2021年 第8卷 第6期
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2021, 8(6): 543-554.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210125
摘要:
全面回顾了中国探月工程“绕”“落”“回”三步走战略顺利实施17年，测控系统从近地走向深空的发展历程和建设成就。探月一期工程突破了远距离测控技术；探月工程二期率先建设两个深空站，初步建成深空测控网；探月工程三期建成了阿根廷深空站，形成了完整的深空测控能力。目前中国深空测控系统已成为世界上三大全球布局的深空测控网之一，具备了独立支持月球与深空探测任务的能力。伴随着以首次火星探测任务为代表的行星探测工程的实施，中国深空测控系统在规模和性能上进一步增强任务支持能力。
全面回顾了中国探月工程“绕”“落”“回”三步走战略顺利实施17年，测控系统从近地走向深空的发展历程和建设成就。探月一期工程突破了远距离测控技术；探月工程二期率先建设两个深空站，初步建成深空测控网；探月工程三期建成了阿根廷深空站，形成了完整的深空测控能力。目前中国深空测控系统已成为世界上三大全球布局的深空测控网之一，具备了独立支持月球与深空探测任务的能力。伴随着以首次火星探测任务为代表的行星探测工程的实施，中国深空测控系统在规模和性能上进一步增强任务支持能力。
2021, 8(6): 555-563.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210054
摘要:
针对复杂地形与中继通信等多约束条件下“玉兔二号”巡视器休眠与唤醒控制问题，提出了复杂月背环境休眠与唤醒规划控制方法。通过巡视器单目相机序列成像的天际线感知方法实现了周围地形的遮挡情况分析，基于巡视器姿态预测方法计算了巡视器给定位置的可休眠姿态及控制策略，提出了可休眠性指标与可视化综合分析方法以辅助寻找备选休眠点，并设计了休眠唤醒在轨工作模式。将其应用到“玉兔二号”在轨控制中，实施情况说明了控制方法的正确性和工作模式的有效性。
针对复杂地形与中继通信等多约束条件下“玉兔二号”巡视器休眠与唤醒控制问题，提出了复杂月背环境休眠与唤醒规划控制方法。通过巡视器单目相机序列成像的天际线感知方法实现了周围地形的遮挡情况分析，基于巡视器姿态预测方法计算了巡视器给定位置的可休眠姿态及控制策略，提出了可休眠性指标与可视化综合分析方法以辅助寻找备选休眠点，并设计了休眠唤醒在轨工作模式。将其应用到“玉兔二号”在轨控制中，实施情况说明了控制方法的正确性和工作模式的有效性。
2021, 8(6): 564-571.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210095
摘要:
针对“嫦娥五号”月面采样任务中采样机械臂的精准控制问题，提出了一种基于深度强化学习的路径规划方法。通过设计深度强化学习算法的多约束奖赏函数，规划了满足安全性、快速性、可达性3个约束的运动路径，实现了采样机械臂的精准控制。在满足任务安全性的提前下，缩短了天地之间的交互时间，机械臂控制效果平稳。在轨实验结果表明，该方法具有较高的准确性和鲁棒性，可为后续的深空探测在轨遥操作采样任务提供借鉴。
针对“嫦娥五号”月面采样任务中采样机械臂的精准控制问题，提出了一种基于深度强化学习的路径规划方法。通过设计深度强化学习算法的多约束奖赏函数，规划了满足安全性、快速性、可达性3个约束的运动路径，实现了采样机械臂的精准控制。在满足任务安全性的提前下，缩短了天地之间的交互时间，机械臂控制效果平稳。在轨实验结果表明，该方法具有较高的准确性和鲁棒性，可为后续的深空探测在轨遥操作采样任务提供借鉴。
2021, 8(6): 572-581.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210055
摘要:
在“嫦娥五号”任务中，深空干涉测量系统正式参加轨道测量，提供了高精度的角位置信息。采用对流层时延混合建模技术，确保了实时干涉测量精度；利用分时跟踪技术，在链路带宽受限条件下首次开展了快速洲际干涉测量；通过对“嫦娥五号”探测器轨道测定结果分析，表明干涉测量误差修正、定轨精度符合给定的要求，验证了深空干涉测量在深空导航中探测器快速轨道确定的有效性。
在“嫦娥五号”任务中，深空干涉测量系统正式参加轨道测量，提供了高精度的角位置信息。采用对流层时延混合建模技术，确保了实时干涉测量精度；利用分时跟踪技术，在链路带宽受限条件下首次开展了快速洲际干涉测量；通过对“嫦娥五号”探测器轨道测定结果分析，表明干涉测量误差修正、定轨精度符合给定的要求，验证了深空干涉测量在深空导航中探测器快速轨道确定的有效性。
2021, 8(6): 582-591.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210108
摘要:
受测控通信链路时延、通信带宽和中继通信弧段制约，不同于地月空间，行星际空间遥操作技术更加复杂。面向解决首次行星际空间遥操作技术难题，针对火星车遥操作任务特点、技术难点以及飞行控制设计约束，确立了火星车遥操作控制模式和关键技术体系，提出了火星车遥操作系统总体设计方法与系统架构，并设计了火星车遥操作飞控模式与实施流程。将其应用于“祝融号”火星车在轨测控中，火星车始终保持高效移动探测，百日遥操作里程突破千米，验证了本文方法的正确性和有效性，为后续行星际遥操作任务奠定了技术基础。
受测控通信链路时延、通信带宽和中继通信弧段制约，不同于地月空间，行星际空间遥操作技术更加复杂。面向解决首次行星际空间遥操作技术难题，针对火星车遥操作任务特点、技术难点以及飞行控制设计约束，确立了火星车遥操作控制模式和关键技术体系，提出了火星车遥操作系统总体设计方法与系统架构，并设计了火星车遥操作飞控模式与实施流程。将其应用于“祝融号”火星车在轨测控中，火星车始终保持高效移动探测，百日遥操作里程突破千米，验证了本文方法的正确性和有效性，为后续行星际遥操作任务奠定了技术基础。
2021, 8(6): 592-599.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210103
摘要:
当电磁波穿过行星际空间区域飞行时，太阳等离子体给测控通信信号带来较大的反射损耗并降低测控通信信号的功率。分析了等离子体延迟误差与深空探测器测控的影响，讨论了等离子体延迟误差与太阳–地球–探测器夹角
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、探测器与日心距离
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的关系，将仿真结果和“天问一号”在轨实测数据进行对比验证。结果表明，等离子体延迟随着SEP和
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的增大而减小，深空航天器精密测定轨时必须考虑太阳等离子体的延迟影响，对等离子体延迟误差修正后，再经动力学轨道改进可消除残余误差。
当电磁波穿过行星际空间区域飞行时，太阳等离子体给测控通信信号带来较大的反射损耗并降低测控通信信号的功率。分析了等离子体延迟误差与深空探测器测控的影响，讨论了等离子体延迟误差与太阳–地球–探测器夹角
2021, 8(6): 600-607.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210057
摘要:
月球与行星探测中，甚长基线干涉（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术为实现高精度测角，需要稳定的频率基准。设计了一种仅用单套设备、单根光纤实现多用户传输的频率传递系统。该系统通过混频器与环形器等组合实现无锁相环的全自动快速往返校正，以补偿频率标准信号传输中的相位漂移，为测站提供稳定的频率基准，降低测量误差。该系统兼容电缆和光纤传输介质，兼具实时补偿和事后补偿模式，能满足有多天线的测站的需求。经地面验证，实时补偿模式天稳达10−17量级，并有能力升级到天稳10−19量级；事后补偿模式天稳达10−18量级。经VLBI射电源观测和对“天问一号”火星探测器的观测验证，两站钟速差降至10−14量级，能满足为多天线或多测站提供稳定本振进行VLBI观测的需求。目前该系统已在VLBI深空测控和地球定向参数（Earth Orientation Parameters，EOP）测量中应用，表现出较高可靠性。
月球与行星探测中，甚长基线干涉（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术为实现高精度测角，需要稳定的频率基准。设计了一种仅用单套设备、单根光纤实现多用户传输的频率传递系统。该系统通过混频器与环形器等组合实现无锁相环的全自动快速往返校正，以补偿频率标准信号传输中的相位漂移，为测站提供稳定的频率基准，降低测量误差。该系统兼容电缆和光纤传输介质，兼具实时补偿和事后补偿模式，能满足有多天线的测站的需求。经地面验证，实时补偿模式天稳达10−17量级，并有能力升级到天稳10−19量级；事后补偿模式天稳达10−18量级。经VLBI射电源观测和对“天问一号”火星探测器的观测验证，两站钟速差降至10−14量级，能满足为多天线或多测站提供稳定本振进行VLBI观测的需求。目前该系统已在VLBI深空测控和地球定向参数（Earth Orientation Parameters，EOP）测量中应用，表现出较高可靠性。
2021, 8(6): 608-613.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210122
摘要:
深空探测任务中遥测数传码速率极低、传输时间受限、数据接收总量有限，为获取尽可能多的数据，需减少不必要的流量传输并提高数据接收效率。针对传统帧同步中过程中三态逻辑转换中的数据损失问题，提出了一种适用于深空极低码速率条件下的帧同步回溯方法。利用有效的帧同步锁定状态信息，对帧同步过程中三态逻辑转换时的数据帧进行回溯，能够有效获取多帧可靠的遥测数据。在“天问一号”火星探测任务，提出的方法成功应用于环绕器和火星车极低码速率条件下遥测数据接收，结果表明引入该方法后接收的有效数据帧比传统方式多2~4帧，传输效率比传统方法提高了13%~40%。提出的方法能获取更多有效的数据并提高传输效率，适用于深空低码速率的数据接收，可用于后续小行星、木星及太阳系边际探测任务中。
深空探测任务中遥测数传码速率极低、传输时间受限、数据接收总量有限，为获取尽可能多的数据，需减少不必要的流量传输并提高数据接收效率。针对传统帧同步中过程中三态逻辑转换中的数据损失问题，提出了一种适用于深空极低码速率条件下的帧同步回溯方法。利用有效的帧同步锁定状态信息，对帧同步过程中三态逻辑转换时的数据帧进行回溯，能够有效获取多帧可靠的遥测数据。在“天问一号”火星探测任务，提出的方法成功应用于环绕器和火星车极低码速率条件下遥测数据接收，结果表明引入该方法后接收的有效数据帧比传统方式多2~4帧，传输效率比传统方法提高了13%~40%。提出的方法能获取更多有效的数据并提高传输效率，适用于深空低码速率的数据接收，可用于后续小行星、木星及太阳系边际探测任务中。
2021, 8(6): 614-624.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210100
摘要:
以20 m分辨率的月球数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）为数据源，在不同的纬度区域选取了16个典型月貌样区，基于数据并行技术定量计算月表实际起伏地形下2020年的可照时间和太阳辐射。源于数字地形分析中的坡谱模型，采用矩形窗口扩张法提取了不同地貌样区的稳定坡度–年平均可照时间谱、坡度–年平均太阳辐射谱、坡向–年平均太阳辐射谱以及稳定面积。结果表明：月表太阳辐射和可照时间的空间分布受地形要素影响显著；月表可照时间和太阳辐射整体呈现出随纬度增大而逐渐减小的分布特征；各样区稳定面积与坡度的变异系数呈正相关关系。研究结果可为未来月球基地建设选址提供支持。
