嫦娥二號衛(wèi)星技術(shù)特點分析

黃江川 饒 煒 孟林智 黃 昊

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

嫦娥二號(CE-2)衛(wèi)星是我國的第二顆月球探測器,其主要任務(wù)是以繞月探測工程嫦娥一號衛(wèi)星的備份星為基礎(chǔ),根據(jù)任務(wù)要求進行技術(shù)改進后,作為探月工程二期的先導(dǎo)星進行飛行試驗,試驗探月工程二期的部分關(guān)鍵技術(shù),以深化月球科學(xué)探測[1-2]。

根據(jù)嫦娥二號衛(wèi)星的任務(wù)特點和研制背景,系統(tǒng)設(shè)計的原則是:

1)在滿足探月二期工程技術(shù)驗證、載荷性能改善前提下,所采取的技術(shù)實現(xiàn)途徑,盡可能減少嫦娥一號衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的更改。

2)在采用必要的新技術(shù)、新設(shè)計實現(xiàn)任務(wù)目標前提下,盡可能采用先進的成熟技術(shù)或經(jīng)過預(yù)研的新技術(shù),以提高產(chǎn)品可靠性。

嫦娥二號衛(wèi)星新增了技術(shù)試驗分系統(tǒng),并且對大系統(tǒng)接口、軌道設(shè)計、飛行程序、熱控分系統(tǒng)等進行了重新設(shè)計。技術(shù)試驗和有效載荷分系統(tǒng)集中了全部新研制的軟硬件產(chǎn)品。嫦娥二號衛(wèi)星在注重繼承的基礎(chǔ)上,突破了以下6 個方面的關(guān)鍵技術(shù):

1)軌道設(shè)計;

2)CCD 立體相機速高比補償;

3)高靈敏度X 頻段深空應(yīng)答機;

4)集成化數(shù)據(jù)處理單元;

5)輕小型化降落相機;

6)推進系統(tǒng)高壓氣路及490N 發(fā)動機在軌長期使用。

2 CE-2 衛(wèi)星技術(shù)特點

2.1 軌道設(shè)計

嫦娥衛(wèi)星的軌道分析與近地衛(wèi)星有很大不同,要飛過380 000km 并實現(xiàn)月球捕獲,最終成為環(huán)月探測器,是一個復(fù)雜三體的分析求解問題[2]。而衛(wèi)星進入環(huán)月軌道后,由于月球引力場的異常復(fù)雜性,衛(wèi)星軌道的變化與地球衛(wèi)星的情況有很大的不同,需要進行大量的分析工作。此外,嫦娥二號衛(wèi)星的軌道設(shè)計還面臨著地月相對位置、測控要求、運載火箭發(fā)射條件、燃料攜帶量、月影分布、月食時機等一系列條件的限制。因此在軌道設(shè)計過程中,需綜合考慮上述各約束條件,并對其中的一些不利的結(jié)果加以甄別和排除。

根據(jù)新的任務(wù)要求和月球軌道特點,經(jīng)過詳細設(shè)計,形成的軌道方案是由長征-3C 運載火箭發(fā)射至近地點高度200km、遠地點高度約380 000km 的地月轉(zhuǎn)移軌道,同時配合運載火箭系統(tǒng)先期驗證“三級滑行時間延長和快速裝訂發(fā)射諸元技術(shù)”。采用的是最小能量的轉(zhuǎn)移軌道,在轉(zhuǎn)移軌道期間進行2～3 次軌道中途修正,在近月時衛(wèi)星進行制動,以被月球捕獲,進入環(huán)月軌道。然后經(jīng)過三次減速制動和軌道調(diào)整, 變?yōu)?00km/100km 的極月圓軌道。此外,在環(huán)月運行期間,衛(wèi)星擇機實施軌道機動,進入100km/15km 的橢圓軌道,利用1～2 天開展技術(shù)驗證和二期工程的備選著陸區(qū)的成像試驗。

與嫦娥一號相比,嫦娥二號在調(diào)相軌道方案、近月捕獲和環(huán)月運行軌道(100km/15km)設(shè)計等各方面均進行了調(diào)整。軌道方案變化對衛(wèi)星總體設(shè)計、各分系統(tǒng)適應(yīng)性方面帶來全局性影響。100km/100km 工作軌道和100km/15km 試驗環(huán)月軌道是我國探測器從未實施過的軌道,相比嫦娥一號的200km/200km 軌道,低軌道飛行會帶來更大的紅外熱流和月球攝動影響,對軌道預(yù)報、軌道控制、測定軌精度提出了更高的要求,也對星上熱控、制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC),供配電等分系統(tǒng)帶來影響。組織了全國范圍內(nèi)的同行專家,多次對軌道設(shè)計結(jié)果進行復(fù)核復(fù)審,以確保嫦娥二號軌道設(shè)計的正確性。

2.2 CCD 立體相機速高比補償

高分辨率CCD 立體相機是實現(xiàn)嫦娥二號衛(wèi)星工程目標和科學(xué)目標的重要設(shè)備之一,對工程目標的實現(xiàn)至關(guān)重要。

嫦娥二號衛(wèi)星CCD 立體相機采用了時間延遲積分(TDI)-CCD 作為相機成像器件,TDI-CCD 的使用對衛(wèi)星平臺姿態(tài)穩(wěn)定度要求較高,需要進行速高比補償,同時衛(wèi)星平臺的偏航、滾動、俯仰等因素都將影響TDI-CCD 相機的圖像質(zhì)量。

