深空探测中考虑乘性噪声影响的自主导航滤波算法设计

针对深空探测任务中航天器的状态估计问题,考虑到基于光学相机的自主导航系统在建立观测方程时所使用的坐标系转换矩阵含有由星敏感器引入的测量噪声,该噪声与量测状态相互耦合,属于乘性噪声,建立带有乘性噪声的光学自主导航系统模型。针对系统存在乘性噪声时,仅适用于处理加性噪声的传统滤波器估计误差增大的问题,将乘性噪声矩阵引入高斯滤波算法的递推公式进行推导,并结合混合阶球面单形-径向容积卡尔曼滤波器(mixed-order spherical simplex-radial cubature Kalman filter,MSSRCKF)的数值积分方法,提出混合阶容积-乘性卡尔曼滤波器(mixed-order cubature-multiplicative Kalman filter,MC-MKF)。该滤波器能够对由星敏感器引入观测方程的高斯以及非高斯乘性噪声进行处理,在不增加计算复杂度的情况下提升滤波器的估计精度。最后,将MC-MKF应用于自主导航系统模型,并与MSSRCKF进行比较分析。仿真结果表明,当系统存在乘性噪声时,MC-MKF的估计精度明显优于MSSRCKF,且计算量与MSSRCKF基本一致。

基于气动挤压的星际深空探测工程设计研究

本文是基于《简谈新一代运载火箭燃料存储方式中的气动挤压》所延伸出来的星际深空探测工程设计研究,研究内容包括新型重型运载火箭设计、火箭气动挤压式5000吨级大型发动机设计、引力弹弓地球近似轨道设计。其所有设计技术基础要求均建立于现有技术层面上,论证了可行性与实用性,为以后的星际深空探测工程提出了新的设计方案。

合成孔径雷达在深空探测任务中的应用与发展趋势

合成孔径雷达以飞机、卫星等运动物体为载体,具备全天候、全天时观测能力,俨然成为一种高效的遥感探测手段,在深空探测、军事侦察、地形测绘、灾害监测、农林生长监测和洋流观测等众多领域广泛应用。对几个国外深空探测器携带的SAR系统的技术状态、科学目标和探测成果进行了梳理,并作出了相应的比较分析,希望能够对中国未来深空探测任务提供一定的帮助。同时,对未来深空探测星载SAR发展趋势进行分析,星载SAR逐渐向着高分辨率、多参数、多模式、多基成像和轻量化等多方面发展,终将在更丰富的应用领域中发挥重要的作用。

深空探测自主运行的一种可信性技术体系

未认知与不确定性是深空探测任务的基本特征.本文基于战略导向的体系化基础研究,建立了一种面向科学价值最大化的探测场景和以可靠性为核心技术基础的深空探测自主运行可信性技术体系.分析研究了深空探测场景下的可靠性概念;面向精确感知、最优计算、准确决策、快精准执行的目标要素,提出了深空探测自主运行的可信性体系框架以及“需求-认知-工程”总体技术架构;针对自主运行可信性的关键技术难点,开展了可靠性导向的多物理场、强耦合白盒建模,复杂网络故障传播机制分析,COTS元器件深空探测应用的高可靠保证,以及“模型+数据+知识”一体的融合机制分析等研究.对该技术体系的关键技术验证策略及其最小系统在卫星星座中的应用进行了验证,结果表明,所提出的技术体系具有较高的工程价值.

我国深空探测器电源技术发展

电源系统能力是影响深空探测任务的重要因素。文章在梳理我国已成功完成的探月工程、行星探测工程等深空探测任务基础上,重点阐述了太阳电池、锂离子蓄电池、同位素温差电源、电源控制等关键技术在历次深空探测任务中的应用特点、技术难点及进展情况;进一步梳理了我国后续深空探测任务对电源系统和技术的需求,从发电、储能、功率调节与配电、能源管理等方面重点分析了深空探测器电源技术需求和发展建议,可为后续任务电源系统设计提供参考。

我国深空探测器热控技术发展

航天器热控技术保证了我国探月工程嫦娥一号到嫦娥六号、火星探测器天问一号等一系列深空探测任务的圆满成功。我国已经积累了一系列先进的设计经验,突破了低重力、中真空环境下高温散热及低温生存等一系列技术难题。系统性地回顾了探月工程20年发展历程中深空探测航天器的热控系统设计、技术创新、产品研制及工程实践,主要包括星体热环境模型、主动热控技术、被动热控技术及热试验技术,并阐述了各自的技术原理和应用性能。最后根据我国后续深空探测任务的需求和挑战,给出了未来深空探测航天器热控技术的发展建议。

