地外探测取样容器再入过程动力学建模及仿真分析

无人取样返回是开展地外星体探测的重要手段之一,也是深入开展未知星体载人着陆探测的必要准备。取样返回飞行器基于不同的技术基础及返回技术发展需求,在再入大气过程中可能采用不同的返回方式,如美国、苏联/俄罗斯和日本的返回飞行器均采用了弹道式的返回方式;中国探月三期的月球取样返回器采用了跳跃式返回方式。在不同的再入弹道情况下,取样容器的受力情况有所不同。由于地外星体取样返回是我国首次开展的一项工程实践,所以尚未有针对该问题开展专项的动力学建模及相应的仿真分析。文章对样品容器在返回过程中的力学环境进行建模,分别沿轴向和法向建立样品容器的动力学模型,以典型再入弹道条件下样品容器的受力情况为研究对象,对样品容器准静态和考虑动态振动环境条件下的受力情况及运动进行分析,获得样品容器在返回过程中的动力学特性,为取样返回容器的设计提供参考。

地外探测设备多传感器硬件时间同步方法研究

地外探测对多传感器数据同步采集有极高需求,针对地外环境无法接收到全球定位系统(GPS)信号的问题,提出一种面向无GPS授时的多传感器硬件时间同步方法.以嵌入式单片机系统(MCU)为核心设计高精度时间同步硬件框架,综合运用模拟GPS授时、秒脉冲(PPS)校时和脉冲触发结合的方法,分别对多路相机、惯性测量单元(IMU)和激光雷达进行数据采集同步,在上位机实现时间戳和数据的精确匹配.并搭建硬件平台,设计验证方案,实验测试同步误差.实验结果表明,该时间同步方法可实现传感器数据同步采集,同步精度约2 ms.相比现有地外探测设备,同步精度显著提高,对下一代地外探测设备数据同步采集、实现自主导航与避障有一定借鉴意义.

深度强化学习技术在地外探测自主操控中的应用与挑战

围绕地外探测任务对全自主操控的需求,阐述了智能技术的引入对地外探测操控的重要意义。根据地外探测操控任务的发展现状和特点,总结出地外探测自主操控面临的挑战与难点,对现有基于深度强化学习的操控算法进行概括。以地外探测自主操控任务难点为驱动,对深度强化学习(DRL)技术在地外探测操控中的应用及成果进行了综述与分析,概括了未来地外探测自主智能操控发展中涉及的关键技术问题。

基于视觉的地外天体探测器着陆测速

为了确保探测器安全、准确地降落在地外天体表面,需实时测量探测器的下降速度,为制导导航与控制系统完成软着陆任务提供重要参考依据.提出一种仅利用光学相机的实时视觉测速方法,针对天体地表视频图像,采用递归全对场变换光流算法提取相邻帧间的光流场,然后通过深度神经网络的卷积层和池化层提取光流场对应的特征向量.为减小探测器降落过程中成像透视效应对测速精度的影响,构建一种适用于连续视频帧的长短期记忆网络,对特征向量和速度进行拟合,实现探测器着陆速度的实时估计.仿真实验结果表明,与基于前向传播网络的测速算法相比,本文方法的平均绝对百分比误差减小了11.98%,测量精度更高.

地外巡视探测无人系统自主感知与操控技术发展综述

地外天体探测是空间科学与技术创新的重要途径,是当前和未来航天领域的发展重点之一.地外天体表面巡视探测是拓展探测广度和深度的有效途径.未来月球、火星探测任务对表面探测范围和探测效率的需求明显提高,探测范围从公里级扩展到百公里级以上,移动时速从百米级提高到公里级以上,要求地外巡视探测器具有更强的地外环境适应能力和探测效率.决定地外巡视探测能力的关键因素之一是自主环境感知与操控能力,本文面向我国未来深空探测重大工程任务需求,对地外巡视探测无人系统的自主感知与操控技术发展现状及趋势进行总结分析.

用于地外星体探测的一种新结构取心钻头研究

根据地外星体探测取心钻具的功能要求,研制出一种具有阻隔环的新型结构钻头,以解决取心钻头取心率低的问题。对主、副切削具在取心过程中使星壤产生的失效形式进行分析,并建立切削模型和星壤侧向失效模型。根据郎肯被动土压力原理,建立阻隔环对星壤样心的阻隔模型。以月球土壤为例,分析副切削具的结构参数对取心率的影响。试验结果表明有阻隔环结构的钻头能有效地提高星壤取心率。研究结论可为我国探月工程月面采样钻头的设计提供理论依据。

地外天体着陆自主避障制导技术研究进展

基于地外天体软着陆探测任务的需求,阐述了地外天体着陆自主避障制导技术的研究进展。首先对典型的地外天体着陆探测任务进行回顾与分析,并总结了着陆避障制导面临的形貌复杂多样、控制资源受限、避障精度要求高、星载计算资源有限等挑战与难点。在此基础上,从自主障碍评估和自主障碍规避两个方面梳理了着陆避障制导的研究现状。最后,结合未来地外天体探测任务需求,对着陆避障制导技术的发展方向进行了展望。

地外生命探测数字全息技术发展现状及趋势

地外生命原位探测具有重要的科研与人文价值,未来探测任务中木卫二等海洋世界正逐渐成为新的兴趣目标。结合数字全息技术的深海微生物原位探测场景,提出了其在地外生命原位探测场景的应用设想。调研了用于地外生命探测的数字全息技术研究进展,总结了Serabyn团队提出的“共模”与无透镜数字全息显微成像两种技术方案。用于地外生命探测的数字全息技术处于实验室研发阶段,对低温、低细胞浓度海洋环境下的生命探测是地外行星生命探测的基础,侧面验证了所提设想的可行性。数字全息技术是实现地外生命探测的理想方案,对地球海洋环境微生物观测的全息技术进行优化可为未来地外行星生命探测任务奠定基础。

