深空探测发展与未来关键技术

深空探测指人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动，作为人类航天活动的重要方向和空间；科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。在简要总结深空探测50多年的发展历程与未来；发展趋势的基础上，重点分析了深空探测发展的5个特点，提出了未来深空探测应重点研究和突破的6类关键技术。  

深空探测自主导航与控制技术综述

深空探测自主导航与控制技术是深空探测任务成功实施的关键。基于开展深空探测自主导航与控制技术研究的迫切性，综合分析和评述深空探测自主导航与控制技术的研究进展，着重分析深空探测自主导航与控制的必要性和国外深空探测自主导航与控制技术的研究发展趋势，提出深空探测自主导航与控制的关键技术，根据分析，提出了发展深空探测自主导航与控制技术的建议．  

深空探测转移轨道自主中途修正方法研究

针对深空转移轨道,提出以B平面参数为终端参数,采用脉冲控制和线性制导的自主中途修正方法.由自主导航系统定期确定探测器的当前位置和速度,之后利用精确动力学积分递推状态至B平面,得到打靶误差,若误差超出目标精度范围又在自主修正系统修正能力范围内,则立即利用以B平面参数为终端参数的线性制导公式并结合牛顿迭代计算出修正轨道的速度增量.利用中心差分公式计算终端参数对控制参数的敏感矩阵.蒙特卡罗仿真表明,在小偏差前提下该方法能够达到制导目标.  

基于X射线脉冲星的深空探测自主导航方法

自主导航是实现深空探测任务的关键技术,基于X射线脉冲星的导航方法可靠、稳定、精度高,不受近地空间的限制,为深空自主导航提供了全新的思路。文章分析了X射线脉冲星导航的基本原理,提出了脉冲到达时间预报算法和整周模糊度求解方法,基于最小二乘理论研究了位置估计算法。仿真算例表明该方法在脉冲星方位误差为0.001弧秒、脉冲到达时间测量误差为1μs的情况下,140d飞行时间中定位精度优于10km,且对初始误差不敏感,可以满足深空探测的导航需要。  

用于小行星探测的离子推力器技术研究

随着我国深空探测技术的发展,近地小行星的探测已列入实施计划,后续的深空探测活动也在规划中。研究基于国外深空探测技术对离子推力器的技术需求以及应用情况,针对我国小行星探测离子推进技术的应用进行了分析与研究。着重阐述了满足我国首颗近地小行星探测使命的离子推力器研究,以现有成熟离子推力器为基础,对其进行性能提升研究。性能改进后的离子推力器,能够实现40和60 mN两种工作模式,通过组合应用,可实现40、60、80、100和120 mN共5种推力模式,以满足小行星探测的需求。  

基于序列影像的小天体三维形状重建方法研究

提出了一种基于序列影像的小天体三维形状重建方法。利用小天体序列影像间的内在几何约束关 系,在无精确位置、姿态数据的条件下,基于稀疏光束法平差求解小天体序列影像的相对位置、姿态。综合利用核 线几何约束、半全局匹配、多视最小二乘匹配等策略进行小天体序列影像的密集匹配,重建小天体三维形状信息。 由于小天体序列影像尺度变化大、纹理贫乏,导致影像匹配的误匹配率较高,在匹配过程中采用随机KD树搜索策 略与拟合透视变换模型的RANSAC算法剔除粗差。利用“黎明号”探测器的绕飞段实测影像,对灶神星(VESTA) 的三维形状重建进行了实验,结果证明了该方法的有效性。  

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一,登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标,因此电离层是必须了解的火星电磁环境.火星电离层探测包括直接探测和间接探测.直接探测精度高,有较高的空间分辨率,但是观测时间短,无法提供长期稳定的探测结果.对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测.无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测,但其空间水平分辨率较低,且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制.顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率,且同样可进行长期稳定探测,为火星电离层研究提供了最新的支持.通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析,提出通过几种探测方法适当结合的方式,同时对火星电离层进行观测,能够大大推进对火星电离层的研究.  

一种基于天体观测的月球车位置姿态确定方法

 针对月球车提出了一种基于天文观测的自主位置姿态确定方法.建立了利用天体敏感器测量得到的天体高度和方位作为观测信息的量测方程,并利用月球车运动的三阶常加速(CA,Constant Aceeleration)模型和姿态的欧拉角运动模型作为系统方程,给出了基于Unscented卡尔曼滤波获得月球车实时位置、速度和姿态信息的导航方法.计算机仿真表明该方法可达到较高的位置姿态确定精度.  

中国深空测控系统建设与技术发展

我国深空测控系统是伴随着探月工程“绕”“落”“回”三步走战略的实施，从突破关键技术、初步建成系统到系统完善，逐步建立起来的，火星探测工程的实施将进一步带动深空测控系统能力的建设。站在历史的视角，从顶层设计、关键技术攻关和系统建设等方面，回顾了我国深空测控系统从无到有的发展历程，并结合未来深空测控技术的发展，对我国深空测控系统的发展前景进行了展望。  

中国月球与深空探测有效载荷技术的成就与展望

有效载荷是实现科学目标最直接的工具，其技术手段和水平影响科学目标的可实现程度。简要回顾了中国月球与深空探测的科学目标与有效载荷配置。介绍了“嫦娥1号”和“嫦娥2号”月球环绕探测器中采用的CCD立体相机、干涉式成像光谱仪、激光高度计、微波探测仪、伽马射线谱仪、X射线谱仪、太阳风粒子探测仪、高能粒子探测仪等遥感探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。同时，也介绍了“嫦娥3号”月球着陆器和巡视器中采用的地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、测月雷达等就位和巡视探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。分析了有效载荷技术的发展趋势，展望了我国未来有效载荷技术的发展。