新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇

空间事业的发展对航天器环境工程提出了新挑战,同时也为该专业技术进步和领域延展提供了难得的机遇。近10年来,伴随着载人航天、深空探测等一系列重大航天工程的顺利实施,中国航天器环境工程领域在诸多方面取得了长足进步。文章回顾了中国航天器环境工程的发展历程,围绕中国空间站长期运行、深空探测新任务、低轨巨型星座建设等提出的新需求,分析了航天器环境工程将面对的挑战和必须突破的关键技术。结合具体工作内容介绍了北京卫星环境工程研究所在LEO辐射环境在轨探测与数据应用、特殊空间环境效应与防护、火星探测器特殊力热环境试验技术和航天器产品环境试验ISO标准等方面取得的最新进展。在建设航天强国的过程中,航天器环境工程必将伴随着航天器整体技术的升级实现更高水平的跃迁。

低轨大型星座下空间交通管理的安全挑战与应对

低轨大型星座的快速发展使外层空间安全环境发生了显著变化。在军民融合加深、大国竞争加剧、外空武器化战场化趋势的背景下,愈发繁忙拥挤的外空环境不仅给外空活动的业务安全保障造成严峻挑战,还带来了战略误判和冲突升级等国家空间安全层面的挑战。构建一套能够覆盖两个安全层面的国际空间交通管理机制具有现实必要性和紧迫性。当前的空间交通管理概念对国家空间安全要素考量不足,有必要结合国际外空治理在空间物体登记、外空活动透明度、空间监测与跟踪能力提升以及空间碎片治理等方面的现实需求,明确完善空间物体登记机制、保障空间业务安全和协调国家空间安全这三大空间交通管理任务。面对空间交通管理亟须应对的空间安全问题,国际社会应着力完善星座登记、促进星座信息共享与提升活动透明度,从而构建一体两面的安全机制,保障外空活动和空间环境的长期可持续发展。

PULSAR低轨卫星导航星座性能分析研究

低轨卫星导航系统是当前卫星导航领域关注热点,文章以美国修娜空间系统公司的PULSAR低轨卫星导航星座为例,首先介绍了其发展规划和最新进展,然后从对地覆盖特性、GNSS天基监测能力、星间建链情况、掩星事件数目等方面,分析了不同建设阶段的星座特性和最终定位性能。结果表明,在完全服务能力阶段,PULSAR星座能够提供全球8重以上(95%)覆盖,位置精度因子优于3.5(95%),具备米级独立定位能力,联合GNSS可将精密单点定位收敛时间显著缩短约90%,与此同时,在星载导航接收机的支持下,能够满足对GNSS的时空基准增强、空间天气监测、天基完好性监测等需求。相关结论可为我国低轨卫星导航系统建设提供参考。

我国空间推进技术领域发展思考与建议

我国空间推进技术领域历经60余年发展形成了较完善的技术体系和较丰富的产品谱系,支持了载人航天、应用卫星、深空探测等重大工程应用;面向我国航天领域未来规划、重大工程和科学项目的应用需求,空间推进系统现有的技术水平存在不足,亟需谋划创新发展和突破方向。本文从电推进、化学推进、核推进、新概念空间推进等角度出发,系统梳理了空间推进系统的发展现状;重点提炼了高性能、低成本的空间推进系统支撑低轨小卫星组网发展,大推力、可重复使用的低温化学推进技术推动新型空间运输系统发展,多类型、长寿命的空间推进技术保障深空关键应用等未来应用需求。研究认为,我国空间推进技术领域面临系统可靠性和寿命亟需进一步提高、部分领域的产品成熟度与国际先进水平差距明显、产品成本高、可选推进技术种类少且重点技术研究滞后等迫切挑战,需开展顶层规划、优化技术选择,重视基础研究、构建发展机制,在重点技术方向上分类推进科研攻关,尽快实现低轨小卫星、地月空间转移、深空探测(含载人航天)用推进系统的技术突破与在轨应用。

基于改进广义正交匹配追踪的低地球轨道卫星MIMO-OTFS系统的信道估计方法

针对基于多输入多输出(MIMO)技术和正交时频空间(OTFS)调制的低地球轨道卫星系统的复杂性带来的信道估计困难问题,提出一种基于改进广义正交匹配追踪(GOMP)的信道估计方法。根据单输入单输出(SISO)-OTFS系统的输入输出关系和低地球轨道卫星信道的传播特性,建立一种基于MIMO-OTFS的低地球轨道卫星信道模型,并将系统的信道估计问题转化为稀疏信号的恢复问题。考虑到传统的GOMP算法存在对稀疏度的过度依赖和对稀疏信号的重构精度差等问题,所提方法结合了分段弱正交匹配追踪(SWOMP)的弱选择思想和广义Jaccard系数的相似性准则,以快速准确地重建稀疏信号。仿真结果表明,当天线数为16且导频开销比为0.5时,与正交匹配追踪(OMP)算法相比,所提方法的归一化均方误差(NMSE)降低了约2.5 dB,误码率(BER)降低了约5 dB。

