Study on Multi-Rotary Joints Space Power Satellite Concept

The Space Power Satellite(SPS) would be a huge spacecraft capturing the power of solar radiation in space and to supply electric power to the electric grid on the ground. The SPS concept was proposed by Dr. Peter Glaser in 1968. SPS have been studied now for exactly fifty years by many scientists in various countries. It has been regarded as one of the most promising energy projects of the future and has been attracting more attention in recent years. More and more Chinese scholars and experts are paying attention to the development of SPS. Due to the huge size, immense mass and high power of such a satellite system, there are many technical difficulties which exist to realize SPS. In this paper, recent SPS research and development activities are reviewed first. Various SPS concepts are analyzed and compared. The primary scheme of the Multi-Rotary joint SPS(MR-SPS) is described. The main feature is that the huge solar array comprising many separate small solar sub-arrays and each solar sub-array has two middle power rotary joints. So, the most challenging technology, the high-power rotary joint, is simplified by using many middlepower rotary joints hence the possibility of a single-point failure of a single rotary joint is avoided. This enables easy assembly of the modular solar arrays. Finally some key technologies of MR-SPS are analyzed.

一种双天线GNSS接收机混合干扰抑制方法

相对于单天线GNSS接收机,阵列GNSS接收机具有空间分辨能力,当干扰信号与卫星信号在时域频域上产生混叠时,其能够从空域上对干扰信号进行抑制,具有更强的干扰抑制能力。但阵列GNSS接收机相对于单天线GNSS接收机需要更多的阵元,随着阵元数目的增加,系统成本也相应的增加,限制了阵列GNSS接收机的应用范围。双天线GNSS接收机既具有空域抗干扰能力,同时又具有价格低廉的特点,是一种较好的折中选择。对于单一的连续波干扰,其能够产生很好的抑制效果,但是当连续波干扰中混有脉冲干扰时,由于受到自由度的限制,双天线GNSS接收机无法对混合干扰进行有效抑制,进而影响接收机的正常工作。针对于上述问题,本文提出一种新的混合干扰抑制算法。首先利用脉冲的时域特征,对待处理信号进行分块处理,确保至少有一个数据块中不含有脉冲干扰,随后对不含脉冲干扰的数据块,使用空时最小功率(Space-Time Adaptive Processing Power Inversion,STAP-PI)算法得到最优权值,然后利用该权值抑制原信号中的连续波干扰。最后,对处理之后信号中残余的脉冲干扰进行时域置零处理,从而达到抑制混合干扰的目的。仿真实验和实采实验结果均证明了所提算法的有效性。

卫星互联网赋能新型电力系统创新应用

卫星互联网是通过卫星规模化组网,以航天、通信、网络、数据等技术为支撑的全球全域全时新型网络信息基础设施。与传统卫星网络相比,具有广覆盖、低时延、高带宽、低成本等优势。通过剖析新型电力系统在广域覆盖、抗毁顽存、垂直应用等信息化能力建设方面的挑战,凝练高中低轨协同的卫星互联网内涵定义与能力特征,提出卫星互联网在电力规划、态势感知、巡视检修、防灾应急等业务领域赋能新型电力系统的实践路径。提出基于零信任的星地融合网络信息安全体系,为建设、运行及发展空天地全面一体、通导遥深度融合的新型电力系统提供基础参考,进一步提升新质生产力水平。

3D打印在大规模空间建造中的应用

3D打印作为代表国家航天实力的重要技术之一,在太空事业的发展中扮演着至关重要的角色。通过利用空间3D打印技术,我们能够摆脱地面制造带来的约束与限制,从而降低在地球上进行预制并将其运送到太空的成本和风险,为未来开展多样化、超大尺寸的空间结构提供了新的机会。3D打印技术可以在太空中直接制造出大型天线结构和太阳能电站,从而不再受限于地面制造的大小和重量,这将为太空资源的利用和未来太空探索提供更加灵活、高效的解决方案。文章阐述了空间3D打印技术的起源及发展背景,围绕其在太空环境的应用情况分别讨论了国内外开展空间3D打印技术在轨制造、构建大型空间结构以及星球基地等方面的研究进展;明确了相关技术在当前发展中的主要特点及问题,并阐述了其未来的发展方向;最后结合当前各国技术的发展和研究成果,提出了中国未来在太空中构建大规模空间天线和空间太阳能电站的研究设想,为我国太空3D打印技术在轨制造应用提供了借鉴和指引。

