深空探测的现状、展望与建议

 回顾了人类深空探测的历史,探讨了人类深空探测的科学动机、技术挑战和可持续发展的路径,并对中国未来深空探测的发展提出了相关建议。     

嫦娥1号绕月探测——中国航天迈向深空

随着1994年的“克莱门汀”号和1998年的“月球勘探者”号月球探测器的发射成功和取得的新的科学发现,在21世纪初,世界各国相继宣布以月球和火星探测为中心的深空探测计划,掀起自阿波罗计划之后的第二次月球探测高潮。中国在卫星应用和载人航天取得突破性进展之后,适时开展月球探测,填补了中国在深空探测领域的空白。绕月探测工程的实施经历了长达10年的政治、经济、科技等方面的综合论证,于2004年初开始正式启动。2007年初,第一颗月球探测卫星——嫦娥1号的各项设施已经全部准备就绪,待命出厂,择机发射,以确保首发必成。嫦娥1号绕月探测卫星的科学目标包括绘制月球立体地图、探测月表物质成分、探测月壤厚度和探测地月空间环境等4项科学任务。     

IVMD降噪下的磁梯度张量系统集成校准方法

磁梯度张量系统（MGTS）经过校准能够减小传感器系统误差、阵列非对准误差和载体磁干扰误差，但磁测信号常受到环境电磁场、地磁脉冲信号等噪声的干扰，使得系统校准精度受限。为此，提出了在独立变分模态分解（IVMD）降噪下的MGTS集成校准方法。首先，进行旋转采样获得足量磁场矢量信号，并合成为总场强度和方向信号以避免降噪失真；然后，利用谱循环相关系数对信号进行端点延拓以抑制端点效应，对合成信号进行变分模态分解（VMD），并对主分量进行核独立成分分析（KICA），进一步消除噪声和模态混叠；最后，利用集成补偿和旋转对准（ICRA）方法的一步校准系统，消除系统误差、非对准误差和硬软磁干扰的影响。实测表明，相较于ICRA直接校准，该方法在室内电场环境中将张量分量均方根误差（RMSE）由近100 nT/m约束在5.6 nT/m内；在磁性目标定位实验中，定位距离均方根误差由0.157 m减小至0.066 m。     

基于3S技术的东洞庭湖湿地植被的分布与适应性分析

利用2010年环境一号卫星影像提取东洞庭湖湿地植被分布图,依据同时期的MODIS13数据合成增强植被指数(EVI)年最大值图与年平均值图,结合东洞庭湖高程,讨论东洞庭湖湿地植被及其生物量空间分布,并从水文因素及植被生长特性等方面分析其原因,推论出芦苇与湖草等植被的最适宜生长区域.结果说明,东洞庭湖植被及其生物量分布与高程及水环境有很大的相关性,在高程30m以上且远离水域区域,主要生长着对水分要求不高的防护林;芦苇适合生长在27m高程以上且靠近水域的区域,湖草适合生长在高程为23～27m间的区域.     

航天器的稳定自旋对双程多普勒追踪测量的影响

多普革追踪是航天器测量的主要手段之一，在通过对绕月轨道变化的观测来精确测定月球引力场球协函数高阶项的研究中，要求在数十秒采样间隔内得的多普勒频率漂移精度要达到１ＭＨｚ，然而，由于采用了自转稳定姿态控制模式，航天器的旋转会对多普勒测量产生影响，介绍了这种影响以及消除这种影响的方法。     

地磁场对焊枪高度跟踪的影响及减小方法

应用地球磁场理论对GMR磁传感器在焊接过程中焊枪的高度跟踪问题进行系统分析与研究.实验结果表明,采用模拟实验方法,对GMR和放大电路分别采用屏蔽和非屏蔽措施,在正常的工作电压、焊枪与工件的垂直高度为5.0 mm以及地磁场Z分量为26971 nT时,测得地磁场分量Z引起焊枪的高度变化高达5%,即0.3 mm;此外,结合不同纬度地区的地磁分布情况,得出了桂林与满归两地之间因地磁场影响造成的焊枪高度误差也可高达5.5%即0.3 mm以上.从而证明了这种焊枪高度跟踪检测传感器明显地受地磁地影响.为了减小其影响,采用磁法勘探中磁场补偿原理进行补偿,为电弧焊接非接触检测提供了一种新的方法.     

