[科普中国]-空间电子学

空间电子学为航天工程、空间探测和各种应用卫星系统服务的电子技术和理论。航天器和航天地面设施中都需要大量的电子设备。航天器在遥远的宇宙空间飞行，与地球的联系主要依靠无线电，空间和地面的设备通过无线电波联合成一个整体。因此空间电子学是包括空间和地面以及电波传播过程在内的电子技术和理论。

发展概况1957年世界上第一颗人造地球卫星上天，就利用了无线电跟踪和无线电遥测系统（见 航天测控系统、无线电跟踪测量系统、遥测技术）。60年代发射了各种科学卫星和载人飞船，建立了多种应用卫星系统。航天器在运行中须保持特定的轨道和姿态，必要时还须进行某种机动或调整，为此发展了航天器的姿态和轨道控制技术，其中无线电测控系统和地面无线电跟踪测量系统就成为十分重要的手段。

1964年第一颗静止通信卫星发射成功，使通信技术进入了一个崭新的阶段。“国际通信卫星”Ⅴ号的总有用带宽已达2300兆赫，可以转接双向话路达12000路。新的时分多址体制将使通信达到更高的效率和速度。广播卫星正在发展，直播Ku波段的彩色电视可以用1米以下直径的天线获得满意的效果。卫星教育系统、卫星会议系统、卫星邮政系统、卫星救援系统也正在迅速兴起。在航天器上安装高分辨率的光学和电子遥感仪器，可以探测地球大气、陆地和海洋，获取大量的信息。为了把大量的探测数据传回地面而发展了高速率卫星数据传输系统。深空探测是航天技术的一项重要成就，它推动了空间电子学的进一步发展。70年代末期发射的空间探测器，经过几亿至十几亿公里历时数年的飞行，接近木星和土星，观察和拍摄它们的图像，发回数据，其传输速率达100千比特/秒以上，是电子学上远距离通信的巨大成就。

研究内容空间电子学主要研究：

①航天器内部的信息处理、存贮和控制技术；

②航天器的电源和稳定技术；

③航天器跟踪、测量、定位、遥测和遥控技术；

④卫星通信和广播技术；

⑤空间探测和遥感技术、远距离大数据量的信号传输技术、遥感图像的处理和识别技术；

⑥利用卫星对运动物体的无线电定位技术。此外，还有与这些电子技术相联系的理论和技术:数字通信理论、自动控制理论、电波天线理论、抗干扰理论和技术、遥感处理技术和理论、微电子技术等。

学科特点应用于航天系统的空间电子学具有一些区别于其他方面电子技术的特点。

1、对航天器上电子设备的要求是体积小、重量轻、功耗小（效率高）、可靠性高以及抗极端环境条件的能力强。对于载人航天，可靠性要求就更高。保证可靠性的主要措施包括：提高电子元、器件本身的可靠性；在电子系统设计中采用容错技术；在设计上避免将电子元、器件在临界负荷状态时使用；尽可能地使航天器上电子设备在最佳的环境条件下工作。

2、空间电子系统的地面部分要有很高的接收灵敏度、很大的发射功率和较大的接收或发射天线。在航天技术中，作用距离是突出的问题。对于1000多公里的中高度卫星，作用距离须达到4000公里，对于静止卫星须达到4万公里以上，对于到达金星的空间探测器须达到4000万公里;对于到达木星的空间探测器则须达到6亿公里。航天器上的电子设备受到体积、重量和电源的限制，通信体制选定后，主要依靠地面设备来解决作用距离的问题。

3、空间探测和跟踪要求有极高的分辨率和精度。随着对地观测卫星的发展，要求探测的分辨能力和层次的鉴别能力不断提高。例如对于地球资源卫星和海洋监视卫星来说，要求从800～1000公里的高度分辨出几十米或更小的地面目标。获得成功的卫星遥感器有多光谱扫描仪和合成孔径雷达等。随着应用卫星定位和姿态控制精度和实时性要求的提高，对测控系统测量的分辨率和精度要求也不断提高。测角精度已能够达到0.05密位；无线电系统测距分辨率达到1米以内，激光测距系统达到数厘米；测速精度达到1厘米/秒；地球静止卫星姿态控制精度达到0.1度。

