空间科学实验数据可视化分析系统技术研究

为提升空间科学实验数据的分析效率与利用水平,设计以数据可视化为切入点,支持多领域、长周期空间科学实验数据交互分析的系统架构,对系统关键技术进行研究。设计分析算法动态扩展和服务映射流程,支持数据分析算法的扩展与更新,建立算法的快速处理模式和复杂分析模式,兼容与支持不同类型分析算法的处理流程。通过多可视化组件之间的数据联动,直观且同步呈现相关联数据之间的相关性。采用可视化视图交互调整和布局,支持不同数据、不同显示屏幕的个性可视化需求。系统应用表明:系统已集成了十余种空间科学实验数据分析算法,实现了多领域空间科学实验数据的可视化分析。

一种用于中国空间站增强现实维护应用的自动跟踪框架

跟踪注册是增强现实(Augmented reality,AR)中一项至关重要的技术。基于人工标识和基于图像的注册方法已广泛应用于增强装配系统中。然而,由于空间产品的弱纹理、结构对称、数据有限以及难以张贴标识等特点,空间站的跟踪注册仍面临挑战。本文提出了一种专门为中国空间站诱导维修应用设计的三维物体跟踪方法,旨在用AR技术取代传统的纸质手册,为宇航员提供更直观的操作指导。本文提出了一种无标记的中国空间站智能维护方法。采用点对特征方法来估计初始帧姿态,不需要手动调整来获得相应的姿态,这对宇航员来说至关重要,因为在微重力环境中精确运动是一项重大挑战,而且结合曲率信息可以提高采用点对特征方法估计初始帧姿态的效率。通过结合纹理和区域信息,消除了对宇航员位置的精确限制,进一步增强了空间对称产品的跟踪鲁棒性。该方法利用点云匹配来估计第一帧的初始姿态,并在失去跟踪后重新计算姿态。一旦获得了前一帧的姿态,则仅根据二维图像的区域和纹理信息来计算跟踪,以获得实时跟踪。实验结果表明:本文方法与基于标识的方法具有相同的姿态趋势;基于电子游标卡尺测量之间的误差在毫米级;使用专门为航天产品设计的专用工具成功更换过滤器,证明了在空间站上实施诱导维修程序的实用性和潜力。

中国空间站在轨科学实验任务规划方法及应用

为保障中国空间站平台稳定运行,使得在轨设施利用率维持较高水平,建立空间站科学实验任务规划模型,基于冗余原则设计最大时间冗余度下的任务规划方案。考虑设备支持、上下行、功率、工时等复杂约束,优化空间科学应用项目的在轨设施规划,得到制约应用效益最大化的主要因素。以中国空间站建造期生命科学与生物技术方向实验项目为例的算例,实验结果表明,规划方案能够实现在轨设施利用率最大化,为在轨资源扩展、上下行能力提升以及地面项目培育等提供参考。

第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛:地月空间助力火星移民和近地小行星探测

本文首先简要介绍了全国(中国)空间轨道设计竞赛的发展概况和第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛题目的研究背景。然后介绍并解读了“可重复使用地火运输空间站火星移民”“可重复使用探测器飞越探测近地小行星”两组竞赛题目,回顾了竞赛组织历程,分析了竞赛最终提交结果。最后简要陈述了赛后交流和研讨情况以及总结和展望。此外,文中各章节对本竞赛区别于其他学科竞赛的若干特色也进行了简要陈述。

我国空间科学与应用领域的科技成果评估

我国空间科学与应用领域在研制任务相关技术评估方面已形成了相关法律法规、国家顶层政策、部委政策和工程管理政策等4个层次结构,在国家加强科技成果规范评价的背景下,对其科技成果进行规范化和体系化评估成为有待进一步研究的重点。因此,在总结国家发布的一系列相关政策和标准基础上,分析空间科学与应用成果评估的内涵和目的,总结其基于任务的分层分类分阶段评估、基于价值的多领域多要素多指标综合评估、突出国际前沿比较和应用用户评价、定性与定量相结合评价的特点,提出按任务层次、项目类型和工程阶段等方式的评估分类,以及全周期过程的成果产出与评估理念,形成构建评估模型、形式审查、组建评估专家组、成果评估、评估结果分析与反馈等主要评估流程,给出载荷研制类、科学实验类、科学研究类(或基础研究类)、应用研究类等4类成果的主要体现形式和评估要素,并提出在同行评议基础上采用统计调查法、文献计量法和定量与定性相结合的方法进行评估。最后针对我国空间科学与应用成果评估存在的四大问题给出六点发展建议。

