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月基对地观测研究现状与展望
郭华东, 丁翼星, 刘广
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210080
摘要(146)
摘要:
在月球上布设遥感传感器能实现长期、整体、稳定的对地观测,完善现有系统的观测能力,尤其是能从地球系统外部来观测地球系统本身的演化过程,以及地球系统与外部的相互作用和影响。从科学目标、传感器技术、参数模拟和估算方法以及观测站选址4个方面详细论述了月基对地观测研究进展,围绕涉及的关键科学问题进行推进,并总结了针对传感器论证、任务设计、数据处理和信息提取提出的一系列新模型和新方法,对月基对地观测提出了一些发展建议。
月球南极月基平台选址分析
张吉栋, 李向月, 平劲松
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210079
摘要(40)
摘要:
针对月球南极的月基平台选址问题,选取表面光照、对地观测条件和坡度作为主要参考因素,评估月表太阳能及热环境条件、科学数据获取能力及构建难度;基于地形数据和日、地、月三者的轨道数据建立的月面光照及月基对地观测一体化几何模型对7个重点区域(M1~M7)开展研究,将光照率大于80%且对地观测率大于30%的月面位置作为月基平台初选区,分析其坡度条件并开展分级评价。研究结果:结合各初选区特点最终推荐了3个优选级较高的月面区域作为选址区,分别位于德·杰 拉许(De Gerlache)撞击坑东部边缘(M1内),斯维德鲁普(Sverdrup)撞击坑与沙克尔顿(Shackleton)撞击坑之间的山顶处(M4内),以及Shackleton撞击坑与斯莱特(Slater)撞击坑之间的山顶处(M7内)。该研究可为后续的月球南极探测任务提供参考。
一种线阵推扫式行星遥感影像摄影测量快速处理方法
耿迅, 徐青
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210002
摘要(13)
摘要:
对地外天体表面的遥感影像进行摄影测量处理是制作行星制图产品的主要技术途径。然而,现有行星摄影测量方法在处理长条带线阵推扫式遥感影像时存在效率较低与适用性有限等问题。设计了基于快速几何纠正的线阵推扫式行星遥感影像的摄影测量处理方法并自主研发了相应的软件模块,在建立线阵影像严密几何模型的基础上,利用快速反投影算法进行几何纠正,并开展多线程程序设计进一步提升正射影像图生成效率。首先在快速几何纠正生成的近似正射影像上进行匹配获取连接点,然后再利用严密几何模型将连接点转换至原始影像空间,有效地解决了大数据量线阵推扫式行星遥感影像的连接点控制网构建问题。利用月球侦察轨道器NAC影像与火星快车HRSC影像开展试验验证,处理生成了“嫦娥四号”(Chang'E-4)着陆区与Mars 2020预选着陆区局部区域的正射影像图与数字高程模型,与USGS ISIS软件相比,所提方法显著提升了线阵推扫式行星遥感影像的处理效率。
基于月基观测几何的地球辐射能量模拟研究
黄靖, 郭华东, 刘广, 邓玉
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210078
摘要(30)
摘要:
月基平台以其整体性、多角度、长周期等特点,可望实现对地球整体辐射收支进行精确估算。为了评估月基平台对地球辐射能量的观测能力,建立了基于地月几何关系的一一映射算法,使用戈达德地球观测系统模型第五版(Goddard Earth Observation System model version 5,GEOS-5)数据作为模型输入,用以模拟月基视场地球向外辐射能量,从而形成对月基观测的地球辐射能量规律性认识。结果表明:月基传感器可以观测包括极区在内约178°跨度的经纬度区域;月球变轨道倾角将为地球高纬度地区提供更好的观测条件,极区观测高度角可达到60°。该模拟方法可以为观测地球向外辐射提供有效支持,为后续研究打下坚实的基础。
“嫦娥五号”采样点周缘穹窿形貌特征及成因研究
吴文慧, 任鑫, 陈媛, 帕丽古力·杰恩斯, 孙国洋
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210068
摘要(173)
摘要:
“嫦娥五号”采样点周缘区域分布有吕姆克山(Mons Rümker)和梅朗(Mairan)火山穹窿构造。通过“嫦娥”影像和地形数据对两类穹窿的形貌特征和形成因素展开对比研究,讨论穹窿的划分标准。共计圈定了Mons Rümker 13个月海穹窿和Mairan所在的4个非月海穹窿,并计算了穹窿形成过程中的岩浆流变学参数。研究结果表明:Mons Rümker月海穹窿较为低缓,按照坡度和高度划分为Mons Rümker第一类月海穹窿(坡度均< 5°,高度200~400 m)和Mons Rümker第二类月海穹窿(坡度5°~7°,高度300~600 m),其中第二类较高陡的月海穹隆具有较高的粘度和更低的喷发速率。 Mairan非月海穹窿更为高陡,其岩浆喷发速率低于Mons Rümker月海穹窿,岩浆粘度较高,流动性较差,喷发周期较长;在空间上,Mairan所在的4个非月海穹窿呈线性展布,其物质成分和形成时间相近,表明彼此关联的可能性很大。
月表太阳风和粒子辐射环境—“嫦娥四号”观测新结果
王赤, 李磊, 张爱兵, 张珅毅, 侯东辉, 徐子贡, 谢良海, 王慧姿, 罗朋威, 郭静楠, 史全岐, 张小平
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220020
摘要(9)
摘要:
太阳风、太阳高能粒子、银河宇宙线几乎可以无阻碍地到达月面,与月表发生相互作用。太阳风粒子以能量中性原子的形式被月壤散射的过程与太阳风状态、月表电磁环境、局部地形、月壤特性等因素均有关系;银河宇宙射线、太阳高能粒子与月壤相互作用产生以中子和伽马射线为主的反照辐射,形成特殊的月表粒子辐射环境。介绍了“嫦娥四号”首次在月球背面原位所测量的能量中性原子、粒子辐射环境,分析了月面ENA的能谱等特性、月球微磁层存在的观测证据及月面辐射环境的构成及其随时间的变化。结果表明月表能量中性原子观测为认识太阳风与月球的相互作用,这为研究月球微磁层内部结构及成因提供了新的视角;而月面辐射环境的测量为未来月球探测中航天员和设备的安全保障提供了重要依据。
“天问一号”着陆区地貌解译与定量分析
刘佳, 刘斌, 邸凯昌, 岳宗玉, 于天一, 王镓, 芶盛
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210123
摘要(37)
摘要:
利用火星5 m分辨率的火星背景相机数字正摄影像图(Context Camera Digital Orthophoto Map,CTX DOM)及“天问一号”轨道器获取的高分影像数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)产品数据,在以着陆区点为中心的20×20 km2范围内,对“天问一号”着陆点附近的撞击坑分布密度、撞击坑的深度、深径比等进行定量分析,着重从火星车着陆区的撞击地貌入手,对着陆区的地质背景进行解译分析研究,结果表明:着陆点周边20 km范围内,除了包含大规模的小型撞击坑以及大量的横向风成脊外,还存在很多凹锥、构造脊和沟槽;火星着陆区表面的撞击坑大部分是二次坑或是已退化的撞击坑,深径比介于0.001~0.136之间。研究对着陆区地质地貌特征的深入分析,可为乌托邦平原(Utopia Planitia)的地质演化历史研究提供支撑。
坡度变化率建模的低分辨率坡度补偿方法
尹力, 叶乐佳, 邸凯昌, 刘斌, 孙小珠, 王长焕, 薄正
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210161
摘要(37)
摘要:
为解决月球、火星等行星表面缺乏高分辨率DEM(Digital Elevation Model)而造成的坡度低估问题,提出一种坡度变化率因子参与建模的低分辨率坡度补偿方法。方法对现有坡度补偿模型进行改进,在补偿模型中引入了坡度变化率参数,以提升坡度补偿的精度;利用月球和火星数据进行方法验证,选取覆盖多种地形的月球和火星低分辨率DEM,利用改进的方法进行坡度补偿,并利用高分辨率DEM生成的坡度做验证。实验结果表明:补偿后坡度较补偿前能更好地表征月球和火星表面的地形特征,且考虑坡度变化率的改进方法比传统的线性补偿方法更加有效。基于此方法,给出了适用于月球多地形的整体坡度补偿模型参数以及分级补偿模型参数,并对覆盖“天问一号”着陆点50 km×50 km的低分辨率火星坡度数据进行了补偿及分析应用。
月基对地观测图像模拟与应用研究
邓玉, 郭华东, 刘广, 叶罕霖, 黄靖
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210073
摘要(25)
摘要:
针对现有模拟系统只是定性描述月基对地观测图像的问题,提出了一种基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟方法,建立了像点和物点之间的定量关系,并将其应用于月基对地观测几何图像和辐射能量图像的模拟中。基于长时间序列的模拟结果,进一步分析和归纳了月球特有的轨道特性对几何图像以及辐射能量图像各自属性的影响。结果表明:基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟算法具有可行性,准确地表达了图像特性随着月球轨道特性变化而变化的规律。该方法为月基对地观测图像的应用奠定了基础,对于后续月基不同类型的传感器的参数设计具有较大的参考意义。
月基SAR对地观测时空特性研究
陈国强, 郭华东, 梁达, 丁翼星, 吕明阳, 刘广
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210076
摘要(45)
摘要:
月基雷达能对地表目标进行长时间大尺度范围的观测。根据美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)星历数据,分析了月基合成孔径雷达微波(Synthetic Aperture Radar ,SAR)平台在不同场景时对地球在时间上和空间上观测性能的差异,结合实际地月相对运动的空间关系完成了月基SAR回波的仿真。结果表明:通过月基SAR平台,可以找到位于地表的零多普勒面交线,并以此为基础实现较长时间、较大地面范围的周期性观测,用SAR回波仿真验证了其可行性。通过研究月基SAR的观测,可以为后续研究诸如地表潮汐运动、极区海冰回弹提供基础。
月基观测地球大气层顶辐射特性研究
叶罕霖, 邓玉, 刘广, 郭华东
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210074
摘要(31)
摘要:
针对月基辐射计参数设计的不确定性,研究了基于月基辐射计观测地球大气层顶的辐射特性。基于月基平台,将地球作为类点状辐射源进行观测,分析了月面不同位置观测特性、观测数据受观测几何影响以及观测采样特性。结果表明:月球是一个变轨道倾角、变观测距离的轨道,一个轨道周期内可以完成对地球全球的充分采样,满足对地球完全时空覆盖观测的条件;在月面中心区域观测获得的大气层顶辐射能量较高;建议的传感器动态范围在5.50×10−2~8.50×10−2 W/m2之间,观测时间采样间隔不大于4 h,累积采样周期为一个轨道周期(27.3 d)。得到的结果为月基辐射计参数设计与观测参数确定提供了重要依据。
地外天体形貌测绘研究现状与展望
徐青, 耿迅
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210162
摘要(28)
摘要:
地外天体的形貌测绘产品为深空探测工程任务的顺利实施以及各种行星科学研究提供基础地理信息数据,用于着陆区选址、巡视器路径规划、行星地质与地貌分析等。对月球、火星、小行星探测任务中有代表性的形貌测绘技术与遥感制图成果进行了总结,重点梳理了利用测绘相机、激光高度计等科学仪器获取月球与行星表面的数字正射影像图与数字高程模型的研究现状。结合中国开展地外天体形貌测绘的实际需求,针对标准制定、数据共享、关键技术瓶颈、数据处理技术体系等方面给出了几点建议。
“天问一号”着陆区遥感形貌建模与制图分析
柳思聪, 童小华, 刘世杰, 谢欢, 赵慧, 刘大永, 许雄, 叶真, 王超, 刘祥磊
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220005
摘要(149)
摘要:
综合利用火星轨道器多源遥感影像数据,构建了火星表面形貌精细建模与自动分类方法。 其中,结合摄影测量法与明暗恢复形状法(Shape From Shading,SFS)研究制作了“天问一号”着陆区域的高分辨率三维地形,并通过深度卷积神经网络对着陆区形貌类别及其分布进行分类分析。通过地形剖面分析的结果表明,所提出方法制作的高精度地形数据与中、美两国已发布的火星高分辨率数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)产品相比,高程误差均值分别为1.866 m和1.074 m,均具有较高一致性。此外,通过形貌及制图综合分析可以看出,着陆点附近坡度在3°以下,着陆点附近地表的起伏程度不大于30 cm,以此验证了“天问一号”着陆区整体地势平缓、形貌类别较单一,符合探测器安全着陆的需求。国产“天问一号”高分辨率相机数据制作的地形及分类结果可有效应用于着陆及巡视探测区的形貌特征分析,联合HiRISE等多源火星遥感数据,可为后续“祝融号”巡视器科学探测提供重要的基础数据和参考信息。