6G时代卫星算力网络发展思考

卫星已被广泛认为是6G网络的重要组成部分,卫星算力网络结合实时网络和计算资源状况,进行卫星计算节点间的任务调度,能够满足多样性业务的时延要求,实现在轨通信、处理、存储等资源的高效利用。首先,阐述卫星算力网络的概念内涵,对卫星通信网络的发展现状和趋势进行了总结;其次,从总体架构、硬件组成和软件架构三方面给出了卫星算力网络的设计考虑;最后,对卫星算力网络所面临的技术挑战进行总结,对卫星算力的发展进行了展望。

模块化多旋转关节空间太阳能电站方案设计

文章基于多旋转关节空间太阳能电站(MR-SPS)方案,以降低远距离高压电力传输技术难度为核心,提出一种更新的模块化多旋转关节空间太阳能电站概念。该方案在分布式太阳电池分阵和多导电旋转关节基础上,对于微波发射天线阵也进行了模块化设计和分布式布局,实现了太阳电池分阵和微波发射天线分阵的一一对应,形成多个独立的太阳能发电与能量传输模块,通过模块的扩展实现整个空间太阳能电站。该方案大幅简化了空间电力传输与管理的复杂性和在轨组装的难度。同时各个模块完全独立,组装后即可单独工作,也提高了系统的可靠性。

真空强电磁场环境下铝的二次电子倍增规律

针对卫星表面受强电磁环境的影响导致的充放电问题,采用1D3V的粒子网格(PIC)方法对卫星表面铝材料在空间强电磁环境作用下的二次电子倍增作用规律进行研究。结果表明:星表铝材料在不同微波幅值、不同频率下的二次电子倍增效应存在“最易”倍增区间;二次电子倍增规律表现为在特定频率下,铝的二次电子倍增随着微波电场幅值的增大先增强后降低,表现出最佳倍增区间的效应;在特定幅值下,铝的二次电子倍增效应也会先增强后降低,但是整体表现出低频时倍增强,高频时抑制倍增的效应。

近地空间与电网相关的谐波辐射现象研究

大量卫星探测结果表明近地空间存在与地面电网谐波频率一致的辐射现象,但相应的谐波辐射源仍不确定。通过分析与晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程走向接近的DEMETER卫星轨道上的电场强度探测数据,发现空间存在2~5 kHz频带内的谐波辐射事件,且事件的数量在该特高压输电工程投入运行后急剧增加。地面实测结果表明,特高压输电工程首端确实存在数千赫兹的谐波辐射。利用偶极子等效地面谐波辐射源,基于全波模型,分析了其产生的电磁波在半球空间电离层中的传播特点,并与卫星探测结果进行了对比,表明近地空间谐波辐射现象与地面变电站的谐波辐射具有一定关联。此外研究了甚低频(VLF)电网谐波辐射在南北地磁共轭空间传播的机理,并利用卫星探测实例进行了初步验证。

张衡一号卫星探测的赤道附近电场分布及其与电离层分布的关系

利用张衡一号卫星搭载的电场探测仪(Electric Field Detector,EFD)获得的VLF频段2019年电场功率谱数据,研究赤道附近区域近东西向电场的背景分布、季节变化以及与电离层背景的关系。结果表明:白天电场背景在赤道及其附近随季节呈不同波形结构,以3波、4波为主;夜间电场背景规律性稍差,仍呈随季节变化的经向波形结构分布特征;白天电场背景与电离层背景的季节变化呈高度正相关性,春秋季为峰值;夜间电场背景的季节变化特征是夏冬季峰值,与夜间电离层背景整体上呈负相关性。VLF电场功率谱观测数据与电离层观测数据在较大和较小空间尺度上的统计特征上都具有一致性。EFD载荷为电离层相关科学问题的研究及应用提供了一个可以使用的电场观测数据集。