深空探测RTPV高温多层隔热技术研究

RTPV作为一种用于深空探测的高效率核电源,其高温隔热技术是影响系统热电转换效率的关键因素之一。针对基于陶瓷点阵间隔层、钼箔反射屏的新型高温多层隔热组件,对比了烧结法、物理气相沉积法、大气等离子喷涂等陶瓷点阵制备工艺,优选出大气等离子喷涂法,成功在钼箔表面制备了直径1.5 mm、厚度0.1 mm、间距15 mm的ZrO2颗粒点阵,并将其作为高温多层的1个单元。仿真结果显示,氧化锆陶瓷点阵高温多层隔热组件的瞬态与稳态隔热性能均优于传统高温多层隔热组件,且具有在小尺寸下边缘漏热小、不产生多余物、长期耐受1000℃高温的特点,可满足深空探测同位素热光伏电源的隔热需求。

地基深空探测雷达研究进展与展望

地基深空探测雷达通过主动发射电磁波,并接收反射信号,实现对深空目标的精确测量,是研究月球、近地小行星、类地行星等深空目标的重要手段。地基深空探测雷达可以高精度测量深空目标的轨道、自转、形貌等特征,具有全天时全天候观测、精确测距、高分辨率成像等优势,对近地小行星防御和行星科学研究具有重要意义。本文介绍了地基深空探测雷达的概念内涵,梳理了地基深空探测雷达系统的国内外发展现状,回顾了地基深空探测雷达过去数十年间取得的重要历史贡献,包括月球表面高分辨率成像与永久阴影区水冰探测、近地小行星精细形貌特征获取、近地小行星轨道与自转等物理特性精确测量、近地小行星撞击防御任务处置效果快速评估、类地行星表面高分辨率成像与地质结构研究等一系列重要研究成果。在此基础上,本文介绍了分布孔径深空探测雷达的创新机理,通过多部雷达单元协同观测,可突破传统集中式体制地基深空探测雷达的口径和发射功率物理极限,形象称之为“中国复眼”雷达。最后,本文介绍了分布孔径深空探测雷达系统研制与观测实验等最新研究进展,展示了分布孔径深空探测雷达对月球二维成像和三维成像的实验结果,并对地基深空探测雷达的未来发展趋势进行了展望。

我国深空探测器进入和再入气动技术发展

针对深空探测进入或再入飞行器的气动技术发展需求,自2011年开始,中国经过13年的技术攻关,已陆续在轻小型气动外形设计、高温跨流域复杂流动耦合效应模拟、短钝体动态特性预测与验证以及特种气动问题研究方面取得了科学认识和技术上的诸多重要突破,有效支撑了月球探测与火星探测重大工程任务的圆满实施。未来,面向火星取样返回、木星系探测、太阳系边际探测等深空探测任务,我国还需在大气辅助变轨技术、多种天体大气介质复杂效应模拟与试验技术、先进飞行测量与反演技术等方面开展攻关研究。文章综述了中国深空探测进入和再入气动技术的发展历程,重点介绍了嫦娥五/六号返回器与天问一号着陆器的气动技术成果。最后,基于深空探测未来工程展望,分析了相关气动技术的发展需求。

我国深空探测器采样封装技术发展

深空探测器采样封装技术主要研究从地外天体表面采集土壤、碎岩等承载着丰富科学信息的样品,并对样品进行必要的整形和封装。文章围绕我国在深空探测器采样封装技术领域的实践和研究情况进行综述。介绍了国内外采样封装技术发展,详细阐述了我国已成功完成的月球采样封装任务中有关剖面月壤采集、表层月壤采集、样品密封、地面验证和在轨操作等方面的关键技术突破。探讨了采样封装技术在我国后续月球极区探测、小天体探测及采样返回、火星探测及采样返回等深空探测任务的相关应用情况,并对未来该技术的发展趋势和研究方向进行了展望。

我国深空探测器总体构型技术发展

在我国深空探测发展过程中,作为工程各大系统的重要组成部分,深空探测器从月球探测器嫦娥一号起步,先后研制成功嫦娥三号、嫦娥五号,以及火星探测器天问一号,并由单一航天器发展成为多航天器组合体。文章对我国深空探测任务中各型号深空探测器总体构型特点进行了综述,深空探测器总体构型技术的发展历程充分反映了深空探测发展阶段的任务特点和技术进步,可以为今后深空探测器研制提供参考。

我国深空探测器结构与机构技术发展

我国深空探测任务的不断发展对探测器的结构与机构技术提出了更高的需求,文章主要针对月球、火星、小行星等深空探测任务,梳理了我国深空探测器领域结构与机构所取得的主要技术成果和发展,对未来探测任务需求提出了展望,为后续深空探测器结构与机构技术发展提供参考。

我国深空探测器综合测试技术发展

综合测试作为探测器系统设计验证的重要环节,其技术发展有力支持和保障了探测器的产品质量及研制进度。文章分析了我国深空探测器综合测试任务的需求特点,梳理论述了我国在月球探测和行星探测任务中综合测试技术发展应用情况,系统地总结了我国在深空探测器测试设计、测试系统以及测试过程控制与评估等技术方面的进步。最后,展望月球与深空探测领域综合测试的发展需求,提出综合测试技术后续的重点发展方向。