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月基对地观测研究现状与展望
郭华东, 丁翼星, 刘广
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210080
摘要(44)
摘要:
在月球上布设遥感传感器能实现长期、整体、稳定的对地观测,完善现有系统的观测能力,尤其是能从地球系统外部来观测地球系统本身的演化过程,以及地球系统与外部的相互作用和影响。从科学目标、传感器技术、参数模拟和估算方法以及观测站选址4个方面详细论述了月基对地观测研究进展,围绕涉及的关键科学问题进行推进,并且针对传感器论证、任务设计、数据处理和信息提取提出的一系列新模型和新方法进行了总结。最后对月基对地观测研究的发展提出了一些建议。
黄道面内多目标小行星飞越探测任务轨道优化设计
郝志鑫, 郑建华, 李明涛
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210143
摘要(73)
摘要:
近距离飞越小行星可获取小行星的表面图像、测量小行星的光谱、反演小行星物理化学性质。对潜在威胁小行星实施多目标飞越探测任务的轨道进行优化设计,分析潜在威胁小行星穿越黄道面时刻与位置分布,以小行星穿越黄道面时刻作为探测器飞越小行星的时刻,通过波束选择树搜索算法优化求解序贯飞越序列,建立了一种快速有效求解小行星序贯飞越任务轨道的优化方法模型。仿真结果表明,2024-2028年发射的小行星探测器可在黄道面内飞越探测至少18颗潜在威胁小行星,2027年9月发射窗口在10 a任务周期内可飞越21颗潜在威胁小行星。
目录
2022年第9卷第2期目录
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封面
封面
2022, 9(2).  
摘要(36) PDF 18575KB(19)
摘要:
专题 : 月球水冰采样探测技术研究 (主持人:姜生元 教授,哈尔滨工业大学)
月球极区水冰采样探测技术综述
季节, 张伟伟, 杨旭, 刘君巍, 马如奇, 孙京, 姜生元
2022, 9(2): 101-113.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210151
摘要(182) HTML(29) PDF 4403KB(70)
摘要:
面向月球水冰科学探测需求,根据月球极区环境及水冰特性,总结了实施月球极区水冰采样探测任务面临的挑战及所需的关键技术。根据水冰采样点选址预判需求,概述了力学触探、热电物性触探、雷达探测、光谱探测、中子谱探测5种方法;面向表层暴露水冰采样需求,阐述了铲挖式、浅钻式、磨削式3类表取采样技术;根据次表层埋藏水冰采样需求,概括了星壤次表层潜入技术体系,介绍了集成传感、挥发分提取、星表取钻屑、钻头外取屑、钻头内取屑、取芯6类钻进采样技术。对中国实施月球水冰采样探测任务技术途径提出了建议。
动能侵彻式星壤物性原位触探技术研究进展
姜生元, 张伟伟, 杨宇彬, 李红浪, 贺怀宇, 张熇, 黄江川, 邓宗全
2022, 9(2): 114-122.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20191106001
摘要(86) HTML(23) PDF 2437KB(27)
摘要:
动能侵彻式原位探测是一种获取星壤剖面结构、物质成分和物性参数的有效技术手段。综述了星壤剖面动能侵彻式原位探测技术的研究现状和发展趋势,提出了动能侵彻式原位触探的关键技术及其解决途径;结合中国未来深空探测总体规划和关键技术攻关需求,提出了适用于月球、火星及小天体的动能侵彻式原位触探方案,为即将实施的地外天体着陆探测工程立项论证和实施提供新方法和新方案。
极区月壤和水冰形成演化机制及物理特性研究
李雄耀, 魏广飞, 曾小家, 李阳, 唐红, 刘建忠, 姜生元, 邹猛, 马继楠, 王储, 贺怀宇, 郑万平, CLOUTICS Edward
2022, 9(2): 123-133.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210147
摘要(118) HTML(70) PDF 2473KB(40)
摘要:
月球极区独特的光照条件和表面环境特征是水富集和保存的理想场所,探测永久阴影区内的水冰对科学研究和开发利用月球资源具有重要的意义。综合调研了国际上在月球极区开展的理论研究和遥感探测成果,阐述了极区地质、表面光照条件和热环境特征。介绍了极区月壤和水的形成演化机制及水冰可能的赋存状态。系统梳理了国际上关于极区水冰的探测历程和方法,综合各种探测结果后取得的关于水冰分布特征的认识。根据分析Apollo 16样品后得到的物性、化学、矿物组成和粒径分布基本特征,提出了极区月壤模拟样品制备标准。通过对月球极区探测结果梳理并建立了系统认识极区地质演化的框架,为将来的月球极区月壤和水冰探测提供较为全面的参考。
月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析
刘君巍, 汪恩良, 田野, 刘兴超, 唐亮, 崔江磊, 陶立军, 葛坦龙, 卢孜筱, 张伟伟, 唐钧跃, 姜生元
2022, 9(2): 134-140.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210153
摘要(221) HTML(24) PDF 2085KB(24)
摘要:
针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息,分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点,提出一种基于“相似性、等效性、均一性与覆盖性”的月壤水冰组构模拟方法,并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试,获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律,得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围,可为月壤水冰原位探测与利用相关载荷的研发提供设计依据。
侵彻式月壤探测地面模拟试验研究
孙淼, 张鸿宇, 迟润强, 庞宝君, 肖俊孝, 范锦彪, 钱成, 卢孜筱, 姜生元
2022, 9(2): 141-149.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210149
摘要(190) HTML(29) PDF 4832KB(30)
摘要:
月面通常由细颗粒粉末状月壤覆盖,利用侵彻器可实现次表层月壤的探测。在侵彻器与月壤相互作用的过程中,为研究侵彻器结构及科学载荷缓冲结构的抗冲击性能、不同剖面组构的抗侵彻性与辨识性,以及侵彻后对月壤的扰动强弱,开展了100~260 m/s全尺寸侵彻器对3类月壤模拟样本的侵彻试验。试验结果表明,约3×104 g过载下侵彻器结构完好,载荷运行正常;侵彻无硬层月壤模拟样本靶标时,滤波后侵彻器过载峰值约1 000 g;侵彻月岩或水冰模拟样本靶标时,滤波后侵彻器过载峰值为无硬层月壤模拟样本靶标的5倍以上,弹载记录仪可对不同强度成层模拟样本靶标进行辨识;在弹道终点处,距侵彻器约20 mm范围内的颗粒类模拟样本靶标表现为扰动破碎,中值粒径最多降低约70%。可为探月四期探测工程探测器设计提供参考。
月壤水冰模拟样本SHPB试验及反射波特性分析
肖俊孝, 庞宝君, 唐钧跃, 迟润强, 陈圣鹏, 刘君巍, 田野, 张伟伟, 姜生元
2022, 9(2): 150-156.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210154
摘要(88) HTML(15) PDF 2661KB(16)
摘要:
高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵彻等方式实现原位探测,探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系,探测机具在设计的过程中应充分考虑月壤水冰的动力学特性。提出一种利用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实现超低温月壤水冰模拟样本的动力学特性测试的试验方法。利用SHPB试验系统,对–170 ℃极低温状态下3种不同含水率的月壤水冰模拟物开展了动态力学特性测试。通过分析试验结果,得到了不同应变率条件下月壤水冰模拟物的强度参数,总结出了月壤水冰模拟物应变率增强效应的规律;结合不同含水率样本SHPB试验的反射波频谱特性存在明显的差异的特性,提出一种基于钻具冲击反射波特性的月壤水冰含量辨识方法。可为月球水物质“探–采–用”探测器系统的研制工作提供有效参考。
双体振贯采样磁力驱动式月壤采样器设计
孙凤, 霍晓文, 茅冒, 赵海宁, 徐方超, 张伟伟, 陈化智, 唐钧跃, 张晓友, 杨旭, 刘雅芳, 姜生元
2022, 9(2): 157-164.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210150
