近邻宜居行星巡天计划:利用空间天体测量法寻找下一个“地球”

近邻宜居行星巡天计划(Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES)采用空间微角秒级别的高精度天体测量技术,普查太阳系近邻(10 pc内)约100颗FGK等类型恒星,探测宜居带类地行星或超级地球;详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息,这将是国际上首次近邻宜居带类地行星的空间探测任务.CHES的有效载荷是一台口径为1.2 m,视场为0.44°×0.44°,焦距为36 m的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜,采用同轴三反TMA光学成像系统.为实现宜居带类地行星探测,CHES任务中的测量精度为1μas,是目前国际测量精度最高的空间探测项目.在空间科学先导专项背景型号项目的支持下,CHES团队深入凝练和论证科学目标,成功突破了三项关键技术难题:实现了畸变大视场高像质空间望远镜光学系统技术的重要突破;突破了10–5 pixel级别星间距测量技术;实现了卫星系统高稳定度姿态控制精度及热控精度的创新.CHES预计发现50颗类地行星,引领中国空间科学探测技术的跨越式发展.

地外天体软着陆自主导航与控制技术研究进展

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典型GNC方案及自主导航与控制技术主要进展;最后,针对未来的地外天体精确定点软着陆任务,提出了需要重点关注和发展的自主导航与控制关键技术,为未来技术发展提供借鉴和参考。

大概念统摄下的小学科学“天体运动”学习进阶研究

大概念是围绕涉及重要科学领域的有结构、有联系的科学核心概念和模型,构成学科课程学习框架,处于学科的统摄地位。学习进阶是以学科大概念为基础,以新课标和教材为依据,依照学生认知发展规律开展的教学创新实践。从小学科学“天体运动”大概念中提炼出四个核心概念,依据各核心概念的学习进程划分进阶维度,提出进阶评级要求,确定成就水平,融合学习维度与关键能力的培养设计学习轨迹,以此为脚本进行教学活动设计。最终提出整合核心概念,厘清进阶路线;依据学习进阶模型,开发教学设计;强调及时反馈,促进“教”“学”“评”相一致,从而实现大概念的有效教学。

小天体智能附着技术研究进展

面向小天体探测与开发稳健附着的需求,结合国内外小天体附着探测任务,分析了小天体智能附着技术的需求,综述了目前的研究进展。回顾了小天体附着探测的相关工程任务、介绍了小天体传统的刚性附着模式与新型智能柔性附着的概念、梳理了小天体智能附着技术的需求,在此基础上从动力学、任务规划、感知、导航、制导与控制等方面归纳总结了智能附着技术的研究进展,对小天体附着技术的发展趋势进行了展望。

快自旋小天体跨尺度光照不变匹配算法

小天体探测器附着过程中,图像存在尺度、视角和光照变化,传统特征匹配算法难以获得精准匹配。提出一种小天体跨尺度光照不变匹配算法。针对附着过程中图像存在尺度变化的问题,将全局注意力机制与空洞卷积相结合,构建尺度自适应调整模块;设计视角不变特征提取模块解决特征匹配算法大视角变化下匹配正确率低的问题;结合自注意力机制与互注意力机制建立特征依赖关系,提取光照不变特征。利用谷神星及贝努的真实图像分别进行了实验验证,结果表明,本文所提出算法在大尺度、视角及光照变化下,特征匹配准确率达89%以上。

小天体附着相对导航观测序列规划及试验

针对小天体附着探测过程中受计算资源限制,序列图像自主相对导航系统难以处理大量光学图像信息的问题,提出一种相对导航观测序列规划的方法,基于Fisher信息矩阵建立了描述陆标观测精度的可观测度指标,并以此为指导设计了观测序列的规划策略,优选出关键观测时刻。为验证相对导航方法的有效性,搭建了小天体附着试验平台,通过8根绳索并联牵引载荷平台实现着陆器6自由度附着运动的模拟。最后在试验平台搭载可见光相机实现小天体附着相对导航的半物理仿真试验,在高精度相对导航的同时大幅降低了导航系统的计算负担,研究将为小天体工程的实施提供支持。

