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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

天地一体化网络下的多目标切换策略

随着低地球轨道(Low Earth orbit,LEO)卫星的网络结构日益复杂,高效的信息传输对于天地一体化网络(Space-ground integrated network,SGIN)的发展至关重要。本文通过同时考虑切换次数、仰角和可用信道数量等指标来优化多目标切换问题。通过数学建模将地球划分为多个区域,并将优化目标定义为切换次数和负载均衡的加权和,根据不同场景确定加权系数。通过设置表示信息传输质量的阈值,可以优化仰角。本文将天地一体化网络的卫星切换问题转化为整数线性规划(Integer linear programming,ILP)问题,并使用数学工具求解,以提供最优解。同时,由于在实际工程应用中基于ILP的策略具有较高的算法复杂性,本文还提出了一种基于二分图的启发式切换策略。通过对一个实际应用的低轨卫星星座(Globalstar)进行仿真实验,验证了本文所提出的切换策略的有效性。

未来低轨信息网络发展与架构展望

近年来,伴随着运载、卫星、通信、网络、智能等技术的发展,天基网络形态正在发生质的变化。低轨(LEO)星座网络已经成为众多应用场景、业务承载需求的新选项,有向着全球覆盖、天地一体、多业务承载、持续演进、安全可控的天基通用信息网络基础设施发展的趋势,而这样的愿景对未来低轨星座网络架构提出了更高的要求。该文首先从空间网络、先进卫星以及天地网络融合3方面技术领域对近年来低轨星座网络相关技术的发展现状进行了概述,并对低轨星座网络发展的愿景与趋势进行了分析研判。在此基础上,该文提出基于软件定义(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的全云化卫星-5G融合网络架构,使网络具备架构可编程、网络功能抽象解耦以及去中心化的核心优势,辅以意图驱动网络等智能网络运行管理方法,实现网络的多业务承载、持续演进、自动化管理等能力。最后,该文对需重点关注的技术方向进行了展望。

一种增量部署太赫兹链路的巨型近地轨道星座网络路由算法

太赫兹通信作为6G研究的关键技术之一,将在下一代巨型近地轨道(LEO)星座网络中与其他频段链路共存,在这样增量部署太赫兹的巨型LEO星座网络中,星间链路扭曲窗口期的路径次优问题将变得更加明显,现有的路由算法仅依赖于最短时延路径难以解决这个问题。为此该文提出一种增量部署太赫兹链路的时空图建模,以及考虑弯管转发和星间链路相结合的自适应选择路由算法(ATLS)。在Hypatia网络模拟器中的测试表明,与已有的路由方式相比,ATLS路由能够将任务完成时间降低了17.14%,端到端时延降低16.67%。

超低轨卫星的空间环境特性及其力学与热学关键问题研究进展

超低轨道飞行器在遥感、科学研究等领域具有广泛的应用需求,已成为研究热点之一。由于超低轨的特殊空间环境限制,超低轨道飞行器需要面临和解决很多技术难点,主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文针对典型超低轨飞行器任务,研究了主要的大气模型及反演方法,并对模型数据进行了比对。结合多种气动被动稳定的案例,阐述了气动力计算的方法及气动结构设计的重要影响。介绍了气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法,阐述了超低轨卫星的气动热环境、仿真算法以及多种防热复合材料及其应用场景。详细分析了针对超低轨卫星的防热散热可变切换技术,并简要评述了各个方案的优缺点。研究结果有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验验证,将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。

低轨空间碎片捕获离轨方案设计与分析

针对低轨米级空间碎片清除任务需求,提出捕获离轨一体化载荷方案,采用飞网捕获和增阻帆离轨方案开展低轨空间碎片清除任务流程设计与效能分析,论证方案可行性。在考虑操控星悬停指向控制偏差和飞网发射偏差等因素后,采用16 m×16 m增程飞网,实现在100~200 m范围内对火箭末子级等米级空间碎片实施飞网捕获。在操控星对绳系组合体进行章动抑制和稳定后,释放5 m×5 m增阻帆,使初始轨道高度在600 km以内的火箭末子级5年内再入大气。

泡沫胶增阻空间碎片清除技术综述

空间碎片对人类开发利用外层空间资源造成了极大的阻碍。为了有效遏制地球近地轨道空间碎片数量日益增多、航天器与空间碎片碰撞风险日渐加剧的趋势,必须移除轨道上的空间碎片。介绍了泡沫胶增阻空间碎片清除技术的基本原理,总结了当前研究现状,可为今后空间碎片清除技术的研究和发展提供借鉴与参考。

天基逆合成孔径激光雷达LEO目标成像模式设计

对采用天基逆合成孔径雷达(ISAL)对300~2000 km轨道高度的低轨(LEO)目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究,分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率(PRF)和回波信噪比(SNR)等系统关键指标,并进行了对比。研究结果表明:绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测,且绕飞周期较短(1.5~2.1 h),可以快速获取更为丰富的目标信息,具备进一步三维ISAL成像的潜力;脉冲积累时间虽然更长,但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms(掠飞成像为0.1~130 ms);最小无模糊PRF(对于10 m转动直径的目标,约为15 Hz)减少一半(减少了对激光器高重频的要求);由于更长的脉冲积累时间,绕飞模式的回波信噪比更高,通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果;适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像,从而建立目标的特征库。

面向低轨卫星网络的组网关键技术综述

随着信息通信技术的不断发展,人类对于扩大网络覆盖范围和降低通信时延的要求越来越高。低轨卫星网络是一种利用轨道高度较低的卫星构建的网络体系,具有覆盖范围广、通信时延低等优势。基于此,首先概述了低轨卫星网络的国内外发展现状及其组网所面临的挑战,进一步阐述了低轨卫星网络组网关键技术难点及建议,最后结合分布式、博弈论和人工智能等方法,对潜在可行的低轨卫星组网方案进行了探讨。

“星链”计划在俄乌军事冲突中的应用与启示

美国太空技术探索公司(SpaceX)所提出的“星链”计划是当前最具有代表性的低轨卫星星座,该计划自问世以来因其高速率、低时延、全覆盖等特点备受关注,不仅在商业领域具有极强的竞争力,且军事应用前景较广,战略价值极大。俄乌军事冲突爆发后,“星链”在恢复战场通信、支援乌军武装力量态势监控、帮助打击俄军目标及外交舆论等领域发挥了重要作用。“星链”等低轨星座和军事相结合不仅增强了天基对地观测、通信、定位和控制能力,同时深刻影响军事作战时观察、判断、决策及行动全过程,对未来战争的作战进程和样式、指挥方式和战争结果也产生了深远影响。我国应高度重视“星链”发展动向,加速卫星布局,推动天基互联网系统的建设发展,有针对性地应对“星链”威胁。

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。