多旋转关节空间太阳能电站概念方案设计

对于国际上典型的空间太阳能电站概念方案进行了分析,在此基础上提出了一种新的概念方案——多旋转关节空间太阳能电站,并给出总体构型和主要分系统初步方案设计结果。该方案采用多个相互独立的太阳电池子阵代替了传统的整体式太阳电池阵,以多个中等功率的导电旋转关节替代传统的极高功率的旋转关节,不仅解决了传统空间太阳能电站方案中的极大功率导电旋转关节技术难题,还可以避免导电关节的单点失效问题,模块化的设计也使得系统的组装和构建更加可行。

我国卫星及应用产业发展研究

卫星及应用产业是国家战略性高技术产业,是我国战略性新兴产业高端装备制造业的重点发展方向。本文在对卫星及应用产业的概念及范畴进行界定的基础上,分析了国内外卫星及应用产业的总体情况、关键产品、产业链及产业环境,通过剖析卫星及应用产业发展面临的主要问题,结合国内外卫星及应用产业的发展趋势,提出了促进我国卫星及应用产业发展的政策建议。

MW级太空发电站微波能量波束指向控制精度分析

MW级太空发电站是太空发电站事业发展规划的重要步骤,其微波能量传输系统的波束指向控制精度影响着波束收集效率。本文面向百米级能量发射天线,提出合理的微波能量波束指向控制精度要求。针对能量波束的渐变特性,以微波能量收发口径、传输距离和工作频率为约束,以系统对波束收集效率下降的容限为考察目标,建立了微波能量传输系统的波束指向控制精度分析模型,并提出了分析方法。应用提出的方法进行了数值仿真分析,根据仿真结果指出MW级太空发电站微波能量传输系统的波束指向控制精度应为0.0023°,此时因微波能量波束指向偏离导致的波束收集效率下降不超过1%。这一指标可作为MW级太空发电站微波能量传输系统重要设计参考。

空间太阳能电站太阳能接收器二维展开过程的保结构分析

针对传统数值方法求解微分-代数方程过程中经常遇到的违约问题,本文以空间太阳能电站太阳能接收器的简化二维模型为例,采用辛算法模拟了简化模型的展开过程,研究了辛算法在求解过程中约束违约问题.首先,基于Hamilton变分原理,将描述简化二维模型展开过程的Euler-Lagrange方程导入Hamilton体系,建立其Hamilton正则方程;随后,采用s级PRK离散方法离散正则方程,得到其辛格式;最后,采用辛PRK格式模拟太阳能接收器的二维展开过程.模拟结果显示:本文构造的辛PRK格式能够很好地满足系统的位移约束.

我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术基础分析

对我国建立空间太阳能电站的必要性进行了讨论。在分析建设空间电站相关技术的基础上，提出了发展我国空间电站的构想。发展空间太阳能电站是我国解决能源需求、优化能源结构的理想选择；我国的技术基础已具备建立空间电站的能力，需对一些关键技术进行重点论证、研究，要加快发展载人航天技术和空间站技术；应首先发展太阳能发电卫星，之后再发展电力传输卫星等其它空间电站形式。从现在起就开始准备，我国可能在２０年左右时间内建立初步的空间电站演示系统。

空间太阳能电站发展及研究

随着国际能源危机的日益紧迫,空间太阳能电站(SPS)概念受到了世界各国的广泛关注,发展SPS,优化能源结构也成为我国解决能源需要的可靠途径。本文对SPS的起源、概念和发展历程进行了阐述,针对当前SPS典型系统模型,分析和总结了SPS的关键技术。结合我国当前的技术水平和未来科技发展的进步,对我国发展SPS提出了设想,采用先进的轻型薄膜聚光设计概念初步提出了一种新型SPS构型,并介绍了该构型的组成、功能及光路设计。该结构大大减小了系统质量,降低了运载的发射成本和发射难度,可为未来我国SPS的发展提供有益补充和借鉴。