一种低轨卫星通信的定时提前计算方法

低轨(LEO)卫星网络作为地面网络的重要补充,是未来天地一体化网络的重要组成部分。由于LEO卫星的高移动速度以及星地通信的大传播距离造成了高传播时延,因此需要新的针对LEO卫星星地通信背景的上行链路的定时提前量(TA)的计算策略。本文基于LEO卫星的星地通信场景,介绍了TA及其在协议中的规定,并针对LEO卫星的特点,提出一种LEO卫星通信的定时提前计算方法。通过仿真分析验证了所提方案的有效性,为LEO卫星星地通信系统的设计提供了参考。

巨型LEO星座的时不变拓扑与航点路由设计

LEO卫星网是6G空地一体通信的重要组成部分,在带来低成本广覆盖等应用优势的同时,面临高动态和快切换等技术挑战。虽然卫星规律运动,星座图时变性也有章可循,但天基网的规模远高于地面网,不能简单延用因特网现有路由技术。综合应用快照变换和虚拟节点法,以卫星及星际链路为参考系,通过3步位置变换和极区收缩处理,得到巨型LEO星座的时不变拓扑,证明完全格网的适用性,并应用航点路由机制设计了本地卫星固定式路由算法,进一步给出了格网星座与循环图的同构性以及结构优化的探索方向。

基于粒子群算法的低轨重点卫星雷达协同探测任务规划方法

为提升定轨、成像、目标特性测量等多种模式下的观测效率,基于粒子群算法提出了一种低轨重点卫星雷达观测任务规划方法。相较基于优先级的任务规划方法,文中方法可对所有卫星按给定观测频次无丢失观测,满足雷达视场、时间窗口、任务切换等约束。使用雷达仰角、斜距、雷达截面积构建权值对基于观测时长的目标函数进行修改,并使用粒子群优化算法求解最大总观测时长或最快完成时间。仿真场景为两部假想地面雷达协同对30颗低轨重点卫星做24 h~72 h观测。结果表明,所有卫星无丢失观测,最大总观测时长和最快完成时间分别为18622 s和15 h 16 min(场景时间:24 h)。使用带有权值的目标函数可获得平均观测仰角、斜距的改善,而总观测时长基本一致。

星地异构网络联合QoS保障关键技术

针对星地异构网络的拓扑结构高动态、星地链路高差异、网络资源强受限等特征给星地融合业务高效承载带来重大挑战的问题,深入分析星地异构网络发展现状,提出星地异构网络联合QoS保障系统架构。并在此基础上,针对跨域资源统一编排管理、星地联合QoS指标参考体系构建、联合QoS动态策略调控、星地资源按需适配与部署等关键技术进行探讨。

低轨大规模星座国内外二元治理之协调与完善

当前,低轨大规模星座外空治理面临的问题包括轨道频率资源有限、卫星相撞风险、环境污染等问题。各国对低轨大规模星座的近地轨道部署依旧在稳步推进,加上当前低轨大规模星座建设缺乏有序监管,国内与国际就低轨星座治理尚未达成共识,协调和完善低轨大规模星座外空治理迫在眉睫。因此,通过归纳低轨大规模星座外空治理规则之不足,从治理政策及立法动向层面,分析中国、英国、美国等的国内治理环境,提出国际治理之完善建议与国内外协调治理之构想,即明确外空和平发展的底色和基调,强调空间命运共同体发展,合理利用联合国相关平台来积极改进现有规则,同时强化各航天国之间的现有合作机制,旨在对低轨大规模星座的外空治理以及相关治理规则的完善有所裨益。

低轨卫星微波毫米波PCB的技术发展与应用

低轨卫星移动通信系统与地面5G移动通信系统相融合,以及未来的6G时代,将推动构建全域内无缝覆盖和全时接入的通信网络、实现空天地海一体化。卫星通信向微波毫米波频段演进已成为发展趋势,与此同时也面临着更大的挑战。本文从互联网的概念入手,介绍了目前国内外低轨卫星技术发展及其应用进展,梳理了低轨天上端与低轨地面端两类PCB产品,阐述了用于降低PCB重量的低密度发泡材料PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)混压加工技术、相关高频高速材料选型加工及其非对称结构的板翘控制技术、毫米波封装天线与阵列天线技术研究等关键技术,希望对低轨卫星工程推广和相关PCB加工制造产生一定的积极意义。

图像全站仪观测低轨卫星方法研究

随着巨型星座的发展,低轨卫星数量快速增长,雷达与大型光学望远镜等传统观测手段造价高、体积大,难以满足观测需求。图像全站仪作为传统高精度光学测量设备,具有观测精度和自动化程度高、造价低、机动性强等突出特点,可改造为低轨卫星观测系统。利用图像全站仪观测低轨卫星的重点在于指向信息获取以及观测图像中拖尾星点提取,文中建立了从卫星TLE数据到图像全站仪指向信息的数学模型,分析了卫星成像的拖尾特点,提出了基于轨道预测信息的拖尾星点提取算法。利用图像全站仪搭建低轨卫星观测系统进行观测实验,经计算分析得到内符合精度约为6″,观测精度较高,表明图像全站仪可用于低轨卫星观测,观测误差来源有待进一步研究。