4、为了发挥各种应用卫星的作用，空间电子设备应具有高速率和宽频带的性能。对地观测或空间探测所获得的数据量越来越大，需要在一定的时间内传送给地面接收站，这就要求有高速率和宽频带的无线电传输系统，促使空间电子学向更高频段发展。提高频率可以大幅度地提高整个系统的传输带宽。同时，空间常用通信频段的用户已经十分拥挤，有必要开辟新的频段，例如Ku波段（12.5～18吉赫）、K和Ka波段（20～40吉赫）。

5、空间电子系统广泛应用计算机和系统工程。远距离传输中的信号设计和变换、信号频带的压缩、卫星遥测和遥感数据的处理、航天器姿态、轨道、机动和工作状态的控制都需采用计算机，在许多情况下甚至非计算机不可（例如对卫星姿态的实时控制，对大数据量资料的快速处理等）。空间电子系统由地面到空间，复杂而庞大，并且多是具有信息反馈的实时控制系统，必须应用控制论和系统工程的原理和方法进行论证和设计。

委员会空间电子学专业委员会是中国宇航学会下属的一个分支机构，挂靠在航天科技集团公司五院第五〇四研究所。多年来，本专业委员会在中国宇航学会的领导下，在集团公司、五院、特别是挂靠单位五〇四所的大力支持下，始终坚持正确的政治方向，坚持实事求是的科学态度，坚持发扬学术民主，紧密围绕本专业领域科技发展趋势，开展丰富多彩的国内外航天学术交流活动，在为国家航天技术的重大决策提供咨询、促进航天技术的发展、推广航天技术在国民经济各领域的应用、以及促进航天科技人才的成长和提高等方面，发挥了积极作用。

相关专家人物----黄培康

黄培康，博士生导师，现任中国航天科工集团公司科技委常委，中国航 天二院科技委副主任，国际IEEE高级会员，国际宇航联地球观察委员会委员。长期从事目标(含环境)电磁特征的研究和测量，是中国雷达目标电磁特征领域的知名专家。 上世纪六十年代末，中国航天(导弹)之父钱学森就高瞻远瞩地看到了目标识别对中国航天事业发展的重要意义，指出雷达、光电传感器不仅是望远镜，还应是显微镜，不但要告诉人们目标在什么地方，还要告诉人们是什么目标。在钱老的倡导下，从中国科学院力学所、物理所，电子部电波传播所等处调集了大批科学家，成立了目标识别研究所，隶属于航天工业部第二研究院。已经在航天领域工作了十多年，基础很好的黄培康自告奋勇来到这个所。

黄培康这样定位他所从事的目标特性研究和测量——介于航天科学与航天工程之间。航天科学进行的是基础研究，航天工程致力于成熟技术的应用研究，在基础研究与应用研究之间必须有一个桥梁，这就是应用基础研究。没有它，科学与技术之间就无法紧密地联系，而应用工程就将迷失了方向。作为学科带头人，黄培康将该所的研究方向定名为目标与环境特征，并创立了一整套特有的研究方法与思路。

黄培康认为应用基础研究的科学家必须具备“顶天立地”的素质，所谓“顶天”，就是要能够跟踪科学的前沿，“立地”，就是要致力于解决工程问题，理论不能脱离实际。在学术上，黄培康始终保持与本领域国际水平接轨。1987年，他参加联合国教科文“地球资源开发与遥感”研讨班，致力于解决遥感数据与实际目标物理参数的解译问题；2001年，他在国际雷达会议上作特邀报告《中国对雷达目标特征的研究和测量》，在大会上引起很大反响；他作为国际宇航联地球观察委员会委员及国际IEEE高级会员经常参加国际学术活动；他还频频在国际刊物与英文版中国刊物上发表论文。