多模块构架式空间可展开天线结构参数优化

为降低卫星天线的发射成本,提高天线的展开刚度,以多模块构架式空间可展开天线结构的质量和1阶固有频率为目标函数,基于误差反向传播（BP）神经网络和遗传算法对天线的结构参数进行了优化.运用ANSYS软件对支撑桁架的结构参数进行了数值模拟,得到了与设计变量对应的目标函数值;通过正交试验设计,构建了用于神经网络训练和检验的样本集;按照BP算法的基本思想,调整网络模型的参数,建立了用于优化的预测模型;采用分目标乘除法,将多目标优化问题转变成单目标优化问题;采用遗传算法进行了优化分析,得到了支撑桁架各杆件的设计参数.结果表明：该优化方法在降低天线质量的同时,使结构的刚度得到了提高,为天线的结构设计提供了参考.     

基于人工神经网络的卫星姿态信号处理

地球遥感卫星的技术难点之一是保持有足够的姿态控制精度．通常卫星的姿态由单一传感器获得,为得到高的姿态精度,需要对多个传感器信息进行综合处理．针对由惯性基准、红外地平仪和太阳敏感器组成的卫星姿态测量系统,提出并设计了带反馈的ＢＰ人工神经网络进行信号处理．研究表明,该方法可以抑制红外地平仪轨道周期误差和卫星进入阴影区时对测量系统的影响,从而使系统的测量精度得以很大提高．     

Retrospect to Human Deep Space Exploration History and Its Prospect in China

1The Goals of Deep Space ExplorationThe deep space exploration is relative to nearearth space exploration.According to theWhitePaper on China’s Space Activities in2000[1],theexploration of space other than earth is presentcalled“Deep Space Exploration”in China.Thisconception is not unchangeable.It will evolvewith improvement of space technologies andcapabilities of mankind.Generally activities of human space can becategorized into three fields:Earth ApplicationSatellite,Manned Space…     

基于混合滤波的可展天线多节点状态估计

为保证卫星可展天线精确和可靠地展开,提出一种基于混合滤波的可展天线多节点估计方法。该方法通过核粒子滤波器实现多模态概率密度的递推估计,滤波过程中采用分量迭代寻优模式使粒子向各自分量最大概率密度方向移动;并对混合参数重更新,以适应粒子寻优过程中的位置和权值变化。进一步结合可展天线模型建立自校正重要性函数,提高估计的准确性。实验表明该方法适用于天线在展开过程中的多节点状态估计。     

典型薄膜空间结构耦合动力学仿真分析

对典型薄膜空间结构运动过程进行动力学仿真,通过有限元仿真计算求解薄膜空间结构运动过程的动力学响应,分析结构展开过程的构型变化、应力分布情况;通过分析薄膜空间结构系统动能变化研究其运动过程及展开稳定性问题.利用非线性有限元软件SAMCEF Mecano对自碰撞、矩形展开和弹性气球充气扩展3种典型薄膜空间结构进行有限元建模,通过定义薄膜与薄膜的自接触、薄膜与柔性结构接触完成耦合状态下的数值仿真运算.仿真结果表明,运用SAMCEF Mecano可以实现薄膜空间结构典型运动方式的耦合动力学仿真分析;薄膜空间结构动力学特性受不同运动方式影响;薄膜结构展开速率越小其展开稳定性越好.      

