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2023年 第10卷 第1期
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2023, 10(1): 3-10.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220008
摘要:
基于火星环绕探测的任务需求，围绕行星际转移及环火飞行的约束条件和环境特点，首先分析了火星环绕探测任务面临的主要技术难点，结合火星环绕器的任务要求和功能特点，总结了火星环绕探测的关键技术和解决途径，主要有自主安全捕获控制、长日凌自主管理、高速测控数传一体化、多码率自适应中继通信等技术。随后综述了环绕探测平台功能及技术的发展历程、趋势和创新性，具体有对地通信速率、导航与变轨能力、结构承载与推进系统等，根据未来火星探测需求，分析了环绕平台需要发展的新能力。最后，对未来环绕探测方向进行了分析。
基于火星环绕探测的任务需求，围绕行星际转移及环火飞行的约束条件和环境特点，首先分析了火星环绕探测任务面临的主要技术难点，结合火星环绕器的任务要求和功能特点，总结了火星环绕探测的关键技术和解决途径，主要有自主安全捕获控制、长日凌自主管理、高速测控数传一体化、多码率自适应中继通信等技术。随后综述了环绕探测平台功能及技术的发展历程、趋势和创新性，具体有对地通信速率、导航与变轨能力、结构承载与推进系统等，根据未来火星探测需求，分析了环绕平台需要发展的新能力。最后，对未来环绕探测方向进行了分析。
2023, 10(1): 11-18.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220046
摘要:
针对中国首次自主火星探测任务——“天问一号”行星际转移及环绕飞行过程面临的器–地数据传输延时长、飞行过程指向约束多、自主可靠要求高等难题，提出了基于火星光学目标特性测量的自主导航、推力方向补偿的速度矢量控制以及多目标指向基准优化的角动量管理方法。通过对火星时变目标特性的自适应边缘提取和基于椭球模型的边缘精确拟合，获得目标高精度导航观测信息，实现近火导航精度优于100 km、环火导航精度优于2 km；采用基于加速度计测量的推力方向实时估计及姿态前馈补偿，使制动捕获控制精度达到mm/s量级；结合多目标指向约束，以干扰力矩全局最优为目标进行姿态基准优化设计，保障超过30天无地面支持下的自主飞行控制。将其应用于“天问一号”环绕器制导 、 导航与控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）分系统中，“天问一号”在轨飞行结果表明，所提方法能够满足星际飞行自主控制和自主管理的约束，为后续深空探测型号任务提供重要参考。
针对中国首次自主火星探测任务——“天问一号”行星际转移及环绕飞行过程面临的器–地数据传输延时长、飞行过程指向约束多、自主可靠要求高等难题，提出了基于火星光学目标特性测量的自主导航、推力方向补偿的速度矢量控制以及多目标指向基准优化的角动量管理方法。通过对火星时变目标特性的自适应边缘提取和基于椭球模型的边缘精确拟合，获得目标高精度导航观测信息，实现近火导航精度优于100 km、环火导航精度优于2 km；采用基于加速度计测量的推力方向实时估计及姿态前馈补偿，使制动捕获控制精度达到mm/s量级；结合多目标指向约束，以干扰力矩全局最优为目标进行姿态基准优化设计，保障超过30天无地面支持下的自主飞行控制。将其应用于“天问一号”环绕器制导 、 导航与控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）分系统中，“天问一号”在轨飞行结果表明，所提方法能够满足星际飞行自主控制和自主管理的约束，为后续深空探测型号任务提供重要参考。
2023, 10(1): 19-27.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
摘要:
针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”（Tianwen-1）的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题，提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型，根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标，使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻，得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件，确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局，对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析，计算出星敏可用台数以及可用时长，按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明，轨控后半长轴偏差小于947.122 km（半长轴变化量102 346.152 km），偏心率偏差小于0.002 1，同时全程满足整器测控、光照的需求，捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用，根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。