在解决工程问题上，黄培康重视“立地”，致力于解决实际问题。他非常重视试验中出现的误差与目标特征的关系问题，在上世纪八十年代某国家重点工程中，他就从目标特征出发对航天飞行器的某些重大方案作过修改和修正，并最终被总师采纳。

电子束电聚焦系统空间有着无限的财富和能源，空间领域已成为高技术发展的热点区。随着航天技术、宇宙科学研究和空间工业的发展，为实现更大规模的空间利用，空间大国都十分重视发展在轨建造技术，以实现对大型空间站等长寿命飞行器的轨道组装。此外，长寿命航天飞行器在使用过程中，由于陨石和宇宙碎片的碰撞穿孔、太空射线辐射、空间温度急剧变化以及空间材料本身故障等原因，飞行超过2000昼夜，就需要维修。而随着飞行器飞行时间的增长和规模的不断扩大，故障率必然增大，因此空间维修(包括空间焊接和切割)将成为保障航天飞行器可靠而安全使用的必不可少的措施。未来航天飞行器的空间组装和维修均离不开焊接，可见发展适用于空间环境的焊接技术十分必要。

从国外多年的研究成果看，电子束焊接是空间焊接的理想方法。而该项技术的核心是电子枪的设计问题。美国和前苏联均已成功研制出空间手携式电子束焊枪。而中国国内在这方面的研究尚属空白。 空间站用手工电子束焊枪与地面用电子束焊枪在原理上没有区别。电子枪依靠阴极发射电子，电子在阳极与阴极之间的加速电压作用下被加速，同时在聚束极作用下被汇聚成束从阳极孔通过，通过阳极的电子束又在电荷作用下发散，利用电(或磁)透镜将电子束汇聚到工件上撞击工件使金属熔化实现焊接。

应用方向空 间 工 业化 的 设 想

为人们 有 可能在轨 道上 和 月 球 上 居 住，将制造、组 装 和 运送 一公里长的大 型 结 构 到空 间去。这将获 得 成千倍 的 好处,可提供 空 间应用 的 大型 天 线 及感 测器 阵 设备;为 地球 消 费 而 制造、研 制 和 加 工 材料;为地 面 提供 动力而 建 立起面积 巨 大 的 太阳 阵,并为 空 间“移 民”进 行最 后 的 组装。

空 间探 索 方 案 的 应 用

使用宇宙 飞 行器将 有 效 地 自动探 测 太 阳、各 行 星及 其 卫 星、获 得综合 了 解 太 阳 系 与 地 球关 系 的 资 料，并 发 现 和 提 供 与 宇 宙 中另 外 有 智 慧 的 人 类 通 信 的手段。

用 于全 球服务

有可能 作 出两周 的天 气 预 报和 年 度 气 候 预 报,可 预 报 全 球 农 作物产量 及水利 资 源 的 使 用 率,并 扩大 空 间通 信,以 提供 大 区 域 的、廉价的个 人用户 通信线 路。从 预 防 灾 害性 夭 气、农业 增 产、改 进 土 地 利 用、生 命 财 产 的 保 护 以 及 个人 消费者 的应 用 中所 获 得 的总 惠益,按 保 守 的 估 计,每 年 超 过 一百 亿美元。在 所有技 术 都 能 提高上 述需 要 的 新 能力 时,电 子 学 在 近 期 空 间 应 用 中将起 主 导 作用。它 不 仅 能 大 大 提 高 空 间系 统 的 自 动 化 和 标准化,也使 运用 费降 到 最低 限 度;大 量增 加 空 间系统 的 数据 量和分 辨率,以 提供 更 详 细 的 全 球 覆 盖;同 时 亦将 使简 化 数据 和分 配 的 费 用 不断 下 降,最 大 限 度 地增 加 用 户存 取 和 使 用1。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学