测任务中必须解决的关键问题，特别是月球背面和两极地区的着陆和巡视探测任务以及载人登月任务。对国内外月球中继通信卫星的研究和发展情况进行了综述，在对月球中继通信任务需求分析的基础上，从中继通信体制选择、轨道选择等方面对月球中继通信任务的实现途径进行了分析，并对月球中继通信技术的未来发展进行了展望。
中继通信是一些月球探测任务中必须解决的关键问题，特别是月球背面和两极地区的着陆和巡视探测任务以及载人登月任务。对国内外月球中继通信卫星的研究和发展情况进行了综述，在对月球中继通信任务需求分析的基础上，从中继通信体制选择、轨道选择等方面对月球中继通信任务的实现途径进行了分析，并对月球中继通信技术的未来发展进行了展望。
2018, 5(6): 506-514.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.002
摘要:
中继通信系统是“嫦娥4号”中继星的主载荷和完成任务的关键，须采用合理可行的技术方案，对“嫦娥4号”中继星中继通信系统的方案进行了研究和分析，并给出了设计难点和解决方案，通过Matlab进行了仿真验证，仿真结果表明：提出的解决方案能满足中继星通信要求。
中继通信系统是“嫦娥4号”中继星的主载荷和完成任务的关键，须采用合理可行的技术方案，对“嫦娥4号”中继星中继通信系统的方案进行了研究和分析，并给出了设计难点和解决方案，通过Matlab进行了仿真验证，仿真结果表明：提出的解决方案能满足中继星通信要求。
2018, 5(6): 515-523.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.003
摘要:
作为“嫦娥4号”任务的重要组成部分，中继星将为着陆器和巡视器提供中继通信支持。不同于其它月球探测器，中继星首次选择了绕地月L2平动点运行的晕（Halo）轨道以保证对月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务，面临诸多技术挑战。在对中继星任务特点进行分析的基础上，梳理了研制中的技术难题，包括使命轨道的选择、使命轨道的到达和长期维持、中继通信体制选择等，并提出了解决方案。中继星的总体设计方案概述也在文中给出。
作为“嫦娥4号”任务的重要组成部分，中继星将为着陆器和巡视器提供中继通信支持。不同于其它月球探测器，中继星首次选择了绕地月L2平动点运行的晕（Halo）轨道以保证对月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务，面临诸多技术挑战。在对中继星任务特点进行分析的基础上，梳理了研制中的技术难题，包括使命轨道的选择、使命轨道的到达和长期维持、中继通信体制选择等，并提出了解决方案。中继星的总体设计方案概述也在文中给出。
2018, 5(6): 524-530.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.004
摘要:
伞状可展开天线是“嫦娥4号”中继星为着陆于月球背面的“嫦娥4号”着陆器和巡视器提供中继通信的关键单机。对伞状可展开天线的设计原理和构造进行了描述，对天线在轨展开、网面成型与保持、超低温环境适应性等技术难点开展了分析。天线在轨展开采用缓释弹簧分布式驱动展开技术，具有布局灵活、轻便、安装体积小、可靠性高的优点，并开展了寿命、热真空环境展开等试验，验证了天线展开技术的正确性；采用双层网结构设计形式实现天线网面成型与保持，优化了张力网节点数量，开展了型面精度测试和型面在轨热变形预示，验证了天线在轨型面精度达到亚毫米级的设计指标，进一步确保了天线在轨性能满足任务要求；天线部组件最低温度达到–250℃的超低温环境验证结果，表明天线经历超低温环境存储后，结构无损坏，性能无下降，满足天线在轨环境适应性的要求，有效地支撑了“嫦娥4号”中继星中继通信任务的顺利执行。