我国深空探测器制导导航与控制技术发展

制导导航与控制(GNC)技术是深空探测任务的一项核心关键技术。文章介绍了我国深空探测器GNC技术的发展和成就,包括:探月工程中环绕探测、着陆巡视、返回再入等历次任务的关键技术发展和成果,例如高精度高可靠轨道控制、自适应动力显式制导、基于双目立体视觉的自主环境感知、跳跃式返回再入技术;天问一号火星探测器的关键技术及成果,例如大动态环境下的高容错自主导航技术、大干扰下的快速姿态机动控制技术。最后,对未来深空探测领域GNC技术的发展趋势和需求进行了展望,在自主运行、人工智能等方向给出了发展建议。

2023年国外深空探测领域发展综述

2023年,国外共发射7次深空探测任务,包括3次月球探测、1次木星系探测、1次科学观测、1次太阳探测和1次小行星探测任务。美国发射“赛琪”(Psyche)小行星探测器;欧洲发射“欧几里得”(Euclid)空间望远镜和“木星冰卫星探索者”(JUICE);俄罗斯发射近半个世纪以来的首次月球探测任务--月船-25(Luna-25),但着陆失败;印度成功发射月船-3(Chandrayaan-3)和阿迪蒂亚-L1(Aditya-L1)太阳探测器;日本成功发射“小型月球探测着陆器”(SLIM)。

深空探测任务中岩土力学若干问题及研究进展

随着地球资源能源枯竭与深空探测技术的进步,世界各国纷纷规划了针对月球、火星、小行星等地外天体的诸多深空探测任务。抢占深空探测相关科技制高点至关重要,而保障深空探测任务圆满完成更是重中之重。梳理了世界各国近期深空探测任务的时间节点、任务目标和涉及的相关岩土力学与工程问题。地外天体岩土材料赋存于特殊重力、温度、辐射和大气环境,同时受流星体撞击等扰动的影响,与地球岩土材料相比有其特殊性。在文献调研的基础上,探讨了“四特一扰动”的赋存环境与特殊形成过程导致的地外天体岩土力学特性转变。基于当前深空探测任务规划,总结了任务中不同特定需求面临的若干岩土力学难题及研究进展,包括无人勘探与原位力学测试、极端环境试验平台搭建、极端环境岩土材料力学特性、工程机具与岩土相互作用、地外岩土原位资源利用,以期助力我国深空探测任务顺利开展和推动岩土力学向地外天体岩土力学方向拓展。

深空探测超宽光谱定标黑体源研制

针对深空探测超宽光谱定标黑体源的关键技术问题,构建了一种基于优化微结构和纳米超黑涂层的深空探测星上黑体定标源。基于有限元方法仿真,验证了微锥结构不同宽高比与黑体发射率间的对应关系,确定了周期性线阵V槽结构相对于平面结构在黑体发射率方面的提升作用。优化星上黑体源高发射率微结构,优选空间超黑高发射涂层,设计星上黑体源高精度测温系统,进而完成黑体源工程设计。最后,通过星上黑体源发射率计量及实验室辐射定标稳定性测试进行验证。检测结果表明,深空探测超宽光谱定标黑体源具有超宽光谱范围、高发射率、高温度稳定性等特点,其光谱范围为5~50μm,法向平均发射率为0.986,温度稳定性达到0.16 K。该定标黑体源可大幅提升高发射率辐射定标源的光谱范围,为深空探测载荷的在轨高精度星上辐射定标提供支撑。

我国深空探测器测控通信技术发展

探月工程与行星探测工程推动了我国月球与行星探测器测控通信技术的长足发展,实现了面向超远距离的技术跨越,并发展形成了中继通信和月面通信能力。以重大工程任务为脉络,梳理论述了我国在月球探测和行星探测任务中测控通信技术发展应用情况。展望月球与深空探测领域的发展需求,分析测控通信技术后续的重点发展方向,并提出分阶段的技术发展建议,可供后续测控通信系统设计、新技术研发和产品研制提供参考。

深空探测用微流星体环境模型综述

微流星体是深空探测任务中航天器遭遇的重要空间环境因素之一。文章对目前主要微流星体环境模型进行了分析总结,介绍了微流星体的来源、内太阳系偶发微流星体模型和微流星体束流模型、外太阳系微流星体模型以及星际尘埃模型等。最后对我国未来微流星体环境模型研究提出了建议。

深空探测器研制风险产品保证策划与实施

深空探测任务主要面临的研制风险包括技术跨度大,环境要素新,新技术储备不足,关键不可逆环节多,对设计正确和自主功能要求高,研制试验复杂且难以验证,研制周期紧张导致多线并行。针对以上难点和风险点,以火星探测任务为例,开展了具有火星任务特点的产品保证策划与实施,全周期遵循“五个坚持”的总体思路,通过发挥总体作用,加强技术风险识别和管控,强化产品过程控制,严格试验验证和统筹资源保障等,确保了我国首次火星探测任务圆满成功。