载人航天工程空间应用载荷生物安全工程技术体系研究

针对我国载人航天工程空间应用系统科学实验载荷生物危害问题,提出了完整的载人航天工程空间应用科学实验载荷的生物安全工程体系,涉及空间生物安全的定量要求、生物安全等级的划分、生物安全监测以及生物危害的包覆设计等工程范畴。在此基础上,结合我国目前载人空间站空间应用的实际需求,提出了开展空间生物安全防护的工程实践方案和建议,为后续开展载人空间站空间应用系统生物安全设计提供了指导和参考。

空间站工程空间应用载荷安全性认定技术研究

针对我国空间站工程大规模空间应用的安全性需求,提出了空间站工程空间应用载荷安全性认定的概念与内涵,明确了载荷上站安全性认定工作的关键技术要素,涉及基于多因素风险的载荷分类原则、有效载荷危险分级技术以及有效载荷安全性认定的技术要求体系等工程技术范畴,在此基础上,制定了空间应用载荷安全性认定的技术实施流程,为后续开展空间站大规模空间应用载荷上站安全性认定工作提供了参考。

空间增材制造技术的应用

中国空间站旨在进行大量在轨科学实验和空间应用研究,在轨保障是支持空间站在全寿命周期内完成载人航天任务的重要途径.传统地面制造及上行补给方式难以满足较大规模应用的需求,亟需一种创新性的保障模式突破资源瓶颈,空间增材制造技术具有极大的潜力实现即造即用的资源保障模式.本文根据空间增材制造技术的最新研究进展,结合中国空间站和载人深空探测任务需求,对空间增材制造技术的在轨应用模式进行分析,提出了中国空间增材制造技术未来发展所面临的问题和解决途径.

空间金属增材制造技术应用

高能束流金属增材制造技术以激光和电子束作为热源,通过选区熔化粉末或熔丝沉积成型来实现金属零部件的制造.根据金属增材制造技术在空间领域的发展,结合空间站和深空探测强约束条件对在轨制造设备尺寸、重量、功耗、寿命提出的更高要求,对比激光与电子束两种热源的工作模式,进行在轨可行性分析,提出未来空间金属增材制造技术发展所面临的问题与解决途径.

中国空间站生命科学研究展望

中国载人航天工程即将进入空间站阶段,空间生命科学也随之迎来快速发展的黄金时期。为此,回顾了国内外空间生命科学的发展现状,并在未来20年中国空间生命科学发展战略目标的基础上,针对目前中国载人航天活动支撑下的航天员生命保障、宇宙生物学基础研究和空间生物技术转化研究的战略需求,凝练了空间人体科学和航天医学领域、空间基础生物学领域、空间生物技术和转化应用领域中亟待解决的关键科学和技术问题,为如何建好和用好中国的空间站及中国空间生命科学的发展战略提供了参考。

面向空间应用的嵌入式系统软件重构技术

针对空间应用软件系统高可靠、可扩展的需求,提出了一种在TMS570上的软件重构技术和实现方法。采用在应用编程(IAP,in-application programming)的原理,深入研究了TMS570嵌入式系统重构的技术原理和关键技术;采用"APP1(带BootLoader)+APP2"的架构,将IAP功能耦合在主程序中,可通过地面数据注入的方式更新空间应用软件,同时还具备局部代码更新功能。注入程序经过验证,可以在4.4s内上传100KB数据量的程序代码。该方案为空间应用软件的开放性设计、可靠性设计提供了依据。

一种空间应用与科学数据分发共享服务平台的设计与实现

针对载人航天空间应用与科学数据的在线分发共享需求,面向服务方式、业务流程和数据结构,分析了数据分发共享服务平台的功能与组成,设计了多层次、松耦合、易扩展的平台架构,解决了平台数据库逻辑模型设计、元数据自动提取、数据便捷在线服务、轨道仿真的技术问题与实现方式。平台应用可以实现海量、多源、异构空间应用与科学数据的统一,高效查询检索,以及典型应用成果宣传等;并已成功应用于天宫一号空间应用推广服务。