利用固体潮研究岩石天体的深部结构

经过地球物理学的长足发展,我们有着丰富的手段来研究地球的内部结构.然而对于地球之外的其他天体,研究其内部结构的手段却仍然十分有限,往往依赖于轨道探测器、着陆器以及天文观测获取的大地测量数据.在这之中,固体潮对研究其内部结构有着重要的意义.固体潮汐形变和其带来的潮汐耗散提供了关于行星内部结构,尤其是深部核幔边界及核心部分的关键信息.本文将全面地对利用固体潮汐参数(包括潮汐勒夫数及潮汐品质因子)研究岩石天体的深部结构进行综述.首先对固体潮的基本理论、潮汐参数以及黏弹性模型进行了介绍,建立了天体内部结构参数与其外部固体潮汐响应之间的关系.之后对现有利用固体潮汐参数研究水星、金星、火星及月球这些岩石天体的内部结构的工作进行了回顾与总结,可以发现固体潮汐参数是一种对天体深部结构进行约束的有效手段.本文进一步提供了未来探测任务获取的高精度数据对研究天体深部结构的贡献.然而,目前固体潮汐参数对天体深部结构研究中也存在一些问题.例如不同黏弹性模型之间耗散强度的差异性问题、黏弹性模型的短周期实验数据和宏观长周期理论计算结果之间的不匹配问题等.本文也针对这些问题进行了讨论和分析,并对未来的研究方向进行了展望.

一种地外天体着陆凸轨迹曲率滑模制导方法

针对复杂地外天体表面安全着陆问题,提出了凸轨迹曲率滑模制导方法。该方法考虑着陆轨迹形状对着陆安全性的影响,将曲率约束引入到滑模面设计中,实现着陆器系统状态位于滑模面上时,轨迹形状为凸。首先,针对曲率约束进行等效转化和松弛,提出了曲率松弛项,并利用曲率松弛项设计了曲率滑模面,满足三维凸轨迹条件。其次,推导了曲率滑模反馈制导律,滑模状态可在有限时间内收敛到零,在该制导律作用下,着陆器将以凸轨迹状态完成精准软着陆。最后,通过蒙特卡洛仿真验证了所提算法的有效性和鲁棒性。

小天体柔性着陆任务规划的动态时间约束推理方法

针对小天体柔性着陆任务规划中的复杂耦合时间约束一致性推理效率问题,建立任务规划时间约束网络,通过划分时间约束类型,设计约束动态添加策略,提出动态弧一致时间约束推理方法,限制新添加约束的传播范围,局部求解时间网络一致性,实现规划过程中时间约束网络一致性的高效维护。最后,构建小天体着陆规划场景,生成着陆任务规划活动及时间约束。仿真结果表明,与现有时间约束推理方法相比,所提出方法提高了时间约束推理效率,进而可为小天体柔性着陆任务规划提供支撑。

融合相机和激光雷达的小天体运动状态估计方法

针对单一视觉传感器难以实现小天体运动状态估计的问题,提出了一种融合相机和激光雷达的小天体运动状态估计方法。首先,建立融合相机和激光雷达测量模型,通过跟踪带有深度信息的图像特征点,利用扩展卡尔曼滤波器估计小天体的自旋角速度、自旋轴方向、位置和速度;其次,设计了特征融合矩阵,可实现对图像特征点、点云、融合特征点的实时更新;最后,分析本文算法的有效性以及特征点数量、观测高度、噪声大小对算法的影响。仿真结果表明,本文算法的精度和收敛速度均优于基于单一传感器的小天体运动状态估计方法。