针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”（Tianwen-1）的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题，提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型，根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标，使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻，得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件，确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局，对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析，计算出星敏可用台数以及可用时长，按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明，轨控后半长轴偏差小于947.122 km（半长轴变化量102 346.152 km），偏心率偏差小于0.002 1，同时全程满足整器测控、光照的需求，捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用，根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。
2023, 10(1): 28-36.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210090
摘要:
针对“天问一号”火星环绕器最远距离4亿km下的超远距离大动态通信难题，“天问一号”火星环绕器测控数传通信系统通过多天线波束赋形的测控数传一体化技术、多码率自适应收发处理技术、高灵敏度信号捕获技术、超高灵敏度下的电磁干扰抑制技术以及极低温下大口径天线高精度稳定指向技术，实现了对–156 dBm微弱信号的高灵敏度捕获以及大动态下的数据自适应收发，除天体遮挡外全过程100%对地通信链路覆盖和波束覆盖，最远4亿km处对地数传速率达1 Mbps。该项技术已经在“天问一号”火星探测任务中得到了考核和验证，可以为后续深空探测任务中测控数传通信系统的设计与在轨工作提供参考。
针对“天问一号”火星环绕器最远距离4亿km下的超远距离大动态通信难题，“天问一号”火星环绕器测控数传通信系统通过多天线波束赋形的测控数传一体化技术、多码率自适应收发处理技术、高灵敏度信号捕获技术、超高灵敏度下的电磁干扰抑制技术以及极低温下大口径天线高精度稳定指向技术，实现了对–156 dBm微弱信号的高灵敏度捕获以及大动态下的数据自适应收发，除天体遮挡外全过程100%对地通信链路覆盖和波束覆盖，最远4亿km处对地数传速率达1 Mbps。该项技术已经在“天问一号”火星探测任务中得到了考核和验证，可以为后续深空探测任务中测控数传通信系统的设计与在轨工作提供参考。
2023, 10(1): 37-43.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210086
摘要:
针对火星探测器空间环境特点和热控设计难点，提出了一种适用于火星环绕器的推进管路热控设计方法，通过采用优化的加热功率、合适的多层层数和适宜的加热器分区实现地火空间复杂外热流下的管路控温。将该方法在“天问一号”火星环绕器推进管路设计中进行分析与验证，对影响热控设计的因素如舱内外环境温度变化、管路是否有工质、是否受太阳照射、包覆多层层数以及加热功率等进行了分析。研究表明，该方法具有高度环境适应性，在环绕器飞行全过程及变轨条件下均能适应。未来需重点关注管路加热功率的设计和舱外多层包覆层数的影响，舱外管路受阳光照射影响大，设计时应尽量避免阳光照射。以上研究结果可为后续深空探测推进管路热控设计提供一定的参考。
针对火星探测器空间环境特点和热控设计难点，提出了一种适用于火星环绕器的推进管路热控设计方法，通过采用优化的加热功率、合适的多层层数和适宜的加热器分区实现地火空间复杂外热流下的管路控温。将该方法在“天问一号”火星环绕器推进管路设计中进行分析与验证，对影响热控设计的因素如舱内外环境温度变化、管路是否有工质、是否受太阳照射、包覆多层层数以及加热功率等进行了分析。研究表明，该方法具有高度环境适应性，在环绕器飞行全过程及变轨条件下均能适应。未来需重点关注管路加热功率的设计和舱外多层包覆层数的影响，舱外管路受阳光照射影响大，设计时应尽量避免阳光照射。以上研究结果可为后续深空探测推进管路热控设计提供一定的参考。