Abnormally large short term and impending earthquake geomagnetic anomaly implies a possibility of earthquake pre warning

The study found that strong magnetic anomalies repeatedly took place before big earthquakes. Based on geomagnetic record analysis results,we discussed a possible pattern of the magnetic anomalies prior to earthquake. In meizoseismal area or epicenter,in a time period of 36 h to about 10 min before earthquake,the exceptional big geomagnetic change increases with the magnitude of earthquake. We calculated that,in a place of 1 km from the epicenter,the magnetic anomaly before destructive earthquakes of Ms 6～9 can reach to 102～104 nT(the magnitude of earth magnetic field is 104 nT) ,rather than the magnitude of 10 nT from seismomagnetic effect theories since 1960s. From this we speculated the abnormal magnetic ULF near epicenter before earthquake seems to be an "intermittent magnetic eruption". Accordingly,we proposed that geomagnetic induction earthquake alarm can be a new pre-warning method to surmount hardship in solving the puzzledom of earthquake imminent prediction.     

Enhanced anti-sunward flow near local noon during a period of horizontal IMF and high solar wind velocity <Emphasis Type="Italic">V</Emphasis><Subscript><Emphasis Type="Italic">Y</Emphasis></Subscript>

It is believed that a southward interplanetary magnetic field (IMF) is mainly responsible for the energy input from solar wind into the magnetosphere. This paper presents an unusual case of strong anti-sunward plasma flow (up to 2 km/s) in the polar cap ionosphere and large cross-polar cap potential (CPCP) during a period of horizontal IMF (|B _Z | < 2 nT) observed by both ACE (at the L1 point) and Geotail (on the dusk flank of the magnetosheath). The CPCP is even higher than that under preceding B _Z ≈ −23 nT. Furthermore, GOES8 observed that the magnetosheath field turns northward as the anti-sunward plasma flow and CPCP start to increase, which implies that the magnetosheath field interacting with the Earth’s magnetopause has significantly rotated and differs from the IMF observed by ACE and Geotail. In accordance with previous theoretical work, we suggest that the magnetic field line draping produces a southward magnetosheath field and enhances anti-sunward plasma flow and the CPCP.     

Mars Express tracking and orbit determination trials with Chinese VLBI network

With strong support from European Space Agency (ESA), Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) organized a tracking and orbit determination trails using Chinese VLBI Network (CVN) to track Mars Express, the first Mars probe launched by ESA. Using a high-resolution VLBI software correlator and Doppler measurement system developed in-house, two sets of tracking data, VLBI and Doppler, were acquired. The trials represent the first successful foray held in China to track a probe about 360 million kilometers away from the Earth. The tracking data are analyzed using a Mars satellite orbit determination software system developed at SHAO. The results show that the accuracy of 5 s integrated three-way-Doppler data is about 0.3 mm/s, or roughly the same accuracy as ESA’s tracking data. Position discrepancies between the Doppler-based orbit solution of 8 h arc-length (about 1 orbital revolution) and ESA’s reconstructed orbit are of the order of several hundred meters. In preparing for the Russia-China co-sponsored Mars exploration mission Phobos-Grunt-YingHuo, simulations were carried out to evaluate the achievable orbital accuracy levels and the contributions of VLBI and Doppler data respectively. Results show that Doppler data provide better orbit accuracy, so that for VLBI to be able to provide kilometer level orbit solutions, the accuracy of VLBI measurement needs to be improved by at least one order of magnitude.     

大型空间展开机构微重力环境模拟悬吊装置热结构耦合分析

以大型空间展开机构高低温展开试验系统微重力环境模拟悬吊装置为对象,采用Solidworks软件建立悬吊装置有限元分析模型,并利用ANSYS软件针对不同展开机构产品悬吊载荷及不同工作温度状态进行热-结构耦合分析.通过数值分析得出不同工况下悬吊装置的热变形及应力情况,并分析了其对展开机构展开长滑轨倾斜角的影响.研究内容对应用于高低温环境下的微重力环境模拟悬吊装置优化设计提供参考,并对空间展开机构高低温微重力展开试验的有效实施和参数调试具有指导意义.     