伞状可展开天线是“嫦娥4号”中继星为着陆于月球背面的“嫦娥4号”着陆器和巡视器提供中继通信的关键单机。对伞状可展开天线的设计原理和构造进行了描述，对天线在轨展开、网面成型与保持、超低温环境适应性等技术难点开展了分析。天线在轨展开采用缓释弹簧分布式驱动展开技术，具有布局灵活、轻便、安装体积小、可靠性高的优点，并开展了寿命、热真空环境展开等试验，验证了天线展开技术的正确性；采用双层网结构设计形式实现天线网面成型与保持，优化了张力网节点数量，开展了型面精度测试和型面在轨热变形预示，验证了天线在轨型面精度达到亚毫米级的设计指标，进一步确保了天线在轨性能满足任务要求；天线部组件最低温度达到–250℃的超低温环境验证结果，表明天线经历超低温环境存储后，结构无损坏，性能无下降，满足天线在轨环境适应性的要求，有效地支撑了“嫦娥4号”中继星中继通信任务的顺利执行。
2018, 5(6): 531-538.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.005
摘要:
“嫦娥4号”任务将采用着陆器、巡视器和绕飞地月拉格朗日L2点中继星进行月球背面的探测，中继星已先期发射，进入环绕地月L2点的晕（Halo）轨道。在中继星使命轨道动力学模型的基础上，通过相关仿真工作，开展了中继星在Halo轨道上的摄动源量级及影响定轨预报的主要因素分析，结果表明：太阳光压摄动是其主要影响因素。为降低其相关影响，提高定轨精度，在太阳光压球模型的基础上，结合中继星在轨运行特点及其星体结构特点，提出了一种求解光压等效面积的方法。经仿真分析，使用修正后的太阳光压球模型进行定轨求解，速度精度可提升约一个量级。
“嫦娥4号”任务将采用着陆器、巡视器和绕飞地月拉格朗日L2点中继星进行月球背面的探测，中继星已先期发射，进入环绕地月L2点的晕（Halo）轨道。在中继星使命轨道动力学模型的基础上，通过相关仿真工作，开展了中继星在Halo轨道上的摄动源量级及影响定轨预报的主要因素分析，结果表明：太阳光压摄动是其主要影响因素。为降低其相关影响，提高定轨精度，在太阳光压球模型的基础上，结合中继星在轨运行特点及其星体结构特点，提出了一种求解光压等效面积的方法。经仿真分析，使用修正后的太阳光压球模型进行定轨求解，速度精度可提升约一个量级。
2018, 5(6): 539-543.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.006
摘要:
在“嫦娥4号”任务的第一阶段-“鹊桥”阶段，北京航天飞行控制中心利用佳木斯及喀什深空站对“鹊桥”进行了干涉测量观测，获取了实时与事后的高精度测角观测量，有效支持了任务的实施。两深空站需同时完成测控任务，无法交替射电源观测来进行系统差标校，基于此系统采用了长时间隔、在航天器观测前及双站结束后观测射电源的标校方法，在地月转移段、月球至L2转移段、Halo轨道形成段开展了多次干涉测量观测，所获得的时延、时延率结果直接应用于事后联合轨道确定，结果表明：深空网的时延观测精度约为3 ns。
在“嫦娥4号”任务的第一阶段-“鹊桥”阶段，北京航天飞行控制中心利用佳木斯及喀什深空站对“鹊桥”进行了干涉测量观测，获取了实时与事后的高精度测角观测量，有效支持了任务的实施。两深空站需同时完成测控任务，无法交替射电源观测来进行系统差标校，基于此系统采用了长时间隔、在航天器观测前及双站结束后观测射电源的标校方法，在地月转移段、月球至L2转移段、Halo轨道形成段开展了多次干涉测量观测，所获得的时延、时延率结果直接应用于事后联合轨道确定，结果表明：深空网的时延观测精度约为3 ns。
2018, 5(6): 544-553.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.007
摘要:
月球背面探测需要中继卫星提供中继通信支持，实现地面测控网对月面探测器的控制。为解决月球背面探测任务过程中和环月探测卫星等多个航天器目标的相互控制及其与地面测控网之间的复杂协同控制问题，提出了协同控制关联目标描述方法，明确了控制目标和上行路由的概念和确定原则、上行路由测控网资源分配原则，设计了基于时间窗口的中继测控资源分配方法、多目标协同控制的标称计划模式、遥操作规划模式和上行控制模式。经过“嫦娥4号”天地大回路无线联试和“鹊桥”中继卫星在轨飞行证明，设计是合理可行的。
