2020年临近空间科技热点回眸

 围绕“认得清、留得住、飞得灵、用得好”的发展目标，概述了2020年临近空间科学技术的研究热点：中国、日本、法-美联合在临近空间实验探测与科学认识方面取得了一定进展；以“留得住、用得好”为目标的临近空间低动态飞行器及其应用技术取得显著成绩，日本软银公司“太阳滑翔机”和韩国EAV-3为太阳能无人机的发展注入了新的活力，美国谷歌公司Loon气球创造了可控驻留区域更精细、持续飞行时间更长、商业应用客户更多的新记录，航空和电信领域十多个巨头加入成立的HAPS联盟有助于推动临近空间长航时平台沿着“用得好”的方向健康发展；以“飞得灵、用得好”为目标的临近空间高动态飞行器及其应用技术方面，超声速亚轨道商业旅行再次推迟，俄罗斯已基本形成陆、海、空基多样化发射与远、中、近程多型号搭配的高超音速打击能力。     

2019年临近空间科学技术热点回眸

 概述了2019年临近空间科学技术的研究热点：在临近空间原位进行科学探测的高空科学气球扮演了主角;其他临近空间飞行器在平台技术研究与试验方面也取得了不同程度的进展;多型高超声速飞行器已经装备部队;太空旅游商业公司维珍银河上市,商业化的太空旅游又近了一步。     

临近空间科学技术的发展现状及应用前景

 介绍了临近空间的特殊空间位置以及典型气象特征,梳理了国内外通过天基、地基、原位平台对临近空间进行科学探索和研究的情况,针对目前对临近空间认知不足的现状,提出应该以临近空间飞行器为主要平台对临近空间进行科学探索及应用;回顾了国内外临近空间飞行器（包括高空气球、平流层飞艇和高空太阳能长航时无人机）的技术发展及其在军用和民用市场中的应用现状,总结了亟需关注的关键问题,并提出了中国临近空间科技发展和应用的具体建议。     

中国国土空间规划的理论框架与技术体系

 国土空间规划是国家空间治理体系的重要组成、是可持续发展的空间蓝图、是国土资源保护与利用的基本依据。在梳理国土空间规划既有相关理论与技术的基础上，提出了基于人居环境科学的国土空间规划理论框架和技术体系，理论框架将“空间的理论”与“规划的理论”按照“以人为本、生态文明、五位一体、持续发展”等4大理念进行整合，将人居环境科学的5项原则、5个系统以及国土空间规划的五级三类体系进行统筹；技术体系涵盖国土空间规划中非常重要的国土资源“双评价”、“三线四区”划定以及规划管理信息平台。     

临近空间飞行器在空间通信中的应用

临近空间飞行器凭借其突出的优点,在空间通信方面有着广阔的应用前景。本文在分析临近空间飞行器的分类方法和各自特点的基础上,论述了多种临近空间飞行器作为通信平台的优缺点、通信栽荷的选择与发展方向和临近空间通信平台的应用方法。通过介绍国际上,特别是美国在临近空间通信系统研究应用方面认识与发展的历程,和近年来主要军事大国在临近空间通信平台方面所进行的试验与研究的进展情况,得出了我国发展,临近空间通信系统的必然性和可行性。     

组合动力技术的未来应用

 组合动力将两种或以上单一类型的动力有机结合，结构相互融合，功能相互补充，大大拓展了飞行包线、提高飞行效率，在临近空间高速飞行器、重复使用航天运输系统等领域具有重要应用。介绍了组合动力基本分类及工作原理，综述了组合动力技术在临近空间高速飞行器、重复使用航天运输系统等领域的应用，总结了组合动力飞行器发展趋势及主要关键技术。     

无人机自主控制技术发展与挑战

 无人机飞行环境的高度动态性、不确定性和复杂性是无人机自主控制技术发展面临的主要问题。人工智能和高性能计算技术的进步为创造拥有高度自主能力的无人机提供了有利条件。本文介绍了无人机自主控制的定义和内涵,对无人机自主控制关键技术的发展现状进行了总结,并从“智商”、“情商”和“逆商”的角度提出了无人机自主控制研究的主要挑战和解决途径。     