空间太阳能电站及其动力学与控制研究进展

太阳能是丰富、清洁、可再生的能源,其大规模开发有望缓解世界能源短缺和环境污染问题.由于太空中太阳能的能量密度高、不受天气和昼夜的影响,在太空中建造太阳能发电站是未来进行大规模太阳能发电的重要手段.然而,由于空间太阳能电站超大、超柔、长时间运行、需要高精度指向等特点,使得其动力学与控制问题成为学术界和工程界共同面临的难题.为了加深对空间太阳能电站及其动力学与控制的认识,简要介绍了空间太阳能电站的提出背景,回顾了空间太阳能电站的发展历程,综述了目前国内外主要的空间太阳能电站概念设计方案.最后总结了空间太阳能电站在轨服役阶段的动力学建模方法、复杂太空环境影响分析、数值仿真分析、轨道与姿态控制和结构振动控制等研究现状.研究表明,目前对空间太阳能电站动力学与控制的研究仍然处于起步阶段,其动力学模型主要集中在刚体、梁、板等简单的动力学模型,缺少更能真实反映空间太阳能电站在复杂太空环境下动力学行为的模型.在控制方面,目前的研究主要对空间太阳能电站的轨道、姿态和结构振动分别进行控制,忽略了三者之间的耦合影响,而进行轨道-姿态-结构振动协调控制的研究尚不充分.基于此给出了几点空间太阳能电站动力学与控制未来的发展方向.

微波能量传输系统设计及试验

面向空间太阳能电站应用,进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题,研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面,通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配,同时抑制整流电路高次谐波,省去原有匹配及低通滤波器,简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件,设计能量接收整流表面,结合固态体制微波能量发射端,搭建5.8GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证,实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统,为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。

绳系太阳能发电卫星姿态机动的边界控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和边界最优主动振动控制相结合的复合控制方法。基于Lyapunov方法设计的主姿态控制器不但能够使卫星完成姿态机动,而且能够以太阳能板根部的弯曲力矩作为反馈信息,通过改变太阳能板根部的控制力矩来保证挠性结构振动的衰减性。考虑到绳的单侧饱和非线性特性,用非二次型性能指标代替传统的二次型性能指标设计的边界最优控制器能够进一步抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性及控制器的最优性。将该复合控制方法用于绳系卫星大角度单轴回转机动的仿真研究,仿真结果验证了该控制策略的有效性。

太空发电站参数化有限元建模与设计平台

在进行太空发电站的动力学与控制研究时,由于其结构尺寸庞大,单元与节点众多,传统有限元建模方法效率极低,通常只能将其假设为刚体或刚柔耦合系统,但这种近似简化处理必然会导致真实动力学特性的缺失。因此,文章提出一种太空发电站参数化有限元建模方法并建立设计平台,旨在缩短有限元建模周期,提高太空发电站设计、分析与优化的效率。以平台式太空发电站为原型,介绍了其基本参数与有限元模型。定义了易用的有限元节点与单元编号规则并给出了参数设置过程。借助APDL、UIDL,以及TCL/TK的混合编程技术,建立了太空发电站参数化有限元模块及设计平台,利用简单的菜单及人机交互界面实现电站的参数化有限元建模,设计人员从输入参数到开始建模的前处理时间不会超过2min,提高了建模效率。

国际空间太阳能电站的发展现状

根据“’９７空间太阳能电站国际研讨会”资料分析，综合概述当前国际空间太阳能电站的发展现状，包括空间太阳能电站项目的论证和实施情况，相关技术的进展概况，空间太阳能电站发展的困难、机遇和任务目标等。总之，世界空间太阳能电站项目的发展虽然进展缓慢，但相关技术的深入研究和世界环境需求使其发展时机越来越成熟。目前存在的困难在于缺少研究资金的投入，今后的主要工作是取得公众的理解和政府的积极支持。