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小天体表面探测器弹跳运动与路径规划
王棒, 徐瑞, 李朝玉, 高越
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220042
摘要(10)
摘要:
针对传统轮式移动探测器难以适应小天体表面环境的问题,以立方体构型的跳跃式探测器为对象,分析了弱引力起跳模式,提出表面移动单步弹跳策略,以发挥其越障能力。同时针对这一特性提出变步长A*算法规划探测器表面移动路径,实现避障及越障巡视。仿真结果表明,探测器能够有效越过地形障碍,并且新算法减少了路径节点,对于高密度障碍地形计算效率更高。
小天体地形动态模拟与着陆视景仿真系统设计
姚文龙, 刘毅, 邵巍, 孙玉洁
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220010
摘要(6)
摘要:
针对小天体探测器着陆段光学图像导航难以开展实验验证等问题,基于虚拟现实设计小天体地形动态模拟与着陆视景仿真系统,实现了探测器姿态设计及着陆序列图像获取。运用三维建模技术建立小天体模型,利用加权最小二乘法实现模型网格光顺;采用线性插值处理贴图,通过球面映射与立方体映射相结合实现纹理映射;开发虚拟视景仿真场景,根据旋转矩阵法实现探测器姿态设计。实验表明:仿真系统能够满足探测器着陆段图像导航验证需求,可以实现对小天体地形动态观测及着陆图像获取,图形质量高、实时性好,通过具体实例仿真验证了该系统的有效性。
俄罗斯近地天体监测系统“NEBOSVOD”导航定轨性能分析
郭鹏, IVASHKINV V, 郎安琪, 陈香贵, 崔祜涛
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220045
摘要(24)
摘要:
从光学可探测区域和小行星定轨精度等方面,对俄罗斯近地天体监测系统——“天穹”(NEBOCVOD)的导航定轨性能进行了分析评估。结合天基光学测量系统的特性,通过在日–地旋转坐标系下构建小行星的视星等等值曲线和视运动轨迹,设计了光学可探测区域分析方法;通过对系统的运动和测量进行建模,并考虑不确定性扰动参数的影响,提出了基于改进最小二乘法和协方差分析法进行目标定轨和精度分析评估方法;以危险近地小行星Apophis、2008TC3以及车里雅宾斯克陨石为例,模拟天穹系统对不同轨道类型和不同尺寸近地天体的观测和定轨过程,获得了多个导航测量弧段的仿真结果。分析结果表明,天穹系统可以有效观测到类似Apophis(D≈320 m)的中型小行星以及更小(D≈4~50 m)的包括从地球阳面飞临的近地天体,并获得足够高的导航定轨精度。相关的研究方法和仿真结果可为同类型天基监测系统的设计研究提供参考。
双小行星系统不规则引力场中的共振轨道动力学研究
崔书豪, 王悦, 张瑞康
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220024
摘要(17)
摘要:
以双小行星系统66391 Moshup为例,考虑小行星引力场的不规则性,采用多面体-椭球引力场模型研究双小行星系统附近的共振轨道动力学,通过打靶法计算得到探测器的共振轨道,并延拓求解了一系列的共振轨道族,分析其稳定性与分岔特点,基于共振轨道流形设计了同宿转移轨道。研究结果表明,引力场的不对称性导致不存在严格的平面共振轨道,且对轨道的稳定性与分岔特性也存在一定的影响;同时,借助共振轨道的稳定特性是转移轨道设计的一个有效途径。
小天体近距离视觉导航的陆标鲁棒匹配方法
胡荣海, 黄翔宇, 徐超
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220019
摘要(30)
摘要:
针对目前陆标匹配方法难以应对小天体附近极端观测条件的问题,提出了一种陆标鲁棒匹配方法。对通过立体光度测量(StereoPhotoClinometry, SPC)法生成的地形陆标的匹配误差进行了理论分析,探讨了陆标的位置误差以及相机的位姿估计误差对匹配结果的影响;基于误差分析对陆标中的表面点进行了优化选取,并提出了加权归一化互相关(Weighted Normalized Cross-Correlation, WNCC)方法,以提高匹配精度、鲁棒性和计算效率;利用高保真度的合成图像序列对比分析了WNCC算法与目前小天体探测任务中广泛使用的归一化互相关(Normalized Cross-Correlation)算法在极端的尺度、视角和光照变化等条件下的匹配性能。数值统计结果表明,WNCC算法能够高效、鲁棒地为导航系统提供精确的陆标匹配信息。
小行星动能撞击自主导航与制导方法研究
黄翔宇, 徐超, 胡荣海, 郭敏文
当前状态:
摘要(16)
摘要:
针对近地小行星精确撞击任务需求,提出了一种小行星高精度撞击自主导航、制导与控制(Guidance Navigation & Control,GNC)系统方案,包括高精度的小行星中心视线提取方法、基于小行星中心视线测量的高精度自主相对导航方法以及迭代预测制导方法。该方案利用小行星中心视线测量实现了在垂直于视线方向上撞击器相对于小行星位置和速度的精确估计,在沿视线方向上撞击器相对位置和速度存在误差的情况下利用迭代预测制导实现了高精度撞击。数学仿真表明,所提出的方案能够实现50 m级近地小行星4 m级撞击精度,满足任务要求。
小天体导航陆标深度学习预测框匹配算法
肖扬, 李帅, 王光泽, 邵巍, 姚文龙
当前状态:
摘要(6)
摘要:
深度学习算法对小天体陨石坑等导航陆标的识别率相比传统算法高,但难以实现多种图像变化下的匹配,针对此问题提出一种基于特征描述符的识别预测框描述方法,并完成识别结果的匹配。该算法首先确定识别预测框圆形支撑区域,构建了具有旋转平移、尺度和亮度不变性的10维特征描述符,采用描述符向量间相对距离对预测框进行匹配。结果表明该算法对不同变换下图像都具有较强的鲁棒性,预测框正确匹配率达到90%以上,可为小天体探测导航提供技术支持。
小天体激光地形测绘与导航一体化设计方法
郭绍刚, 李林, 朱飞虎, 王立, 张运方, 赵琴, 郑岩, 马月超, 张恒康
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220041
摘要(7)
摘要:
针对小天体探测高帧率、高分辨率和高测距精度需求,深入分析了激光测绘导航方法现状,提出了一种混合固态激光三维地形测绘与导航一体化设计方法。通过单光子面阵探测器与532 nm光纤激光器实现高成像帧率,通过二维音圈电机快反镜多模式扫描实现大视场和亚像素成像分辨率,采用达曼光栅分束器实现激光光束高精度扩束与衍射。将其应用到小天体探测中,结果表明:激光测距精度优于3 cm(3σ),帧频4 Hz,成像分辨率达到1 100×1 100单位是像素吗?。所提出的方法可兼顾地形测绘与导航,实现多功能轻小型一体化设计,可极大降低资源消耗,对中国小天体探测任务的实施具有良好的指导意义。
小行星多面体模型的深度神经网络近似
倪阳, 泮斌峰
当前状态:
摘要(10)
摘要:
基于不规则小行星的多面体模型,使用深度神经网络对其引力计算和位置判断准则进行了学习近似,提出了一种小行星无动力下降任务的快速计算方法。利用多面体法生成训练数据,训练两个神经网络模型分别用于小行星周围引力场的计算和判别是否到达小行星边界,以实现替代多面体法的目的。这种方法既能保证小行星附近的引力计算精度,又能节省计算时间。以爱神星Eros433小行星为例,仿真计算了该方法下无动力下降过程的轨迹和落点位置,仿真结果显示神经网络模型的计算精度能够满足任务要求,落点位置的偏差在合理范围,并且计算效率高,可用于大规模的仿真实验。
与地共轨小行星附近测绘轨道的性能分析与评估
石玉, 舒磊正, 张皓
当前状态:  doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220044
摘要(11)
摘要:
在小行星探测任务中,航天器抵达小行星附近后需对小行星的各项基本参数测量,为后续任务提供支持。分析了小行星附近环绕型轨道和飞掠型轨道在小行星测绘方面的性能,采用数值方法分析了不同距离下小行星附近的稳定环绕轨道和双曲线飞掠轨道,提出了考虑光照条件和小行星不规则形状遮挡的覆盖率计算方法,从覆盖率、测绘时间、燃料消耗,以及鲁棒性等方面评价测绘轨道。论文以近球形小行星101955 Bennu和细长型小行星433 Eros为例,比较分析了其附近绕飞轨道和飞掠轨道的测绘性能,为未来小行星探测中的测绘任务规划提供参考。