2023, 10(1): 44-51.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
摘要:
梳理了火星环绕器2.5 m口径高增益天线在热设计、–195℃超低温环境适应性及热变形指向偏差评估分析与验证方面 存在的技术难点，开展了设计和验证工作。基于热设计状态对天线在轨工作过程中典型工况下的温度场和热变形分布进行了仿真分析，并研制了一套大口径反射面天线真空热变形测量系统，完成了热变形测试验证。基于热变形数据，采用半物理仿真分析方法对高增益天线热变形后的波束指向偏差进行了评估分析。结果表明，热变形导致的波束指向偏差最大为0.028°，增益损失不超过0.5 dB，指向偏差和增益损失均在设计裕度范围内。经在轨测试，天线增益指向性能测试值与预估值吻合，有效验证了天线热设计和验证方法的准确性。
梳理了火星环绕器2.5 m口径高增益天线在热设计、–195℃超低温环境适应性及热变形指向偏差评估分析与验证方面 存在的技术难点，开展了设计和验证工作。基于热设计状态对天线在轨工作过程中典型工况下的温度场和热变形分布进行了仿真分析，并研制了一套大口径反射面天线真空热变形测量系统，完成了热变形测试验证。基于热变形数据，采用半物理仿真分析方法对高增益天线热变形后的波束指向偏差进行了评估分析。结果表明，热变形导致的波束指向偏差最大为0.028°，增益损失不超过0.5 dB，指向偏差和增益损失均在设计裕度范围内。经在轨测试，天线增益指向性能测试值与预估值吻合，有效验证了天线热设计和验证方法的准确性。
2023, 10(1): 52-57.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210091
摘要:
根据火星环绕器的设计特点及器上配置，针对环绕器全链路时间标定进行了研究与验证，分析了环绕器器地时间传输路径，给出了适用于火星探测任务的环绕器全链路时间标定方法，介绍了用于时间标定的硬件设备、软件设计和系统组成。实际应用效果表明：火星环绕器全链路时间标定方法合理，发射日当天授时准确，地面测试数据得到了在轨运行的实际证实。对后续火星探测以及相关深空型号任务的探测器时间标定系统设计和标定方法具有良好的参考价值。
根据火星环绕器的设计特点及器上配置，针对环绕器全链路时间标定进行了研究与验证，分析了环绕器器地时间传输路径，给出了适用于火星探测任务的环绕器全链路时间标定方法，介绍了用于时间标定的硬件设备、软件设计和系统组成。实际应用效果表明：火星环绕器全链路时间标定方法合理，发射日当天授时准确，地面测试数据得到了在轨运行的实际证实。对后续火星探测以及相关深空型号任务的探测器时间标定系统设计和标定方法具有良好的参考价值。
2023, 10(1): 58-65.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220080
摘要:
针对“天问一号”火星环绕器火卫一抵近探测拓展任务设想开展了任务轨道设计与分析，将主任务结束后的状态作为拓展任务的输入，对拓展任务轨道、变轨策略及燃料代价进行设计。通过分析得出，可利用火星摄动力调整近火点幅角使得环绕器轨道与火卫一轨道相交，且相交频率与半长轴和偏心率相关。为提高相交次数需进行降轨，进一步分析了利用火星大气辅助降轨以降低燃料消耗、提高轨道相交次数的可能性，最后通过调相机动的方式使环绕器完成火卫一抵近探测任务。仿真结果表明：所设计的拓展任务轨道及变轨策略的速度增量代价合理可行，可为后续火星环绕探测任务轨道设计提供参考。
针对“天问一号”火星环绕器火卫一抵近探测拓展任务设想开展了任务轨道设计与分析，将主任务结束后的状态作为拓展任务的输入，对拓展任务轨道、变轨策略及燃料代价进行设计。通过分析得出，可利用火星摄动力调整近火点幅角使得环绕器轨道与火卫一轨道相交，且相交频率与半长轴和偏心率相关。为提高相交次数需进行降轨，进一步分析了利用火星大气辅助降轨以降低燃料消耗、提高轨道相交次数的可能性，最后通过调相机动的方式使环绕器完成火卫一抵近探测任务。仿真结果表明：所设计的拓展任务轨道及变轨策略的速度增量代价合理可行，可为后续火星环绕探测任务轨道设计提供参考。
2023, 10(1): 66-71.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220007
摘要:
为解决火星车桅杆搭载小视场多光谱相机对特定目标精确指向的问题，设计了火星车桅杆精确指向方法，对火星车桅杆机构运动学过程进行了建模，设计了桅杆控制参数迭代求解方法以及火星车对目标探测工作流程，对提出的控制方法进行了误差分析。经过中国首次火星探测任务实践证明，设计的方法可满足多光谱相机精确指向的要求。