月球背面探测需要中继卫星提供中继通信支持，实现地面测控网对月面探测器的控制。为解决月球背面探测任务过程中和环月探测卫星等多个航天器目标的相互控制及其与地面测控网之间的复杂协同控制问题，提出了协同控制关联目标描述方法，明确了控制目标和上行路由的概念和确定原则、上行路由测控网资源分配原则，设计了基于时间窗口的中继测控资源分配方法、多目标协同控制的标称计划模式、遥操作规划模式和上行控制模式。经过“嫦娥4号”天地大回路无线联试和“鹊桥”中继卫星在轨飞行证明，设计是合理可行的。
2018, 5(6): 554-560.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.008
摘要:
基于深空探测器配备的大口径天线的指向精度要求，给出了一种深空探测器大口径天线在轨指向的标定方案，以解决深空探测器安装的大口径天线的在轨指向评价问题。通过对飞行器特点和约束条件的分析，结合“嫦娥4号”中继星天线的具体情况，采用星地协同工作的方法，给出了天线指向在轨标定的方案，并明确了标定的实施流程，最后对标定过程中的误差情况进行了分析。本方案可推广应用于其他深空探测器大口径天线指向标定方案的设计。
基于深空探测器配备的大口径天线的指向精度要求，给出了一种深空探测器大口径天线在轨指向的标定方案，以解决深空探测器安装的大口径天线的在轨指向评价问题。通过对飞行器特点和约束条件的分析，结合“嫦娥4号”中继星天线的具体情况，采用星地协同工作的方法，给出了天线指向在轨标定的方案，并明确了标定的实施流程，最后对标定过程中的误差情况进行了分析。本方案可推广应用于其他深空探测器大口径天线指向标定方案的设计。
2018, 5(6): 561-568.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.009
摘要:
建设月球基地、深入开展月球探测是后续深空探测发展的必然趋势，能源系统是维持月球基地正常工作的基本条件。结合月球基地能源需求和月面环境特点，确定了能源系统的基本要求；对比分析了各种能源类型的特点及应用前景，明确了初级阶段月球基地能源系统应以太阳能的利用为主要方式，核心技术是解决太阳能的高效存储问题；通过储能技术的分析，提出了热化学制氢结合氢氧燃料电池及光伏发电装置的能源系统方案，并对系统设计的关键技术进行了分析，相关内容可为月球基地的深入论证及其能源系统的具体设计提供借鉴。
建设月球基地、深入开展月球探测是后续深空探测发展的必然趋势，能源系统是维持月球基地正常工作的基本条件。结合月球基地能源需求和月面环境特点，确定了能源系统的基本要求；对比分析了各种能源类型的特点及应用前景，明确了初级阶段月球基地能源系统应以太阳能的利用为主要方式，核心技术是解决太阳能的高效存储问题；通过储能技术的分析，提出了热化学制氢结合氢氧燃料电池及光伏发电装置的能源系统方案，并对系统设计的关键技术进行了分析，相关内容可为月球基地的深入论证及其能源系统的具体设计提供借鉴。
2018, 5(6): 569-574.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.010
摘要:
面对深空探测过程中的不确定性，探测器需要利用任务规划技术实现自主控制。针对深空探测器任务规划中复杂系统功能及耦合操作约束，在状态知识框架的基础上，引入了扩展状态的概念。通过分析探测器任务规划中的约束关系，提出了基于扩展状态的任务规划算法。利用扩展状态结构特点削减了搜索空间，优化了搜索过程，提高了规划搜索的速度。数值仿真结果表明，该算法能够缩减近半的规划步数，加速问题求解进程，提高任务规划的效率。