对“嫦娥”一号激光高度计数据的外部标定

在利用“嫦娥”一号绕月卫星激光高度计LAM载荷数据获取月面高程时,测量数据在月球质心固连坐标系中的径向误差是主要的观测误差来源之一．数据分析表明,“嫦娥”一号探测器和LAM载荷的使用了两级晶体振荡器,它们的独立工作导致的星．地时间同步和飘移将给激光测高数据带来误差．本文对激光高度计LAM数据中存在的时标漂移、卫星轨道径向误差以及LAM晶体振荡器地面定标的系统整体偏差等进行了分析和修正,实现了对激光高度计数据的外部标定,三类误差来源的大小范围分别是0．7—1．2m,～10m,一145m．在此基础上得到了新的360阶次的地形模型CLTM—s03．利用新得到的地形模型发现菲兹杰拉德一杰克逊盆地和南极区域的阿门德森一甘斯温特盆地是月面II型质量瘤区域．     

应用CHAMP卫星轨道和加速度数据恢复地球重力场

介绍了重力卫星CHAMP,GRACE,GOCE和利用卫星观测数据解算地球重力场的方法以及加速度数据的处理方法,探讨了基于能量守恒方法恢复地球重力场模型的原理.将基于能量守恒方法利用CHAMP卫星星历数据恢复的地球重力场模型与EGM 96重力场模型进行比较,结果验证了CHAMP卫星对地球中、长波重力场的敏感性,以及能量守恒方法恢复低阶地球重力场位系数的有效性.     

八面体桁架单元及其派生系所构成的空间伸展臂

基于空间机构学和拓扑理论,提出了5种八面体及其派生桁架单元;根据平衡矩阵的条件数和刚度矩阵的条件数与最小特征值,评价基本单元的结构特征。由基本单元构造了展开单元,进而构造了空间伸展臂;阐明了展开单元与伸展臂的工作机理,分析了机构特性,推导出单元体系转换过程的详细几何列式,验证了张力体系中力学与几何形式的统一,并更正了某些观点。     

基于导星电子星图模拟器的卫星控制系统半物理试验方法

为了实现卫星的高精度高稳定度控制,中法天文卫星建立了卫星姿轨控半物理仿真试验系统.对该系统采用导星电子星图模拟器引入仿真闭环进行研究.首先,将导星敏感器作为高精度姿态测量部件引入控制系统,地面动力学为其提供输入信息.接着,高精度测量单机和高精度控制机构引入到闭环中.然后,粗测量敏感器和粗控执行机构由数学模型替代.最后,通过地面实时系统将控制系统、星务计算机、载荷计算机和整星电源系统组成了实时仿真验证系统.实验结果表明:在地面半物理条件下,可以达到导星进入开小窗条件,y、z轴稳定度达到2(″)/10 s及5(″)/100 s.导星敏感器可以提高姿态测量精度和姿态控制的稳定度.满足控制稳定度在亚角秒级别卫星的要求.     

夏季风下的太湖风场-流场野外观测研究

为研究太湖风场特征、湖流特征以及不同类型风场对太湖湖流的影响,在太湖不同区域布设6台多普勒剖面流速仪和4座气象站,获取同步流场和风场数据,分析夏季风与湖流流场的关系。结果表明:(a)风场方面,空间分布具有不均匀性,各观测点间风速差异较大,各观测点间风向随风速减小而差异扩大化。(b)太湖流场具有明显的风生流特征:空间上,大风(时段平均风速在6.7 m/s以上)情况下,西部湖区出现逆时针环流,湖流分层不明显;小风(时段平均风速在3.8 m/s以下)情况下,没有明显的环流出现,上、下层湖流分层明显,各层流向相对稳定但不相同,补偿流发育。(c)流速方面,10 cm/s以下流速比率90%以上,局部区域水流速度在强风条件下可达20 cm/s。