为解决火星车桅杆搭载小视场多光谱相机对特定目标精确指向的问题，设计了火星车桅杆精确指向方法，对火星车桅杆机构运动学过程进行了建模，设计了桅杆控制参数迭代求解方法以及火星车对目标探测工作流程，对提出的控制方法进行了误差分析。经过中国首次火星探测任务实践证明，设计的方法可满足多光谱相机精确指向的要求。
2023, 10(1): 72-79.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210155
摘要:
“天问一号”的惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）产品是其导航系统的核心敏感器，IMU中的陀螺和加速度计在安装过程中存在安装误差以及标度因数非线性等因素导致安装矩阵非正交，从而影响IMU惯导精度。针对陀螺和加速度计安装矩阵误差特性进行分析，提出安装矩阵行向量正交化算法，提升了陀螺和加计安装矩阵正交性，降低了安装误差角在正交化过程中的畸变，开展了典型工况IMU惯导标定测试，试验结果表明：安装矩阵按行向量正交化处理后IMU惯导姿态精度提升15.8%~54.7%，位置精度提升45.2%~85.7%。采用上述方法，静态导航各工况位姿性能提升百分比较为一致且与试验时间不相关，动态导航各工况位姿性能提升百分比较为一致且与旋转角度累加和不相关。
“天问一号”的惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）产品是其导航系统的核心敏感器，IMU中的陀螺和加速度计在安装过程中存在安装误差以及标度因数非线性等因素导致安装矩阵非正交，从而影响IMU惯导精度。针对陀螺和加速度计安装矩阵误差特性进行分析，提出安装矩阵行向量正交化算法，提升了陀螺和加计安装矩阵正交性，降低了安装误差角在正交化过程中的畸变，开展了典型工况IMU惯导标定测试，试验结果表明：安装矩阵按行向量正交化处理后IMU惯导姿态精度提升15.8%~54.7%，位置精度提升45.2%~85.7%。采用上述方法，静态导航各工况位姿性能提升百分比较为一致且与试验时间不相关，动态导航各工况位姿性能提升百分比较为一致且与旋转角度累加和不相关。
2023, 10(1): 80-87.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220006
摘要:
中国“天问一号”探测器环火飞行为星–地火星无线电掩星观测提供了必要条件，可有效支持火星大气、电离层反演探测。重点介绍国内首次基于“天问一号”的火星无线电掩星观测试验。利用“天问一号”预报轨道，预报地面深空站掩星观测弧段；组织深空站，对“天问一号”进行火星入掩全过程观测，采集与记录探测器原始下行信号；利用自研深空开环测量软件，对“天问一号”下行信号进行处理分析，提取火星无线电掩星特征。结果表明：信号中幅度衍射斑纹与频率翘尾特征被成功提取，印证了此次星–地火星无线电掩星事件被有效观测，为后续基于“天问一号”的火星大气探测科学研究，积累了重要技术经验与测量数据。
中国“天问一号”探测器环火飞行为星–地火星无线电掩星观测提供了必要条件，可有效支持火星大气、电离层反演探测。重点介绍国内首次基于“天问一号”的火星无线电掩星观测试验。利用“天问一号”预报轨道，预报地面深空站掩星观测弧段；组织深空站，对“天问一号”进行火星入掩全过程观测，采集与记录探测器原始下行信号；利用自研深空开环测量软件，对“天问一号”下行信号进行处理分析，提取火星无线电掩星特征。结果表明：信号中幅度衍射斑纹与频率翘尾特征被成功提取，印证了此次星–地火星无线电掩星事件被有效观测，为后续基于“天问一号”的火星大气探测科学研究，积累了重要技术经验与测量数据。
2023, 10(1): 88-96.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220064
摘要:
针对深空探测器任务规划中多子系统协同机制中的多约束问题，提出一种深空探测任务规划认知图谱构架及多属性约束冲突检测方法。采用图表示方法实现任务规划的知识建模，将状态转移图解构为三元组实现任务规划过程中的规则匹配，并基于图模型推理方法提出多属性约束冲突检测算法，从而实现多子系统任务规划的认知推理和约束冲突检验。使用不同规模的深空探测任务规划算例对本文方法进行了仿真实验，实验结果显示与遗传算法、传统启发式算法、带约束的启发式算法及进化神经网络算法相比，本文方法可有效缩短规划的求解时间，缩小解空间并且降低内存消耗，有效提升了深空探测任务规划的成功率和可行性。
针对深空探测器任务规划中多子系统协同机制中的多约束问题，提出一种深空探测任务规划认知图谱构架及多属性约束冲突检测方法。采用图表示方法实现任务规划的知识建模，将状态转移图解构为三元组实现任务规划过程中的规则匹配，并基于图模型推理方法提出多属性约束冲突检测算法，从而实现多子系统任务规划的认知推理和约束冲突检验。使用不同规模的深空探测任务规划算例对本文方法进行了仿真实验，实验结果显示与遗传算法、传统启发式算法、带约束的启发式算法及进化神经网络算法相比，本文方法可有效缩短规划的求解时间，缩小解空间并且降低内存消耗，有效提升了深空探测任务规划的成功率和可行性。
