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.

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。

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。

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。

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。

深空探测背景下质谱计测水校准方法综述

质谱计的结构简单、扫描速度快、质量检测范围大,是深空探测任务中最常用的原位分析仪器。同时质谱分析是直接分析物质组成的手段,在解决月球是否存在水冰的问题上具有不可替代的优势。质谱计测水过程中,由于水气具有强吸附性、很难完全去除,给测量结果的精度带来了挑战。文章介绍了目前质谱计标定水丰度方法的研究,包括制备校准水气及优化校准流程。制备校准水气的方法可以分为:控温膨胀法、流量计法和反应制备法;优化校准流程的方法可以分为:利用容积膨胀校准、基于恒定流导校准、借助其他气体校准和优化校准程序。最后阐述了深空探测任务中的质谱计校准水、测水方案。并针对中国探月四期的任务要求,提出了一种基于小孔流导的校准方法。为深空环境下质谱计校准水气的技术发展提供参考。

面向深空探测的仿生机器人研究综述

介绍了面向深空探测的仿生机器人的仿生原理、构型特征、性能参数等研究情况;对比分析了不同类型仿生结构的优缺点,例如躯体扭动型机器人运动自由度大但控制难度高、成熟度低,而支腿爬行型机器人结构刚度大但运动形式单一;提出了仿生机器人在深空着陆探测任务中涉及的仿生设计、材料科学、自主性控制等关键技术。在后续研究中,应重点关注能源管理、环境适应性设计等方面。上述研究结果,可为深空探测仿生机器人发展提供参考。

深空探测器多智能体强化学习自主任务规划

针对深空探测器执行附着任务时各子系统协同规划自主性、快速性和自适应性的要求,提出一种基于近端策略优化方法的多智能体强化学习协同规划,将单智能体近端策略优化算法与多智能体混合式协作机制相融合,设计了一种多智能体自主任务规划模型,并引入噪声正则化优势值解决多智能体集中训练中协同策略过拟合的问题。仿真结果表明,多智能体强化学习自主任务规划方法能根据实时环境变化,对智能自主优化小天体附着任务的协作策略适时调整,与改进前的算法相比提高了任务规划成功率和规划解的质量,缩短了任务规划的时间。

深空探测任务进展与展望

本文全面综述了国际深空探测任务设计的最新进展,涵盖月球探测、大行星探测及小天体探测领域。月球探测方面,介绍了美国Artemis计划、中国探月工程等地月空间战略布局;大行星探测方面,回顾了水星、金星、火星及木星、土星等外行星的探测历史与现状;小天体探测方面,探讨了其技术难点及科学意义,详述了小行星飞越、环绕、采样和撞击等任务。在此基础上,总结了深空探测任务的启示与发展趋势;结合我国深空探测能力与国际行星科学发展,提出相关任务建议与设想,为我国未来深空探测任务设计提供参考。

深空探测微小卫星技术

随着深空探测任务需求的日趋复杂和微小卫星技术的发展成熟,微小卫星逐渐成为深空探测的重要手段.首先总结和梳理了世界主要航天大国开展深空探测微小卫星任务的现状.然后从任务设计角度出发,分析了微小卫星开展深空探测的3种方式,并介绍了对应的典型任务.在此基础上,归纳了主要前沿技术特征.最后给出了对中国未来微小卫星深空探测发展的建议和展望,以期对相关技术发展有所借鉴和推动.

中国现代行星科学和历书天文的发源地和守护人——中国科学院紫金山天文台行星科学和深空探测研究部巡礼

行星科学和深空探测研究部是面向深空探测的行星科学研究中心,长期围绕行星科学、历书天文以及深空探测等研究方向开展前沿研究,在“嫦娥工程”、“天问系列”等深空探测任务、近地天体监测预警、历书历表编制、太阳系小天体探测与物理研究、行星系统形成与演化、太阳和太阳系等离子体与行星环境、太阳系外行星大气、行星陨石化学等方面做出了颇具特色的重要贡献,并运行着近地天体望远镜等重要设备。

深空探测中磁强计在轨标定研究进展

磁场测量是深空探测的重要任务之一,高精度的磁场测量对研究行星宜居性、空间等离子体环境等具有重要意义.磁通门磁强计是空间探测任务中最广泛使用的仪器之一.然而其磁补偿会随时间缓慢变化,因此,在卫星飞行期间需要定期对磁强计的磁补偿实施在轨标定.本文综述了基于空间物理现象对星载磁强计实施在轨标定的方法.根据计算磁补偿的方式,这些方法可分为两类.第一类方法通过公式计算磁补偿,如基于阿尔芬波动特征的Belcher方法、Hedgecock方法和Davis-Smith方法,以及一维和三维磁镜模方法;这类方法中,Davis-Smith方法被认为是计算磁补偿的最优方法.第二类方法通过概率获取磁补偿的最优解,该类方法被称为新一代在轨标定技术,目前已发展出六种算法;该技术可使用阿尔芬波动、磁镜结构和电流片中的一种或多种现象来实施在轨标定,另外,该技术也可以使用足够数据量(如4小时)的任意行星际磁场数据来计算磁补偿.与Davis-Smith方法相比,新一代在轨标定技术具有很好的兼容性(可同时使用不同的物理现象)和拓展性.除了太阳风,该技术还能在火星磁鞘中实施在轨标定.目前,该技术已为“天问一号”环绕器的磁场数据提供标定服务.