小天体柔性附着自适应曲率制导

柔性附着是一种能够在小天体弱引力环境下防止倾覆反弹、提高附着安全性的新思路。针对柔性着陆器在附着过程中障碍规避的问题,提出一种基于虚拟安全边界的自适应凸优化曲率制导方法。在几何凸轨迹曲率制导的基础上,引入与柔性着陆器结构特性相关的虚拟安全边界,并根据地形障碍信息自适应调整安全边界的形状,使用序列凸优化方法求解柔性着陆器多节点协同的最优避障轨迹。数值仿真结果表明,所提出的方法能有效满足柔性着陆器在复杂星表环境下障碍规避的需求,进一步提高小天体附着的安全性。

小天体柔性着陆器姿轨耦合智能控制

针对小天体复杂摄动环境以及着陆器柔性变形作用力建模不准确对小天体着陆造成的不利影响,提出一种基于最大熵强化学习的柔性小天体着陆器姿轨耦合智能控制方法。建立考虑柔性变形作用力等效轨道的动力学模型,并采用基准面法表征具有复杂形变特点的柔性着陆器姿态,从而构建用于智能控制器训练的姿轨耦合动力学环境。根据最大熵强化学习理论的软动作−评价(Soft Actor-Critic,SAC)算法,设计了采用深度神经网络架构的姿轨耦合智能控制器,各个推力器通过自适应输出推力,在保持着陆器姿态稳定的同时高精度跟踪导航轨迹。对控制器部署实际任务后的着陆过程进行了仿真,结果表明,与经典的PD控制方法相比,提出的姿轨耦合智能控制方法具有更强的鲁棒性。

激光角反射器:从月球激光测距到天体探测基础设施

激光测距已成为太阳系内检验等效原理与洛仑兹破缺、测定后牛顿参数与引力常数时变等引力与相对论物理学研究的强大工具。为此,对激光角反射器在自然天体探测中的应用与发展进行了概述与分析。简单陈述激光角反射器的历史沿革后,首先介绍了数个有待或正在实施的包含激光角反射器部署的天体探测计划。其次,基于激光角反射器与激光测距资料的已有工程经验,描述了激光角反射器在天体探测中承担的科学任务与关键技术问题。最后,以本世纪新一代激光角反射器与收发光源革新为背景,预测了激光角反射器及其激光测距的发展趋势,并针对无人与载人月球探测,对激光角反射器在新阶段天体探测中的使用提出建议。

小天体表面着陆区岩石目标检测算法

针对暗弱环境下小天体表面岩石轮廓特征不明显及岩石尺寸小而造成的难检测问题,提出了一种小天体表面着陆区岩石目标检测方法及模型。将多头自注意力机制融入YOLOv8x框架,用于提高模型获取图片全局视野的能力,增强模型对深空环境中不同光照条件下岩石特征的自适应性;在此基础上增加小目标检测层,用于提升模型对小尺寸岩石的关注度,增强模型对不同尺寸岩石的自适应性。对比实验结果表明,方法相较于改进前算法,岩石检测准确率、召回率和平均检测精度分别提升了6.4%、3%、5%,与其他主流目标检测算法相比,指标也得到明显提升。该方法为暗弱环境下小天体表面着陆区岩石的自主识别提供了理论和技术基础。

小天体附着形貌特征快速优选

针对小天体附着过程中形貌特征复杂且数量众多,导致在线特征选取时特征组合数量多、计算量大、计算效率低等问题,提出了一种在线形貌特征快速选取方法。利用多类型特征快速评价指标结合搜索区域,建立了单帧图像特征快速优选的方法。同时,考虑到小天体附着过程中在线特征选取采样间隔短、帧间图像重合度高、特征继承概率高的特点,提出了帧间图像特征继承优选方法。仿真实验表明单帧图像搜索区域和帧间图像特征继承的设计,降低了特征组合数量,提升了计算效率,提高了在线特征选取速度。