星基并置轨道配置对地球自转参数解算的影响

为了进一步研究全球卫星导航系统(GNSS)和卫星激光测距(SLR)低轨卫星(LEO)星基并置对于地球自转参数(ERP)解算的贡献,综合评估星基并置轨道配置和空间连接误差对地球自转参数解算的影响:通过仿真实验,联合地面全球定位系统(GPS)、低轨卫星星载GPS,以及低轨卫星激光测距观测数据,分析低轨卫星轨道配置、空间连接误差对地球自转参数解算精度的影响。结果表明,ERP的估计精度受低轨星基并置站的轨道高度和倾角影响较为明显;相比于低轨道、低倾角卫星,高轨道、高倾角卫星对于极移参数的解算精度提升效果更为显著,这主要是得益于该轨道配置可提供更多的SLR观测数据;此外,空间连接误差分析结果表明,ERP对于低轨卫星SLR棱镜质心改正的误差更加敏感,特别是在Z向,2 cm的Z向SLR棱镜质心改正误差可使得极移X分量和Y分量的估计精度分别下降24%和14%。

航天器空间环境模拟器中的等离子体分布规律

低轨道航天器的空间等离子体环境主要为低温、低密度、均匀等离子体,本文详细叙述了低轨道空间等离子体的特点,为了准确校准Langmuir(朗缪尔)探针,对空间模拟装置内等离子体的参数分布进行了详细的实验和数据分析,得到了电子密度、电子温度、空间电位、悬浮电位、德拜长度的分布规律,得出校准装置中心200 mm以内为稳定的等离子体,从而在安装位置上有助于更好地对探针校准。

几种LEO星载GNSS精密定轨方法的对比分析

介绍了几何法、动力法、动力平滑法、约化动力法四种常用的LEO星载GNSS精密定轨方法,对比了四种方法的异同,设计实测算例,对几种方法的应用效果进行了比较分析,结果表明:通过选用适当的观测量及数据处理方法,几何法定轨精度能够达到1 m左右水平;大气阻力模型的不完善是动力法与动力平滑法精度受限的主要原因,若不考虑大气阻力,两者的精度仅能达到优于0.5 m的水平,动力法精度略高,而动力平滑法则更易实现;约化动力法通过引入经验力参数,能够弥补力学模型不足的缺陷,在不考虑大气阻力的条件下,其精度相比动力法有显著提高,能够达到cm量级。

航天器增阻离轨技术发展概述及前景展望

在介绍增阻离轨技术的基础上,分析了国外开展的薄膜轨道衰降装置(GOLD)、阻力帆离轨装置(DSDD)、充气式离轨装置(IDOD)、任务后气动离轨系统(Aeoldos)、气动离轨减速系统(IDEAS)等典型项目的研制情况;总结了增阻离轨技术的方案特点,提出针对质量1000 kg以上的大卫星,研究充气式增阻离轨技术的必要性;介绍了外形设计及优化、结构材料、折叠包装与可控展开等关键技术,并对该技术在空间碎片主动清除、大型空间平台有控再入等方面的应用前景及设想进行了介绍,可为发展增阻离轨技术提供参考。

空间辐射环境与测量

空间辐射对载人空间探索造成巨大的风险,而且对空间任务的设计也提出了诸多限制条件。评述了低地轨道与地球磁层之外的空间辐射环境的来源和组成,以及模拟空间环境效应的各种分析方法的发展情况。介绍了空间辐射测量的各种方法。

利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站的载人月球探测飞行模式

为提高中国月球探测的安全性和效费比,提出了一种利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站进行载人月球探测的任务模式,分析了任务往返的轨道和窗口,通过多方案对比分析给出2种构型重复使用地月转移级方案建议,估算对比了重复使用地月转移级效益,得出对于长期多次载人月球探测任务,采用重复使用地月转移级方案将具有更低的任务成本。

低地球轨道空间环境与效应集成化监测装置设计

低地球轨道(LEO)空间环境与效应给低轨航天器带来严重威胁,因此需要对LEO空间环境和效应进行监测。文章提出LEO空间环境与效应集成化监测的设计思路,从电子电路设计、监测载荷设计和结构总体设计3方面给出了针对电子、质子、原子氧、温度、总剂量、表面电位、污染等环境与效应的监测方法以及集成化设计方法,可以实现瞬时参数(通量、剂量率、污染沉积率)和累积参数(注量、累积通量、总剂量、总污染量)的监测。

大型低轨星座部署对空间碎片环境的影响分析

为分析大型低轨(low Earth orbit,LEO)星座部署对未来空间碎片环境的影响,本文利用空间碎片环境长期演化模型(space objects long-term evolution model,SOLEM)研究了大型星座卫星数量、质量、面积、部署高度及任务后处置(post mission disposal,PMD)策略等因素对碰撞次数和碎片数量的影响。分析可知,卫星数量和面积主要影响碰撞次数,而卫星质量主要影响由碰撞产生的新增碎片数量。在满足任务条件下,可综合考虑三者关系选取最合适方案。同时,星座部署在1100 km高度对空间碎片环境影响较大,在遵守25年规则的前提下应将PMD成功率提升至95%以上。