中国工业合作经济学会理事长张季一行调研深空探测实验室

2024年4月12日,中国工业合作经济学会理事长张季一行赴深空探测实验室合肥总部调研。安徽省委政研室副主任殷宝平,合肥市委常委、副市长袁飞,深空探测实验室党委专职副书记徐成然陪同调研。张季理事长一行先后参观了实验室一楼展厅和十一楼科技展厅。

地球科学和深空探测的引力场建模理论研究进展

不规则天体引力场建模是当前地球科学和深空探测研究领域面对的共同难题.本文梳理了这两个领域中引力场建模理论的发展历程以及近10年研究进展,重点介绍引力场多极展开理论和引力场势流模拟理论.引力场多极展开理论将电磁学和量子力学中常用的复变函数公式体系引入引力场研究领域,比实变函数公式体系更简洁地表述天体(内外部)引力场结构;通过充分利用复变函数运算规则,能直观有效解决与引力场相关的天体动力学问题.引力场势流模拟理论利用天体外部引力矢量和势流速度矢量的等价性(即两者都是无源无旋矢量场),将计算流体动力学数值计算方法引入引力场建模领域,通过求解势流速度场实现天体外部引力场建模;此理论不依赖于扰动理论,能有效克服常规方法在反演不规则天体引力场过程中存在的“解发散”问题.这两种引力场建模理论的共同创新性在于通过将其它领域中看似不相关的数学理论引入到本领域,实现本领域的问题求解和理论推进,对后续理论研究起到一定借鉴意义.此外,本文根据天体引力场的定义公式及其变体形式,对地球科学和深空探测领域已有的引力场建模理论研究进行分类、对比和分析,总结各自优缺点,对相关学者选用合适引力场建模方法提供有益参考.

印度深空探测计划:目标宏大,结局难料

近期,印度公布了多个深空探测项目,包括日印合作月球南极着陆任务、月球采样返回任务、金星轨道任务、火星着陆任务、部署系外行星观测空间望远镜、建设月球基地等,尽显印度渴望成为航天强国的雄心壮志。虽然近年来印度积极开展深空探测任务,取得了不俗的成绩,但是否有能力如期完成这些新项目,恐怕还要打一个大大的问号。

2023年深空探测进展与展望

2023年,人类深空探测活动取得了一系列重大突破。多项月球探测任务成功发射,为地外资源开发利用提供新机遇;地外生命探索取得多项突破,火星、小行星科学成果为生命探寻提供新视角;行星防御备受关注,维护地球安全成为全人类的共识可重复使用引领运载火箭新发展方向,不断提升进入深空的能力和效益本文对2023年的月球探测、行星探测、天文观测和近地小行星防御等方面的任务进展与科学成果进行梳理和归纳,对国际相关政策规划开展分析,并阐述了深空探测领域未来的发展重点与趋势。

天问三号:中国深空探测 挑战火星取样返回

嫦娥六号任务实现人类首次月球背面取样返回的壮举后,中国航天勇于挑战深空探测更艰巨的任务:从更遥远的火星采回样品,探寻红色星球上是否存在生命这个重大科学问题。9月5日,第二届深空探测(天都)国际会议在安徽屯溪开幕。在会议主论坛上。

深空探测器相对论导航方法

在相对论导航系统中,通过毫角秒恒星角距测量装置获取反映恒星光行差和光线引力偏折变化的恒星角距观测量,利用导航滤波器处理观测量,估计深空探测器在惯性空间的位置和速度矢量,以及敏感器的测量基准偏差。建立了面向导航滤波器设计和系统性能分析的状态和观测方程,根据导航系统的克拉美劳下界(Cramer-RaoLowerBound,CRLB)考察了相对论导航方法用于深空探测的可行性,设计了通过导航滤波器自学习提升相对论导航系统性能的策略。仿真研究表明,对于环绕火星运行的深空探测器,在恒星角距测量精度为1mas的情况下,相对论导航方法能达到百米量级的定位精度水平。为相对论导航方法在深空中的应用提供了支持。

电推进用于深空探测任务的工程经验总结与展望

深空探测任务是航天发展的前沿领域,其显著提高的速度增量需求使得电推进成为航天器主推进的重要选项。本文从深空探测任务、任务配套电推进、质量比特性、功率比特性、推进效能、自主运行等方面,对已经工程实施的9次深空探测任务进行了应用电推进的经验总结;从速度增量需求、主要工程约束、更高性能和自主运行能力等方面,对未来深空探测任务发展应用电推进的需求进行了展望。