以20 m分辨率的月球数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）为数据源，在不同的纬度区域选取了16个典型月貌样区，基于数据并行技术定量计算月表实际起伏地形下2020年的可照时间和太阳辐射。源于数字地形分析中的坡谱模型，采用矩形窗口扩张法提取了不同地貌样区的稳定坡度–年平均可照时间谱、坡度–年平均太阳辐射谱、坡向–年平均太阳辐射谱以及稳定面积。结果表明：月表太阳辐射和可照时间的空间分布受地形要素影响显著；月表可照时间和太阳辐射整体呈现出随纬度增大而逐渐减小的分布特征；各样区稳定面积与坡度的变异系数呈正相关关系。研究结果可为未来月球基地建设选址提供支持。
2021, 8(6): 625-631.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200088
摘要:
探测太阳系边际需要寻找高效的推进系统和设计合理逃离太阳系的轨迹。提出了利用贝塞尔形函数方法快速生成电动帆逃离太阳系的三维轨迹，为更精确的轨迹优化算法提供合适的初始解。通过将贝塞尔形函数方法获得的结果作为高斯伪谱法（Gauss Pseudospectral method，GPM）的初始解进行计算，并对贝塞尔形函数方法获得的结果对直接解算器初始解的适用性进行了评估。仿真结果表明，贝塞尔形函数方法可以在短时间内为直接优化求解器设计出合理的电动帆逃离太阳系的三维初始轨迹。对于在太阳系边际探测初步任务设计阶段快速评估大量电动帆飞行场景具有参考意义。
探测太阳系边际需要寻找高效的推进系统和设计合理逃离太阳系的轨迹。提出了利用贝塞尔形函数方法快速生成电动帆逃离太阳系的三维轨迹，为更精确的轨迹优化算法提供合适的初始解。通过将贝塞尔形函数方法获得的结果作为高斯伪谱法（Gauss Pseudospectral method，GPM）的初始解进行计算，并对贝塞尔形函数方法获得的结果对直接解算器初始解的适用性进行了评估。仿真结果表明，贝塞尔形函数方法可以在短时间内为直接优化求解器设计出合理的电动帆逃离太阳系的三维初始轨迹。对于在太阳系边际探测初步任务设计阶段快速评估大量电动帆飞行场景具有参考意义。
2021, 8(6): 632-640.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210114
摘要:
为抑制由航天器速度引起的脉冲星信号多普勒效应，提出了基于直接/间接混合测速的Ｘ射线复合脉冲星导航方法。直接测速方法根据脉冲星畸变轮廓直接提供速度信息，提出了一种面向直接测速测距的畸变轮廓匹配估计方法。直接测速精度高，但仅适用于高流量脉冲星，即Crab脉冲星。间接测速方法通过建立速度与脉冲星到达时间之间的关系模型，由卡尔曼滤波器间接提供速度信息。低流量脉冲星畸变轮廓信噪比低，无法体现脉冲星畸变这一微弱特征。因此，间接测速方法适用于低流量脉冲星。在此基础上，利用直接测速与间接测速方法轮流对滤波器更新，卡尔曼滤波器提供高精度导航信息。仿真结果表明，与间接测速脉冲星导航相比，基于直接/间接混合测速的Ｘ射线脉冲星导航方法的精度提高了15%。
为抑制由航天器速度引起的脉冲星信号多普勒效应，提出了基于直接/间接混合测速的Ｘ射线复合脉冲星导航方法。直接测速方法根据脉冲星畸变轮廓直接提供速度信息，提出了一种面向直接测速测距的畸变轮廓匹配估计方法。直接测速精度高，但仅适用于高流量脉冲星，即Crab脉冲星。间接测速方法通过建立速度与脉冲星到达时间之间的关系模型，由卡尔曼滤波器间接提供速度信息。低流量脉冲星畸变轮廓信噪比低，无法体现脉冲星畸变这一微弱特征。因此，间接测速方法适用于低流量脉冲星。在此基础上，利用直接测速与间接测速方法轮流对滤波器更新，卡尔曼滤波器提供高精度导航信息。仿真结果表明，与间接测速脉冲星导航相比，基于直接/间接混合测速的Ｘ射线脉冲星导航方法的精度提高了15%。
