空间仪器技术专题讲座设计及教学实践

胡梅 郭熙业 周超

[摘           要]  空间仪器技术是测控技术与仪器专业的一门技术选修课，通过课程学习，要求学生了解空间仪器基本概念与特征，掌握空间仪器工程的机、电、光、热、抗辐射一体化设计方法，教学难度极大。基于课程特点和教学目标，课程讲授以专题讲座为主要形式，并对专题讲座内容进行了精心设计，分为空间仪器与空间物理环境、空间仪器电子系统设计、空间仪器抗辐射加固设计、空间仪器结构设计、空间仪器热设计、空间光学仪器设计、典型空间仪器工作原理七个部分。四年的教学实践表明，学生通过专题讲座，能够系统掌握先进空间仪器关键技术原理，初步培养从事空间仪器设计和工程实践的能力，取得了良好的教学效果。

[关    键   词]  专题讲座;空间仪器;教学实践

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）45-0145-03

一、空间仪器技术课程特点

空间仪器技术是为测控技术与仪器专业学生开设的一门技术基础选修课程。近年来，空间仪器在对地观测、深空探测等科学研究和军事应用领域发挥着越来越重要的作用，高效用的空间仪器已经成为航天事业可持续发展的助推力[1]。

课程的主要任务是系统介绍先进空间仪器关键技术原理，培养本学科学生从事空间仪器设计和空间仪器工程实践的能力。通过本课程学习，要求学生了解空间仪器的基本概念与特征，掌握空间仪器工程的机、电、光、热、抗辐射一体化设计方法，了解空间仪器工程领域各种单项技术的最新研究发展趋势，具有选择可使用技术并进行理论分析和综合，及空间仪器总体设计的能力，教学难度极大。

基于课程特点和教学目标，课程讲授以专题讲座为主要形式，并对专题讲座内容进行精心设计，分为七个部分进行模块化介绍，并在研讨环节通过问题交互，真正让学生把具体技术和原理掌握透彻。

二、专题讲座设计

根据课程教学大纲，通过精心设计，将专题讲座内容模块化，分为空间仪器与空间物理环境、空间仪器电子系统设计、空间仪器抗辐射加固设计、空间仪器结构设计、空间仪器热设计、空间光学仪器设计、典型空间仪器工作原理七个部分。

（一）专题一：空间仪器与空间物理环境

首先讨论什么是空间？什么是仪器？什么是空间仪器？从而引出空间仪器的概念、学科内涵、典型结构、分类、特点、研制过程以及現状和发展趋势。再基于空间环境概述，对空间环境及效应进行分析：真空环境及其效应、中性粒子环境及其效应、等离子体环境及其效应、空间辐射环境及其效应、空间碎片环境及其效应[2]。

（二）专题二：空间仪器电子系统设计

空间仪器的电子系统在设计过程中需要考虑两种相互制约的因素[3]。首先，电路必须具备执行所需信号处理功能;其次，能够克服仪器在航天器中装配和运行方面的特殊问题。分析一个典型的空间仪器电子系统由哪几部分组成？空间仪器传感器有哪些？空间仪器的天线与电路设计包含哪几个环节？如何考虑空间仪器的电源系统、接插件、可靠性与电磁兼容设计？

（三）专题三：空间仪器抗辐射加固设计

首先理解什么是辐射效应？随着航天技术的日益发展，新型材料和新工艺微电子器件越来越多地应用于航天器，这些新材料和器件对航天器愈加敏感，航天器被辐射效应诱发故障的可能性增加。空间环境的辐射效应对航天电子系统的高可靠、长寿命带来了严峻的挑战。通过介绍电子系统空间辐射效应损伤模式与特性，详细分析总剂量防护设计、单粒子防护设计、位移损伤防护设计和充放电效应防护设计。

