深空探测学报(中英文）

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开展天地协同观测可充分发挥天、地基望远镜优势，提高系统整体的小行星天基监测预警观测效能。构建了近地小行星观测模型，分析设计了日地L1点轨道的天基观测系统方案并提出了效能评估方法，基于危地小行星数据库仿真评估了日地L1点轨道观测系统的协同观测效能，计算分析了相关预警效能并提出了区域和时域分工协同观测的设计构想，对未来不同天基观测系统效能评估和天地协同观测研究具有参考意义。仿真结果表明：在信噪比阈值为5条件下，日地L1点红外、可见光系统在1年时间可对库中危地小行星编目完备率达到49.4%和38.2%，均能较好开展监测；加入地基观测站开展协同观测后，对应的系统编目完备率可分别达到58.9%和50.6%，是协同前的1.19倍和1.35倍，说明协同观测能够有效提升系统的观测效能。动能撞击偏转是小行星防御中可实施性与成熟度较高的方案，且已在相关深空探测任务中得到了应用。面向不同类型的小行星，如何使撞击过程中产生更大的动量传递并利用溅射物观测数据评估撞击效果是该技术待解决的关键问题。建立了不同砾石粒径与质量占比的砾石堆靶体模型，开展了铝制撞击体超高速撞击砾石堆靶体的数值模拟研究，分析了砾石粒径与质量占比对撞击溅射物特性的影响规律与机制。结果显示：砾石堆结构在超高速撞击作用下，形成非对称形貌溅射物，且在砾石缝隙区域可形成射线形溅射物；射线部分溅射物具有更大的溅射角，射线长度、射线数量与砾石直径及其质量占比相关；针对本文建立的砾石堆靶体模型，大粒径砾石靶体产生的沿撞击速度反方向的溅射物动量最大，可为未来动能撞击偏转任务的撞击区域选取提供参考。针对小行星接近撞击任务的自主导航需求，提出了一种基于图像配准的暗弱目标小行星识别方法。小行星尺寸小、亮度弱（一般10星等以上），导航敏感器需要具备暗弱目标成像能力以实现小行星成像。这导致导航敏感器会同时拍摄到大量未知的暗弱恒星，给目标小行星的精确识别带来挑战。利用小行星与背景恒星的相对运动，首先采取改进的具有旋转不变性的FAST和BRIEF算法（Oriented FAST and Rotated BRIEF，ORB）特征点定位与增强的高效局部图像特征描述符（Boosted Efficient Binary Local Image Descriptor，BEBLID）特征点描述结合的方法对帧间图像进行配准，再基于阈值分割法识别星点，逐星点计算相应窗口之间的结构相似性指数，最后完成目标小行星的检测。该方法的速度和精度相比传统的图像配准方法和目标小行星检测方法有较大提升，克服了目标小行星暗弱、存在未知背景恒星的问题，为小行星防御的光学自主导航提供视线矢量等信息。针对近地小行星撞击更频繁的威胁，论证了小行星动力推离偏转处置任务。该处置方式通过侵彻锚固小行星表面并采用电力推进的方式实现对小行星多次推离。建立了近地小行星动力推离的动力学模型，研究了不同自转状态的小行星在动力推离处置策略下，其轨道偏移的变化情况。以偏转2019VL5小行星为例，通过数值仿真模拟，对动力推离处置效能及工程的可实施性进行评估。仿真结果表明，在约4年的预警时间中，在特定轨道位置施加0.4 N小推力下，小行星能够获得的最大偏转距离为2.91万km，在处置结束2 500 d后小行星能够获得9万km的最大偏转。小行星动力推离处置能够对具有威胁的小行星实现有效偏转，可用于未来小行星防御偏转任务和抵御其他太空物体攻击的轨道转移任务。针对未来对富挥发份小行星的遥感探测需求，开展了对碳质球粒陨石水蚀变的光谱学研究。分析了15个不同蚀变程度的碳质球粒陨石的1~20 μm红外光谱特征与岩石学性质，总结了水蚀变过程的光谱变异规律。结果表明：随着蚀变程度加深，指示层状硅酸盐与水分子的3 μm吸收带与仅指示水分子的6 μm吸收带的强度均加深，吸收中心均向短波方向移动。碳质球粒陨石的3 μm吸收带随蚀变程度增加而变得尖锐，吸收带光谱形态与蛇纹石类矿物的3 μm吸收特征类似，而6 μm吸收带形态随蚀变程度增加无明显变化。硅酸盐矿物在9~13 μm特征区的光谱形状也随蚀变程度增加而改变，12.4 μm/11.4 μm反射率比值减小，这是由于无水硅酸盐转化为层状硅酸盐。光谱变异规律未来可应用于小行星探测。针对基于CW（Clohessy-Wiltshire）方程所设计的空间引力波探测编队在二体非线性引力场下的臂长发散问题，提出了一种基于二阶CW方程的编队构形设计方法。推导了二阶CW方程的微分形式，利用摄动法得到了二阶CW方程的近似解析解，并以此为基础证明了完美空间圆形绕飞轨道的不存在性，分析了基于CW方程所设计的标称构形的发散原因；基于二阶CW方程与能量匹配周期条件以航天器相位角为优化变量构建了编队构形优化模型，建立了基于全局优化算法和模式搜索算法的多约束构形优化方法；以“太极”任务为背景对优化结果进行了仿真验证。仿真表明：所提出的优化方法能够将编队臂长的平均误差降低至0.32%、最大误差降低至0.44%。针对地心轨道的双检验质量无拖曳双星编队系统的姿态与无拖曳控制问题，设计了用于惯性拖曳效应验证任务、重力场测量任务和引力波探测任务科学测量模式的控制方案，并提出了一种具有抗干扰能力的鲁棒控制器。结合科学任务需求和地心轨道特点设计了科学测量模式的配置方案，以实现科学探测任务目标；基于动力学耦合特性和控制时频特性要求对复杂系统动力学进行解耦，得到卫星姿态、无拖曳和静电悬浮3个控制回路，实现控制模型降维，并结合任务指标要求确定各控制回路的控制指标；基于控制指标的频域形式，采用 H _∞ 鲁棒控制理论的混合灵敏度方法，结合外部扰动和量测噪声的频谱模型，明确各控制回路的灵敏度函数和补灵敏度函数设计边界，选择合适的权函数设计 H _∞ 鲁棒控制器；数值仿真结果表明：所设计的鲁棒控制器保证了双星星间指向误差水平、检验质量位置–姿态误差控制水平、检验质量敏感轴方向残余加速度水平均满足指标要求，验证了控制器的有效性。在空间引力波探测航天器平台系统控制框架下，针对空间惯性传感器这一关键载荷具备非线性未建模动态且存在性能约束的高精度控制问题，提出一种基于数据驱动理论的数据驱动自适应控制方案，实现空间惯性传感器动力学系统作为一类非仿射非全局Lipstchiz连续系统时的精确稳定控制目标。基于模糊规则建立系统附加不确定性估计器，利用其通用逼近特性保证估计误差的有界性。基于控制障碍函数（Control Barrier Function，BLF）构建非对称性能约束，利用BLF设计的控制器实现闭环信号的非对称约束控制。根据收缩映射原理及离散时间系统Lyapunov理论分析各闭环信号及自适应估计的有界性，数值仿真验证了该数据驱动自适应非对称约束控制方案的可行性和有效性。

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