不完备轮廓图像小天体三维重构算法

受光照角度的影响,探测器拍摄的小天体图像不完整,三维重构困难。针对此问题,提出了一种基于不完备轮廓的小天体三维重构算法。首先,利用Ostu算法对图像进行阈值分割,利用EDPF(edge drawing parameter free)算法提取不完备轮廓;其次,利用太阳的方位信息,结合不完备轮廓,考虑阴影的影响,保留被照亮区域和可能区域,计算出扩展轮廓;然后,利用一组扩展轮廓和投影矩阵,将三维包围盒的计算转化为线性不等式的求解;最后,划分体素实现小天体的三维重构。利用平均半径对重构结果与参考模型的豪斯多夫距离进行归一化,评价重构质量。仿真结果表明,重构误差小于4%的分布概率占95%以上,并对光照角度变化具有一定的鲁棒性。

基于快速分解后向投影算法的小天体快速三维成像

雷达成像技术凭借其快速、无损伤以及高分辨率的特点,在深空探测领域得到了日益广泛的关注。针对合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)三维成像过程中运算效率低的问题,基于小天体弱引力和快速自旋的特点,提出了一种适用于慢飞越观测模式的快速分解后向投影(Fast factorized back-projection,FFBP)三维成像算法。首先,分析了慢飞越模式下的等效运动模型,基于运动模型将二维极坐标系成像域扩展至三维球坐标系成像域,对三维FFBP算法中的孔径划分以及图像融合问题进行了深入分析,推导了子孔径二维划分规则和图像递归融合方法,并给出了具体实现流程。最后通过数值仿真和实测数据验证了算法的有效性。实验结果表明,所提成像算法可大幅提升运算效率,根据不同的孔径划分方式,相较于后向投影(Back-projection,BP)算法,可实现30~50倍的加速比,并获得与经典BP算法近似的成像性能。

应用相对运动原理巧解多天体动态观测问题探析——以日食、月食和水星凌日为例

动态天体视运动是指叠加了时间属性的天体观测,不再是单一考查某一时刻的天象,开始关注天体位置随时间的变化。难度更大的动态天体观测是探讨多个天体间相对位置的变化。日食是从太阳西缘开始、东缘结束,水星凌日是从太阳东缘开始、西缘结束,月食是从月球东缘开始、西缘结束,这三种天象的视运动方向不同与地心视角下的天体公转方向不同有关,采用相对运动原理结合视运动图示可以清晰直观地反映出来。

为我国航天事业做出了开创性的重要贡献——中国科学院紫金山天文台应用天体力学和空间目标与碎片研究部巡礼

自1957年10月4日苏联发射人类首颗人造地球卫星斯普特尼克1号,揭开了人类太空探索序幕以来,随着科技的不断发展和进步,人造卫星的应用范围也越来越广泛。如今人造卫星、宇宙飞船等各类空间目标已成为人类探索的重要工具和支撑,推动着人类社会的不断进步和发展;与此同时,人类太空活动产生的各种废弃物体,对太空活动的影响也引起了国际社会的广泛关注与重视。对太空中人造空间目标与碎片进行探测、跟踪、识别和编目是一切太空活动的基本保障,而空间目标与碎片在运行过程中要受到地球引力、大气阻尼、地球潮汐、日月引力、太阳辐射压等诸多力学因素的综合影响,运动规律异常复杂。

基于Mathematica的天体运动模拟

天体运动是力学和理论力学课程的基本内容之一.本文借助数学软件Mathematica,基于经典力学相关公式和定律,对行星、周期彗星和双星系统的运动做了精确的动态模拟,所得动态效果图形象生动,有助于学习者建立清晰的物理图像,增加对行星、周期彗星和双星系统的直观认识,增进对天体运动规律的深入理解.本研究通过Mathematica编程将教材上的理论知识可视化,开发了新的物理教学资源,同时也展现了Mathematica软件巨大的物理教学资源开发潜力.