（四）专题四：空间仪器结构设计

空间仪器高可靠体系结构和机、电、热一体化设计是实现空间仪器各项功能指标的技术基础。主要回答问题：空间仪器结构设计的主要目的是什么？也就是说为什么研究空间仪器结构设计？要实现什么功能？结构设计需要考虑的因素有哪些？需要达到的性能指标有哪些？结构设计的主要步骤是什么？每一步要完成什么任务？

（五）专题五：空间仪器热设计

在空间仪器设计过程中，热设计是其中很重要的环节，需要熟悉空间热环境究竟是怎样的，空间仪器在太空中运行时热量是如何传输的，在设计过程中选择何种热控技术，进行热控制系统设计以及电子设备的热设计[4]。主要回答问题：为什么要进行热设计？空间仪器热环境主要包含哪几类？空间热控技术分为哪几类？各自的优缺点是什么？热设计的基本流程是什么？

（六）专题六：空间光学仪器设计

空间光学是空间科技的一个重要组成部分，是实现空间科学、空间技术和空间应用最重要的技术手段之一，并已经广泛地应用于空间观测（包括深空探测）和对地观测等领域[5]。空间光学仪器和设备在空间探测遥感中发挥着重要作用，本专题主要介绍常用空间光学仪器的工作原理、基本结构、性能参数及设计方法，并初步分析其应用领域和发展趋势。

（七）专题七：典型空间仪器工作原理

前六个专题全面展现了空间仪器设计全过程的各个环节。但是空间仪器的设计究竟从何入手，怎样按步骤完成各部分的设计，对初学者而言确实比较难。本专题主要通过一个实际的空间仪器设计例子——卫星重力测量系统，具体介绍空间仪器设计的全过程，然后通过介绍三个典型的空间仪器：全球卫星导航系统、阿尔法磁谱仪和哈勃望远镜，更全面地介绍现有的重要空间仪器。

三、教学实践与分析

根据设计的七个专题讲座，结合四年的教学实践经验，对每个专题的教学效果进行了分析与总结。

（一）专题一：教学实践

通过讨论什么是空间，什么是仪器，什么是空间仪器，学生能真正理解空间是指地球稠密大气层之外的宇宙范围，仪器可以根据仪器学科的内涵定义为具有可计量意义的测量过程的物理实现。那么空间仪器就是工作于空间或服务于空间应用的仪器，从而了解空间仪器在航天领域的作用与地位。空间仪器的典型结构组成包括传感器、信号调理、信号处理、数据处理、星载总线、星载计算机、数据传输、遥测遥控、电源系统等部分。相对于地面工作的仪器而言，空间仪器必须适应空间环境的影响和空间可用资源的约束。真空环境效应包括压力差、材料出气和污染、材料蒸发、升华和分解、真空冷焊、真空放电;中性粒子环境效应包括机械效应和化学效应;等离子体环境效应包括航天器表面充电、释放静电、辅助溅射和吸附污染物;空间辐射环境效应包括总剂量效应和单粒子效应;空间碎片环境效应主要是高速撞击。

（二）专题二：教学实践

通过分析典型的空间仪器电子系统组成，学生能够回答一个典型的空间仪器电子系统由传感器、天线与电路、电源系统等几部分组成，了解了空间仪器电子系统高可靠设计的基本策略。空间仪器传感器是空间仪器电子系统中信号感知的关键部分，主要包括姿态传感器、红外辐射传感器、粒子辐射探测器以及微机械传感器等。微型化是传感器技术的主要发展方向之一，也是科学技术的发展以及社会的发展对传感器的要求，微机械传感器应用于航空航天领域典型的有微机械加速度传感器和微机械陀螺。空间仪器的天线与电路设计包含天线设计、射频微波电路设计和信号处理电路设计。空间仪器通过天线接收到的射频微波信号，需要经过一定的模拟电路处理才能送入后续的信号处理电路。通过微波电路，天线所接受到的射频信号变成了频率较低的信号，而对该信号的处理往往比较复杂，一般引入软件无线电进行信号处理。