摘要(71) HTML(31) PDF 2524KB(16)
摘要:
为降低月壤采样器的功耗,并减小工作反力,提出一种双体振贯式采样方法,详细设计了两种不同磁力驱动方式的采样器,采用电磁仿真软件得到了采样器的驱动力,利用离散单元法数值模拟软件研究了颗粒单向运移特性,开展了采样器对模拟松散月壤和月壤硬岩的掘进采样试验,验证了采样器的驱动力大小。试验结果表明:采样器针对模拟松散月壤具有较高的掘进速率,对模拟月壤硬岩具有一定的破碎掘进能力。可为未来深空探测星壤采样装置设计提供参考。
月壤微定量采样器设计与试验验证
张志恒, 唐钧跃, 张伟伟, 孙凤, 李鹏, 王储, 刘子恒, 贺怀宇, 刘冉冉, 马如奇, 姜生元
2022, 9(2): 165-172.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210148
摘要(86) HTML(16) PDF 2959KB(19)
摘要:
根据月球极区的环境和工况,分析了科学探测仪器对月壤样本的实际需求,提出一种将采样与挥发分提取相耦合的挥发分制备方法。通过设计一种采样片,完成月壤的微定量采样,多个采样片串联装于采样管内组成采样器。采样后将采样片置于提取装置中加热,以感应加热的方式间接加热内部的月壤,完成挥发分制备。针对地外天体采样功能需求,对采样器和采样片工作原理和关键结构参数进行了设计,开展了拟实环境下的月壤微量采样性能验证试验,结果表明月壤含水率越低,采样量越接近目标值;初步加热试验表明该方案能够在指定功率下将采样片加热至目标温度。可用于未来的深空探测挥发分原位分析。
研究论文
月面表层无人采样控制技术
张宽, 于天一, 胡晓东, 刘传凯, 李立春, 赵焕洲
2022, 9(2): 173-182.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210052
摘要(127) HTML(54) PDF 3146KB(32)
摘要:
针对“嫦娥五号”月面表层无人采样任务过程中机械臂精确控制难度大、器地协同工作复杂导致常规遥操作工作模式难以在有限时间内完成任务的问题,提出了月面表层无人采样高效控制方法和新的工作模式。通过建立采样区量化评价指标体系实现采样点规划、采用预先规划方法进行任务规划和机械臂运动控制规划、在线学习机械臂末端精调路径与多视角融合图像测量分析精调控制量、基于状态自动发令与实时管控工作进度等技术,实现了环境感知、任务规划与验证、机械臂末端精调规划、控制实施等环节提高工作效率。“嫦娥五号”月面表层采样任务在轨实施情况表明控制方法和新的工作模式能够极大提升采样工作效率,为未来火星和小行星采样工程项目奠定了基础。
“嫦娥五号”发射及入轨段X频段测控任务设计
李海涛, 程承, 黄磊, 陈少伍, 李宇波, 强立, 康凯
2022, 9(2): 183-190.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210099
摘要(130) HTML(26) PDF 2579KB(24)
摘要:
X频段测量具有精度高、无线电干扰少等优势,已成为月球与深空探测的主用频段。“嫦娥五号”任务探测器首次在发射段使用X频段测控。与S频段测控相比,X频段在发射及入轨段存在目标动态范围大、地面天线波束更窄、系统捕获时间长等不足。发射“嫦娥五号”探测器的“长征五号”火箭采用了窄窗口多轨道发射方案,两者共同对测控系统发射段快速捕获、测量船位选择和入轨后地面站首次捕获提出了更高的要求。针对“嫦娥五号”发射及入轨段的测控重点难点,采用了特征点覆盖船位分析、多普勒预置快速扫描捕获和入轨段欧洲航天局(European Space Agency,ESA)库鲁站与中国阿根廷深空站协同备份等方法,设计X频段测控任务总体方案,有效降低了任务实施的风险,保障了任务成功。总结“嫦娥五号”任务成功经验,对未来月球与深空任务测控总体设计、建设规划提出了建议。
月球采样返回飞控任务多目标协同规划设计
彭德云, 谢剑锋, 赵凤才, 梁爽, 陈翔, 张爱成
2022, 9(2): 191-201.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210082
摘要(68) HTML(21) PDF 2686KB(23)
摘要:
基于月球采样返回任务飞行过程复杂、四器多组合模态协同控制复杂、多类约束关联组合复杂、多种关键控制密集难点,提出了月面采样返回飞行控制任务多目标协同规划设计,确保多目标在轨密集指令与各类型测控资源安排协同有序。分析了月球采样返回与以往月面软着陆和近地交会对接任务的继承差异,设计了复杂多目标器间代传上行控制关系描述、多目标测控资源分配和多目标事件规划方法。“嫦娥五号”在轨任务飞行控制应用表明所作设计是合理可行的。
“祝融号”火星车立体视觉算法并行设计与实现
毛晓艳, 苗志富, 陈建新, 李志平, 滕宝毅, 邢琰
2022, 9(2): 202-210.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210101
摘要(188) HTML(34) PDF 2590KB(29)
摘要:
针对地外天体的巡视探测任务,环境感知计算量大影响行走效率的问题,提出了立体视觉算法及并行优化设计与硬件协同来提高效率的方案。通过前向模型一次查表、省略冗余计算、三维点云生成与快速滤波等并行优化算法,立体视觉的计算量显著减少。再通过硬件的并行实现,感知效率比“玉兔二号”提升了8倍。“祝融号”火星车采用该算法自主避障,完成了安全高效的1 km行走距离,飞行在轨验证结果表明该设计在地外天体未知环境和资源约束条件下快速有效,可作为后续深空任务的基石。
“天问一号”近火飞越应急轨控策略设计方法
梁伟光, 张宇, 张尧
2022, 9(2): 211-216.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210112
摘要(84) HTML(29) PDF 2068KB(25)
摘要:
针对探测器近火未制动飞越火星的应急工况,设计了相应的轨控策略。通过分析探测器近火飞越时的火星引力助推加速效果,以及飞越火星后轨道长期演化情况,提出了从轨控能量和等待时间两个维度开展策略设计的思路,设计了能量优化、时间优化、能量时间代价折中等分支下的多种策略,通过理论分析和仿真验证,量化比较了各策略的优缺点,得出能量优化和时间优化可以作为首选方案的结论。所设计的应急策略保障了首次火星探测任务近火捕获在可控情况下稳妥实施,相关的研究方法和结论能够为飞控决策和应急控制提供技术支持及量化参考,并可扩展至相似背景的其他行星探测任务中。
基于ANCF的薄膜太阳帆自旋展开动力学模拟
薛鹏聪, 刘铖, 水小平
2022, 9(2): 217-229.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220004
摘要(94) HTML(46) PDF 5109KB(27)
摘要:
执行深空探测任务的薄膜太阳帆在入轨展开过程中,其薄膜结构在宏观力学响应上表现出显著的拉压不对称特性。系统的动力学行为呈现出强烈的非线性特征,使其动力学建模与仿真计算面对巨大挑战。基于绝对节点坐标方法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF),整合张力场和不同模量弹性理论,推导了单元精确的切线刚度矩阵,提出了一种考虑不同模量的ANCF薄膜单元计算方法。在此基础上,采用第一类拉格朗日方程对薄膜太阳帆进行动力学建模,并通过可控数值耗散的广义-α算法求解动力学方程,分析了太阳帆不同结构设计参数对其展开动力学特性的影响。仿真结果验证了该方法在处理空间薄膜问题时的算法稳定性和高效性,对大型帆膜结构的系统设计有理论指导意义。
星载等离子体探测仪回波的模拟研究
肖雄, 姜春华, 杨国斌, 赵正予
2022, 9(2): 230-236.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210127
摘要(170) HTML(28) PDF 2635KB(13)
摘要:
基于星载等离子体探测仪的实测回波图,提出结合全球尺度等离子体模型(Global Core Plasma Model,GCPM)和射线追踪技术来模拟电磁波在等离子体层和磁层等离子体环境中的传播过程。采用的射线追踪方法基于冷等离子体折射指数,考虑磁场对于折射指数的影响。该模拟方法通过仿真获取等离子体探测回波的结构特征,为星载等离子体探测仪获取实测等离子体回波图提供一定的参考价值。对后续从实测等离子体回波图中反演得到电子密度剖面具有指导意义,也为未来深空探测任务和通信工程的顺利实施提供重要的参考依据。

2014年创刊 双月刊

主 管: 工业和信息化部

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北京理工大学
中国宇航学会深空探测技术专业委员会

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