载人月球探测科学研究发展概述与趋势分析

月球是具有重要科学价值与战略价值的自然天体,开展载人月球探测,实现中国人首次登陆地外天体,将成为航天强国建设的重要标志。在载人月球探测过程中,可利用月球特殊条件及资源,开展有人参与的科学研究活动,获取月球科学、月基科学和月球资源利用等方面的研究成果。首先回顾了阿波罗计划、阿尔忒弥斯计划、嫦娥工程等月球探测任务,针对其中的科学研究任务实施情况及关键成果进行了总结,并分析了后续载人月球科学任务发展趋势。在此基础上,对人类在开展未来载人月球探测任务过程中重点部署的方向提出了建议,涉及月球样品采集、月球科学探测,以及月球原位资源利用等方面。对载人月球探测科学研究发展趋势的分析及建议,可为未来载人登月相关论证设计提供参考。

空间站工程空间激光安全工程技术研究

针对我国空间站工程空间激光器的危害问题,提出了完整的空间站工程激光安全的技术方案,涉及激光器安全等级的划分、激光器安全阈值要求、激光器危害的防护控制措施、以及激光器安全风险的评估等工程范畴。在此基础上,结合我国目前空间站空间应用的实际需求,提出了开展空间激光器安全防护的工程设计准则,为后续空间站工程空间应用系统激光器安全性设计提供了参考。

月面原位水资源获取技术与发展趋势

随着深空探测活动的持续推进,月球探测已成为开展行星际探测的重要部分.月球原位资源利用是保障载人月球探测及月面长期驻留的关键技术途径,中国已将月面原位水获取方法列为月球探测的关键技术之一.月面原位水获取方法主要分为极区水冰勘探开采和月壤氢还原制水两种技术途径.现有勘探到的水冰资源主要位于月球极区,分布不均匀,开采难度大.目前研究提出了多种不同类型的极区水冰勘探开采方法,但实际效果有待月面原位试验验证.月壤加氢还原制水技术方法工作条件不受区域限制,应用范围较广,但仍存在反应条件要求高、能耗大等技术限制,未来需在节能和有效矿物成分富集等方面有所突破.

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.

面向月球科研站任务的地月准实时遥操作模拟验证系统设计与关键技术研究

针对月球科研站任务地月遥操作需求和特点,设计地月准实时遥操作模拟验证系统,对其中的关键技术海量多尺度遥感数据环境感知、空地协同高精度定位、基于混合现实的预测仿真等进行了研究。提出了基于海量多尺度遥感数据的联合处理方法,环境感知数据融合可处理米级至厘米级环境感知结果;设计基于空地多运动平台协同定位的原型软件,空地协同地标约束下,定位精度不低于轨道器影像1个像素;开发了带有力觉反馈的预测仿真验证平台,在2~3 s变时延约束下可在仿真环境下协同演示遥操作过程,真实还原从端的遥操作作业场景,提高遥操作的执行效率和安全性。为地面人员的方案设计、操作手训练、故障处置等提供实时支持,为我国未来实施月球科研站任务筑牢基础。

天宫-2空间科学与应用任务及进展

2016年9月15日，我国第一个真正意义上的空间实验室--天宫-2成功发射。天宫-2主要在轨完成两大任务：一是空间科学研究与应用任务，即在轨开展较大规模的空间科学实验和应用试验；二是载人空间站关键技术验证，即进行航天员中期驻留、在轨推进剂补加和在轨维修维护等关键技术验证，

LAMP耦合荧光侧向流层析试纸条的空间微生物快速检测技术

微生物种类及其含量监测是空间站内微生物控制的重要环节。但是空间环境的微重力条件及对资源的条件限制导致地面常规检测实验难以开展,因此在轨微生物检测主要依靠培养法。基于侧流层析试纸条的生物分子识别检测方法具有不受微重力环境影响的优点,耦合荧光检测方法可以达到较高的检测灵敏度,是在轨微生物检测的潜在方法之一。针对空间环境中对航天员生活环境及仪器仪表设备具有潜在危害的微生物,研究了一种基于环介导等温扩增(LAMP)耦合荧光侧流层析试纸条的微生物核酸鉴别技术。研究结果表明,该技术可实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等空间站常见有害微生物的高灵敏、高特异性、快速检测,检测时间小于60 min,灵敏度达到100 copy·μL^(–1)。

天舟-1空间科学与应用任务

2017年4月20日,我国第一艘货运飞船—天舟-1成功发射。天舟-1主要在轨完成两大任务：一是考核货运飞船的功能,并开展在轨推进剂补加关键技术验证,为未来的载人空间站建造奠定基础;二是开展空间生命科学实验和空间应用关键技术验证试验,主要包括4项应用任务,包括微重力对细胞增殖和分化的影响研究、两相系统实验平台关键技术研究、非牛顿引力实验检验的关键技术验证和主动隔振关键技术验证。