（三）专题三：教学实践

通过讨论什么是辐射效应，学生能够理解辐射效应是指航天电子系统运行在空间辐射环境下，受高能粒子撞击或电磁辐射影响而导致性能下降或故障的情况。空间辐射效应有总剂量效应、单粒子效应、位移损伤效应和充放电效应，总剂量效应几乎影响所有的航天器半导体材料，导致材料性能缓慢下降，直至系统失效。单粒子效应主要对存储器造成影响，导致逻辑状态发生翻转或器件的功能中断。位移损伤主要影响太阳能电池和光学器件，造成电子—空穴对热产生率的提高和载流子迁移率的退化。充放电效应引发电弧放电和介质击穿，极大影响航天器的可靠性和寿命。对于总剂量效应的防护，栅介质材料的工艺改进是MOS器件加固的重点。单粒子效应的防护方法主要有三种：冗余设计、重构刷新和高可靠系统结构。位移损伤防护设计主要是對位移效应敏感的器件提出了一些防护措施。充放电效应防护方法主要有：接地、屏蔽、程序设置。熟悉了电子系统空间辐射效应故障模式与机理，掌握了模拟电子系统和数字电子系统的抗辐射加固设计技术及其在空间仪器中的应用。

（四）专题四：教学实践

通过讨论为什么研究空间仪器结构设计，学生能够理解结构设计受所有其他子系统的影响，通过结构系统把其他所有子系统组合在一起：“承”，承受荷载——支撑所有其他子系统;“固”，保持几何形态——准直，热稳定性，质心等;“护”，提供屏蔽辐射。能够回答航天器结构设计主要需满足六个因素：尺寸、重量、视场、干扰、准直和负载。尺寸要适合整流罩，为内部设备安装提供充足空间;重量不能超过指定运载火箭到期望轨道的最大起飞重量，轨道与发射重量之间会有折中;视场由其他相关单元的设计结果决定;干扰需要考虑结构包络需在整流罩内，不同组件之间需考虑安全间距，避免不期望的物理接触;准直要求由其他部分决定;负载包括外在环境负载和内部组件负载，要统一考虑。空间仪器结构设计的主要任务包括：配置设计、材料选择、负载计算和结构分析。结构分析需从三个方面进行考虑：质量特性分析、结构元素与受力路径分析、动态与应力分析。

（五）专题五：教学实践

通过讨论空间仪器热环境是什么，为什么要进行热设计，学生能够回答空间仪器热环境主要是指：太阳辐射、地球反照、地球红外辐射和卫星内部热源。空间仪器热控制关心的主要是太阳光谱、太阳强度和光线的平行度等;地球对太阳光的反射形成了地球反照;地球红外辐射主要受地球表面温度及所覆盖的云量的影响。热传递有三种方式：辐射、对流、传导。热控技术可以分为被动热控和主动热控技术，被动热控是无源的，通过合理的规划布局和使用热控组件实现，如热控涂层、多层隔热材料、热管和导热填料;主动热控是有源的，通过自动调节传热参数实现，如辐射式主动热控、传导式主动热控、电加热和低温制冷等。初步了解空间仪器热控策略和热设计策略，基本掌握了空间仪器的热设计与分析仿真方法。

（六）专题六：教学实践

通过提前布置让学生查阅资料，了解空间光学仪器，主要包括天文望远镜、成像光谱仪、航天相机、激光测高仪、激光雷达、光谱辐射计等，弄清空间光学仪器的基本参数包括空间分辨率、调制传递函数、幅宽、观测场、光谱特性、辐射分辨率、动态范围、辐射定标精度、时间分辨率、几何性能参数。根据图像获取方式、谱段数目、扫描方式的不同，对感兴趣的成像光谱仪种类以及其中感兴趣的参数，要求学生课后查找相关文献进行深入了解，形成课程小报告提交。作为航天产品，空间光学仪器及其子系统和部件要经历技术要求和约束条件的提出与确认、方案论证、方案设计、详细设计、加工、装调、测试、试验、发射和在轨运行，直到寿终正寝。随着21世纪光学技术与电子学技术的飞速发展，空间光学技术及其仪器由低分辨率、单谱段、窄覆盖向高分辨率、多成像谱段、宽覆盖、实时传输的方向发展。