面对深空探测过程中的不确定性，探测器需要利用任务规划技术实现自主控制。针对深空探测器任务规划中复杂系统功能及耦合操作约束，在状态知识框架的基础上，引入了扩展状态的概念。通过分析探测器任务规划中的约束关系，提出了基于扩展状态的任务规划算法。利用扩展状态结构特点削减了搜索空间，优化了搜索过程，提高了规划搜索的速度。数值仿真结果表明，该算法能够缩减近半的规划步数，加速问题求解进程，提高任务规划的效率。
2018, 5(6): 575-581.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.011
摘要:
采用冗余架构，是改善和提升空间计算机可靠性的一个重要途径。目前在工程中对不同架构可靠性的对比，尤其是相对复杂的架构，多仅限于形式上的粗略分析，缺乏定量比较。对6种典型空间计算机冗余架构（双机冷备、双机热备、TMR、动态重构TMR、2+1三机、四机）分别建立马尔可夫链数学模型，推导出上述各冗余架构可靠度的计算公式，并以一个虚拟的5年期任务为背景，对这些架构的可靠度进行了仿真计算、分析和比较。仿真结果表明：具有冷备资源的冗余方案可获得相对高的系统可靠性；让故障节点具有从故障中恢复正常功能的能力和短的修复时间，能大幅提升系统可靠性。
采用冗余架构，是改善和提升空间计算机可靠性的一个重要途径。目前在工程中对不同架构可靠性的对比，尤其是相对复杂的架构，多仅限于形式上的粗略分析，缺乏定量比较。对6种典型空间计算机冗余架构（双机冷备、双机热备、TMR、动态重构TMR、2+1三机、四机）分别建立马尔可夫链数学模型，推导出上述各冗余架构可靠度的计算公式，并以一个虚拟的5年期任务为背景，对这些架构的可靠度进行了仿真计算、分析和比较。仿真结果表明：具有冷备资源的冗余方案可获得相对高的系统可靠性；让故障节点具有从故障中恢复正常功能的能力和短的修复时间，能大幅提升系统可靠性。
2018, 5(6): 582-590.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.012
摘要:
生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System，BLSS）是人类进行深空探测活动，实现长期载人空间飞行必需的关键技术，对于太空的探索开发具有重要意义。在BLSS系统内，航天员尿液废水的处理回收是非常重要的一部分。将尿液中所含有的大量的水分和丰富的营养物质回收用于系统内植物生长所需营养液的配制，既可以保证植物的正常生长，也有助于实现系统内物质的循环利用进而提高BLSS的闭合度。尿液中所含的大量盐分会威胁植物生长，所以需通过一定的技术手段处理尿液废水并回收其中的水分和营养。为了探索适用于BLSS中的尿液处理回收技术，首先分析了几种面向空间站应用的尿液处理技术，如蒸馏技术等；然后基于回收营养物质的需求，分析了面向民用的、发展较为成熟的尿液处理回收技术，如离子交换吸附技术、氨气吹脱技术和鸟粪石沉淀技术，并讨论了这些尿液处理回收技术在BLSS中的应用前景。最后基于BLSS的实际需求，提出了有望用于BLSS中的尿液处理回收技术流程。
生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System，BLSS）是人类进行深空探测活动，实现长期载人空间飞行必需的关键技术，对于太空的探索开发具有重要意义。在BLSS系统内，航天员尿液废水的处理回收是非常重要的一部分。将尿液中所含有的大量的水分和丰富的营养物质回收用于系统内植物生长所需营养液的配制，既可以保证植物的正常生长，也有助于实现系统内物质的循环利用进而提高BLSS的闭合度。尿液中所含的大量盐分会威胁植物生长，所以需通过一定的技术手段处理尿液废水并回收其中的水分和营养。为了探索适用于BLSS中的尿液处理回收技术，首先分析了几种面向空间站应用的尿液处理技术，如蒸馏技术等；然后基于回收营养物质的需求，分析了面向民用的、发展较为成熟的尿液处理回收技术，如离子交换吸附技术、氨气吹脱技术和鸟粪石沉淀技术，并讨论了这些尿液处理回收技术在BLSS中的应用前景。最后基于BLSS的实际需求，提出了有望用于BLSS中的尿液处理回收技术流程。