2018年深空探测热点回眸

 深空探测指人类航天器离开近地轨道、进入太阳系空间和宇宙空间，对地球以外天体（月球及以远天体）或空间环境开展的科学探测。2018年，国际深空探测叠彩纷呈：中国“嫦娥四号”成功实现国际首次月球背面软着陆并将开展巡视勘察；美国“洞察号”探测器登陆火星；向太阳系空间进发，朝向日心方向，欧洲空间局和日本合作研制的BeipiColombo探测器正飞向水星、美国“帕克号”探测器开启“史诗级”旅行去“触摸太阳”，远离日心方向，“新视野号”成功飞掠柯伊伯带的小行星“天涯海角”、“旅行者2号”突破日球层顶；美国“奥西里斯-REx”和日本“隼鸟2号”顺利抵达各自目标小行星执行采样任务。2018年，月球表面存在水冰、火星发现有机分子、太阳系边际再抵近等发现或突破对于探寻生命起源、太阳系起源和演化，拓展人类知识体系具有重要意义。     

聚集策略下的模件化建筑设计方法及应用——以中国科学院大学科教园区为例

 大学的功能逐渐从“基础教育”转变为“研究型培养”，中国科学院大学大力倡导“产-学-研”与“科教融合”的发展思路。从自然界“聚集”现象出发，通过分析“聚集”的目标，以中国科学院大学在3个城市中的科教园区为例，提出了以师法自然和中国传统工艺生产的“模件化”为“聚集”策略下的建筑设计方法；该方法强调规划与设计中结构秩序的重要性，以典型模件单元的建构作为设计组织的起点，将模件单元在结构秩序基础上形成同构异型的多样化组合方式，最终形成不同的尺度层级；展示了“模件化聚集”方法在创造“科学共同体”上的优势，3个案例也呈现出该设计方法历时性的传承、延续和演变。     

“三生”空间格局演化“碳流”分析——以唐山市为例

 生产空间、生活空间和生态空间（“三生”空间）碳代谢分析研究,对实现区域“三生”空间要素整合和结构优化具有重要的科学意义。以唐山市为例,通过构建显性“碳流”模型和生态网络效用分析方法,定量化跟踪、评估了2010-2015年唐山市“三生”空间碳要素的流动过程、途径及其影响。结果显示：2010-2015年,唐山“三生”空间格局演变造成了区域碳排放量的增加,净“碳流”为负值;其中,消极“碳流”主要由于生态空间向生产空间的转变;而积极的“碳流”主要来自生产空间向生态空间的转变。唐山市“三生”用地类型在碳代谢系统中的生态关系主要以限制掠夺关系为主,其中以生活空间城镇用地以及生态空间未利用土地占主导。     

平流层爆发性增温的时空分布特征

利用1950～2003年逐日平均NCEP资料,对平流层爆发性增温（SSW）的特征进行了统计分析,得到如下结果：北半球SSW具有多发性,在这53年里共发现了69次增温事件,平均每年一次以上,有些年份甚至出现2～3次;SSW中心位置随高度变化,在较低层（16 km附近）中心位置大部分偏于西半球的北美北部到北极地区,高层（30 km附近）附近其中心多偏于东半球欧亚大陆的北边到北极地区;北半球SSW最先发生在30 km附近的欧亚大陆以北地区,然后由上向下延伸和传递,同时中心位置也逐渐转到西半球的北美大陆北端;在北半球发生SSW期间,平流层温度场和环流场的变化也会影响到对流层,引起对流层温度场和环流场的变化.对2002年9月发生在南半球平流层的一次强爆发性增温进行分析表明,南半球的这次SSW发生时表现出的特征与北半球稍有不同,在较低层（16 km附近）SSW中心出现在东半球的南端,在较高层（25～30 km）SSW中心位于西半球的南端.     