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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(137)
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3期目录
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封面
封面
2022, 9(3).  
摘要(127) PDF 18563KB(14)
摘要:
综述
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
2022, 9(3): 239-249.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220020
摘要(72) HTML(24) PDF 4710KB(31)
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,其过程与太阳风状态、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。文章介绍了“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。
专题:月球对地观测 (主持人:郭华东院士,中国科学院…空天信息创新研究院)
月基对地观测研究现状与展望
郭华东, 丁翼星, 刘广
2022, 9(3): 250-260.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210080
摘要(235) HTML(61) PDF 1756KB(60)
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
2022, 9(3): 261-268.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210076
摘要(95) HTML(25) PDF 3394KB(19)
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
2022, 9(3): 269-277.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210073
摘要(152) HTML(23) PDF 2778KB(26)
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。
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
2022, 9(3): 278-284.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210078
摘要(173) HTML(22) PDF 2738KB(29)
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。
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
2022, 9(3): 285-291.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210074
摘要(278) HTML(61) PDF 2819KB(61)
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:月球轨道是变轨道倾角、变观测距离的,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。
月球南极月基平台选址分析
张吉栋, 李向月, 平劲松
2022, 9(3): 292-299.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210079
摘要(118) HTML(21) PDF 2674KB(26)
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。
专题:深空探测测绘技术
地外天体形貌测绘研究现状与展望
徐青, 耿迅
2022, 9(3): 300-310.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210162
摘要(100) HTML(15) PDF 2114KB(22)
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。
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
2022, 9(3): 311-320.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210161
摘要(96) HTML(18) PDF 2945KB(9)
摘要:
为解决月球、火星等行星表面缺乏高分辨率数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)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。
“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
2022, 9(3): 321-328.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210068
摘要(246) HTML(39) PDF 3599KB(20)
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。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黏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。
“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
2022, 9(3): 329-337.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210123
摘要(97) HTML(15) PDF 5951KB(22)
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。
“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
2022, 9(3): 338-347.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220005
摘要(375) HTML(94) PDF 14972KB(42)
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。 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。地形剖面分析结果表明,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。
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
2022, 9(3): 348-356.   doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210002
摘要(70) HTML(23) PDF 3715KB(10)
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。

2014年创刊 双月刊

主 管: 工业和信息化部

主 办:
北京理工大学
中国宇航学会深空探测技术专业委员会

主 编:吴伟仁

ISSN 2096-9287CN 10-1707/V

地 址:中关村南大街5号

电 话:(010)68915831 / 68915834

邮 箱:jdse@bit.edu.cn