（七）专题七：教学实践

通过介绍重力场是地球的一个基本物理场，它反映了地球的物质分布与运动，许多学科开展研究都需要用到该物理量，强调确定地球重力场的精细结构及其时变，不仅是大地测量学、海洋学、地震学、空间科学、天文学、行星科学、深空探测、国防建设等的需求，同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。卫星重力测量系统的设计包括系统硬件设计、系统软件设计和系统试验设计。在硬件设计环节，包括射频通道设計、时钟管理单元设计、天线系统设计、数字基带设计;在软件设计环节，包括时间信息获取软件、信号产生软件、信号处理软件和地面站数据处理软件设计;在试验设计环节，分别设计有线试验系统和无线试验系统对系统的性能指标进行全面的测试。其次，全球卫星导航系统作为典型的现代导航仪器，可为全球范围内的用户连续、实时地提供高精度的三维位置、三维速度及精密授时服务，在军事和民用领域具有重要而广泛的应用。阿尔法磁谱仪是国际空间站上唯一的大型高能粒子探测器，也是人类送入太空的第一个大型磁谱仪。哈勃空间望远镜是设置在地球轨道上、通光口径为2.4m的反射式天文望远镜，可从紫外到近红外波段探测宇宙目标，可以说哈勃望远镜是具有标志性也是最成功的空间望远镜，也是天文史上最重要的科学仪器之一。选择其中一个典型空间仪器，通过课后深入查找资料，能够掌握该空间仪器的功能、原理与设计思路，要求每位学生撰写一篇课程小报告提交。

总体而言，在七个专题讲座中，预先设计的问题能够极大地引起学生的兴趣，通过引导与思考，学生循序渐进地揭开问题的本质，最终能够掌握各个专题的教学重难点问题，达到既定的教学要求。

四、结语

空间仪器学科包含科学、技术与工程三个层面。在科学研究方面，主要以探索空间测量新原理、新方法和新技术及其可行性理论和空间测量信息完整性理论（包括时间一致性、空间一致性、量值传递与溯源及附属信息完整性）为学术基础，为空间测量所面临的科学问题提供理论与方法。技术研究方面以高可靠智能传感技术、低代价高性能信号处理、数据处理、空间仪器高可靠体系结构和机、电、热一体化设计为技术基础，开展空间仪器系统及其抗辐射加固、地面试验验证系统等核心关键技术研发工作。工程方面，主要开展航天器平台和载荷中的仪器设备研制，以及载人航天、卫星导航、高分辨率对地观测和深空探测等涉及仪器系统部分的总体论证、方案设计、关键技术攻关和产品研制，以及地面仿真测试等。

针对测控技术与仪器专业本科生开设的空间仪器技术这门技术基础选修课，从无到有，从陌生到熟悉，从自学到教学，笔者在四年的教学过程中积累了一些经验，总结了一些行之有效的方法。为了让学生更好地参与课堂互动，真正通过思考理解空间仪器设计相关的各重难点知识环节，特通过专题讲座形式进行课堂讲授，基于课程特点和教学目标，精心设计了专题讲座内容，并通过教学实践不断迭代优化教学设计，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1][英]A·M·克鲁斯，J·A·鲍尔斯，T·J·帕特里克，等.空间仪器设计原理[M].张育林，刘昆，项军华等，译.北京：中国宇航出版社，2012.

[2][美]A.C.Tribble.空间环境[M].唐贤明，译.北京：中国宇航出版社，2009.

[3][美]M.M.Abid.航天飞行器传感器[M].范茂军，译.北京：中国计量出版社，2010.

[4]候增祺，胡金刚.航天器热控制技术：原理及其应用[M].北京：中国科学技术出版社，2007.

[5]杨金照，王雷，范纪红.空间光学仪器设备及其校准检测技术[M].北京：中国计量出版社，2009.

◎编辑 原琳娜