探测地外引力

每个星期天的早上，我都要沿着世界上最灵敏的重力计走上长两公里的一段路。太阳和月球作用于我的身体的引力仅相当于地球引力的百万分之几，然而这样微小的力作用于太平洋上却能推动海平面升高，掀起阵阵波涛拍打我散步时走过的路径。但是在实验室内分离出这些微弱的力即使对专业仪器来说也是一件艰难的任务。

地外生命探测

每当触及地外生命探测的话题,总会有几丝激动之情油然而生。 为什么?因为如果能探测到地球之外有生命存在,特别是有不同于地球生命形态的生命存在,则关于“生命是否是宇宙中的普遍现象”的科学争论就可尘埃落定,人类从此不再孤单。不仅如此,它还会大大加深我们对生命现象的本质的认识,进而大大提高地球上生命的素质。 这又是为什么? 要回答这个为什么。

面向地外天体表面智能感知与操控研究的多源数据集

未来的地外天体探测已展现出人工智能的广阔应用前景,探测器可主动感知环境、理解环境,发现高价值目标,进行可靠推理和有效决策,并通过高精度导航和操控实现任务目标.地外天体表面场景复杂,地形地貌和地质等物理化学特性均无法确知,面向地外天体表面探测的智能感知与操控研究缺少有效的学习训练和测试验证数据集.本文介绍了北京控制工程研究所智能无人系统实验室在地外复杂场景模拟场条件下建立的天衢1.0多源数据集,数据集包含多源环境感知数据、探测器自身状态数据以及场景精准外测数据,能够为地外探测智能感知与操控研究提供研究与验证数据,推动深空探测人工智能理论方法与技术应用研究.

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术.首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知−决策−执行”(Perception-decision-action,PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing,assembly,and manufacturing,OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考.

月球与深空探测样品标准群规划探究

通过对月球与深空探测样品的标准需求和国内外标准适用性的分析,对标准群进行规划,给出标准清单和编制建议,以满足月球与深空探测样品获取、处理、储存与应用的管理和研究需要。

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术。首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知-决策-执行”(Perception-decision-action,PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing,assembly,and manufacturing,OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考。

面向资源受限无人系统的深度神经网络轻量化软件设计与应用

地外探测无人系统具有存储、算力和能量等资源受限的特点.以深度学习为基础的感知、定位和决策算法可有效提升无人系统的智能化水平,而这类算法通常需要高算力,难以直接应用于地外探测无人系统.首先针对剪枝和量化的深度神经网络模型轻量化方法,在公开数据集上对多种算法进行定量分析.其次,提出基于剪枝、量化的轻量化计算方案,实现了基于模块化配置的轻量化计算软件StarLight,对深度神经网络进行快速轻量化和性能评估,解决了模型难以直接应用到计算资源受限系统的问题.最后,基于StarLight,对应用于火星车实验系统中的多种任务模型进行轻量化,在计算功耗≤15 W、计算处理主频≤1.2 GHz和计算存储容量≤1TB的受限资源条件下,实现了深度神经网络模型部署.实验表明,该软件能够满足计算资源受限系统的深度神经网络模型轻量化需求,为进一步提升地外探测无人系统的智能化水平奠定了基础.

多视角多尺度陨石坑特征检测识别方法

针对序列图像间视角尺度变化大带来的特征无法检测和识别效率低等问题,提出了多视角多尺度陨石坑特征检测识别方法。基于明暗区域信息和形态学处理实现陨石坑图像特征边缘粗提取,利用快速傅里叶变换计算模板与图像特征的匹配度,从而实现图像特征所在区域粗定位。在此基础上,通过引入惯性测量信息计算图像间重叠面积,更新模板形状,并预测搜索区域,解决了序列图像间视角尺度变换及信息冗余带来的特征无法检测和识别效率低的困难,最终在单一陨石坑区域内实现其精细检测。

太赫兹技术在航天遥感中的应用发展

本文首先简单介绍了太赫兹技术的发展近况,遥感与航天遥感的相关概念、体系和分类,重点阐述了太赫兹技术在航天遥感中的应用发展,最后总结,指出未来太赫兹技术在航天遥感领域具有更加美好应用前景。

空间生命科学载荷技术发展与未来趋势

空间特殊环境给生命科学研究带来了前所未有的机遇,空间生命科学技术已经成为世界科技强国的科技竞争制高点。科学载荷(仪器)是开展空间生命科学实验的基础工具,是航天生物医学研究的必要基础,决定了空间生命科学研究和医学保障能力。本文按照不同的研究对象,对国内外典型的生命科学载荷进行综述,同时,结合研究需求状况对部分关键技术的发展趋势进行了分析,指出了器官芯片技术在空间生命科学载荷技术发展中的关键作用,以及原位生命信息探测技术的持续需求。最后,对当前生命科学载荷技术的发展趋势进行了总结。

空间微生物实验技术研究进展

微生物具有结构简单、生长周期短、繁殖快、便于搭载等优点,被作为生物模型用于空间环境下的生命现象研究、地外生命探测以及开展以微生物为重点关注对象的行星保护任务研究.随着中国空间站在轨建造任务的临近,微生物空间实验技术开发以及相应的实验装置研制需要加快部署.本文以已实现空间应用的微生物技术为基础,从微生物空间培养、保存、检测技术及用于地外生命探测中的微生物识别技术等方面分析了空间微生物实验技术的发展现状与趋势,提出了未来利用中国空间站开展空间微生物实验的技术发展建议.