临近空间低速目标光学探测性指标评价体系

在详细分析基本探测效果评价指标参数、点目标评价参数以及面目标评价参数的基础上,结合临近空间低速目标的光学特性,利用光学谱段分段方法,有效解决了目标背景受白天与黑夜的影响。结合光学探测器的谱段约束条件、位置约束条件、探测能力约束条件和可探测性评估参数,设计提出了临近空间低速目标光学可探测性指标评价体系并给出评价标准与优化方案。通过数值模拟得到单个和多个探测器不同探测效果的等效面,得出当目标位于期望探测效果等效探测曲面内部时,探测效果优于期望,满足探测要求;反之,探测效果劣于期望,不能满足探测要求,可以通过修改探测方案满足探测需求。这一结果证明了临近空间低速目标光学探测性指标评价体系的有效性。     

基于T-S模糊建模方法的近空间飞行器姿控系统传感器故障调节技术研究

针对近空间飞行器从近空间空域返回地面再入大气层的飞行过程中其姿态控制系统发生传感器故障的情况,研究了基于广义扩张系统方法的传感器故障调节问题。首先,将再入飞行阶段的近空间飞行器非线性姿控系统用一组T-S模糊模型来表示,并基于此模糊模型引入传感器故障模型。然后,将含有传感器故障的T-S模糊模型利用广义扩张系统方法将其转化为T-S模糊奇异系统,进而设计一个全维状态观测器来得到被控系统的状态向量和传感器故障信号的估计值,并在此基础上提出了一个利用传感器故障补偿技术的反馈控制策略,使得闭环控制系统能够渐近调节传感器故障的影响。最后,通过数值仿真验证了所提方案的有效性。     

基于Gauss伪谱法的平流层飞艇上升段航迹规划

引入净浮力计算方法,完善了平流层飞艇航迹规划问题的数学模型,并通过对其飞行过程的分析,得出了模型的目标函数和约束条件.基于Gauss伪谱法对时间最少和能量最省2种情况下的平流层飞艇上升段航迹进行了规划.仿真结果表明,飞艇的最短上升时间为2 913.6 s, 在时间允许的情况下飞艇可以实现零耗能升空.仿真结果可为平流层飞艇的总体设计提供有益参考.     

天津在路机动车活动水平调查研究

基于IVE模型,自行设计调查内容、时间和地点,对天津在路机动车进行实地调查,获取一定样本的机动车信息,进行统计和分析.研究结果表明,天津市实际在路机动车中轿车占显著比例,高达61%;市区快速路、主干路、居民路的平均车流量分别为2175、892和256辆/h;轿车在快速路、主干路、居民路上的平均行驶时速分别为27.45、20.82和14.63 km/h;车队中轿车的平均车龄为3.2 a,年平均行驶里程为1.2万km,出租车、公交车和卡车的高使用率分别达56.2%、81.8%、69.8%,且尾气控制水平较差.活动水平研究得到的目前天津市道路交通情况和在路车队的污染控制水平以及使用状况,为机动车排放清单模拟以及污染控制研究等提供基础数据.     

基于全球定位系统的典型重车行驶性能

通过基于全球定位系统的实际调查,得到了不同比功率、不同装载情况下的重车行驶性能曲线.研究发现,当坡度为2%、坡长为800m时,空载、实载、超载的重车速度分别下降5,13,20km·h-1;坡度为3%时,对应的数值分别为5,25,44km·h-1.与美国通行能力手册中的典型重车行驶曲线对比发现,在相同的比功率、坡度为2%情况下,我国重车的速度比美国重车小10km·h-1,而超载车辆的速度则较美国重车小30km·h-1;在坡度为3%情况下,对应的数值分别是11,36km·h-1.     

临近空间飞行器再入轨迹优化设计

针对临近空间飞行器再入轨迹的优化设计问题,给出了临近空间飞行器再入轨迹运动学模型和再入轨迹优化模型。选取飞行器末端飞行速度实际值与理想值之差的平方最小为性能指标,控制变量为迎角和滚转角。过程约束为过载、动压、热流,终端约束为高度、轨道偏角、轨道倾角。应用罚函数法和约束算子法将有约束最优控制问题转化为无约束最优控制问题。应用庞特里亚金极小值原理及最优控制理论对性能指标进行处理,得到最优控制问题的正则方程、控制方程及横截条件。在C++环境下应用共轭梯度法对无约束优化问题进行数值解算。仿真结果表明应用共轭梯度法能够得到满足各种约束的再入轨迹。因此,共轭梯度法对于临近空间飞行器再入轨迹优化问题的求解是可行的。