與近地衛(wèi)星相比,月球軌道的測定軌精度較低,且無現(xiàn)成精確的月球地形圖, 也無法利用GPS 定位。經(jīng)過論證采取了兩種措施:第一種措施是“地面行頻注入”,由地面根據(jù)軌道預(yù)報進行計算行頻數(shù)據(jù),注入至星上執(zhí)行,是100km/100km 工作軌道成像的有效措施;第二種措施是“激光高度計輔助計算”,利用星上激光高度計的測距信號,結(jié)合注入的地速數(shù)據(jù),由星上計算速高比和相機成像所需的行頻,是100km/15km 試驗軌道成像的又一有效措施。這兩個措施在任務(wù)實施中需衛(wèi)星、地面測控和地面應(yīng)用三大系統(tǒng)相互配合。此外,速高比補償方案還需重點解決激光高度計測距信號偽高程數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)的剔除算法以及速高比補償?shù)孛嬖囼烌炞C方法等技術(shù),如圖1、圖2 所示。

圖1 CCD 立體相機地面驗證試驗Fig.1 Sketch of ground test validation on CCD tridimensional camera

圖2 CCD 立體相機在軌成像示意圖Fig.2 Sketch of CCD tridimensional camera imaging on orbit

解決速高比補償?shù)脑O(shè)計方案工程實現(xiàn)環(huán)節(jié)較多,分工界面多,接口復(fù)雜。因此為驗證措施的工程可實現(xiàn)性,組織了多次大系統(tǒng)間接口協(xié)調(diào),并在大系統(tǒng)聯(lián)試中進行專項對接測試;對地面驗證措施進行多方確認和專家把關(guān),開展地面試驗驗證;充分利用嫦娥一號衛(wèi)星軌道飛行實測數(shù)據(jù),分析測定軌精度對速高比補償?shù)挠绊?確認了措施的合理可行性。

2.3 高靈敏度X 頻段深空應(yīng)答機

目前國際上為了解決深空探測器的通信時延、深空測角以及連續(xù)觀測等問題,采取的措施有:探測器上提高測控設(shè)備的接收靈敏度、星地系統(tǒng)提高射頻頻率(采用X 頻段或以上頻段)、采用先進的信道編譯碼技術(shù)和信源壓縮技術(shù)、地球站上通過加大地球上深空站的天線口徑、降低地面接收系統(tǒng)噪聲溫度、采用先進甚長基線干涉定位技術(shù)等措施來克服遠距離的損耗,立足于更廣范圍布設(shè)深空網(wǎng),以克服地球自旋影響,提供全天時連續(xù)觀測。

嫦娥二號衛(wèi)星技術(shù)試驗?zāi)繕酥皇沁M行X 頻段新型測控體制、技術(shù)研究與驗證,為后續(xù)任務(wù)的開展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。其中,考慮到以后月球二期工程對測控與數(shù)傳通信鏈路的需求,將測控系統(tǒng)工作頻段提高到X 頻段;考慮到為將來更遠的深空探測進行技術(shù)儲備和試驗驗證,提出了高靈敏度測控技術(shù)試驗、新型甚長基線干涉定位技術(shù)試驗的要求。

X 頻段深空應(yīng)答機的研制涉及設(shè)計、器件和工藝等一系列難點,需重點解決低信噪比的載波捕獲與跟蹤以及在解調(diào)損耗緊張、低信噪比條件下保持較高的靈敏度等關(guān)鍵技術(shù),是我國對于星地X 頻段測控技術(shù)應(yīng)用的一次探索。針對這些難點,重點對低信噪比下的載波捕獲數(shù)字處理算法的仿真驗證、數(shù)字基帶處理技術(shù)、現(xiàn)場可編程門陣列+數(shù)字信號處理器(FPGA+DSP)系統(tǒng)框架等方面進行攻關(guān)和研制。

嫦娥二號衛(wèi)星已開發(fā)和研制了X 頻段高靈敏度深空應(yīng)答機,如圖3 所示。在地球深空站配合下,共同完成X 頻段新型深空測控體制研究。其中突破了-140dBm 測控靈敏度、500kHz 高精度測距、新型單向差分測距(DO R)測角等關(guān)鍵技術(shù),產(chǎn)品技術(shù)指標超過地月系測控需求,將為更遠距離的深空測控(如火星)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 集成化數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元是嫦娥二號衛(wèi)星新增的提供遙測、遙控、數(shù)據(jù)復(fù)接、存儲、配電等功能的集成小型化電子設(shè)備,其關(guān)鍵技術(shù)主要包括低碼速率數(shù)字解調(diào)、大容量存儲和數(shù)據(jù)復(fù)接等技術(shù)的集成設(shè)計。

圖3 X 頻段深空應(yīng)答機Fig.3 Sketch of X band deep space responder

數(shù)字解調(diào)是實現(xiàn)遠距離深空測控的必備技術(shù),在嫦娥一號的遙控單元(TC U)上,采用的是地球衛(wèi)星常用的模擬解調(diào)技術(shù),采用模擬解調(diào)技術(shù)方式較難實現(xiàn),無法適應(yīng)后續(xù)更遠深空探測(如火星探測)任務(wù)的需求;此外,模擬解調(diào)電路復(fù)雜,不利于實現(xiàn)設(shè)備的輕小型化。為此,在嫦娥二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理單元上,首次采用數(shù)字解調(diào)技術(shù),用FPGA 實現(xiàn)數(shù)字解調(diào)、譯碼、數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(C RC)、數(shù)據(jù)復(fù)接、緩存等功能。其技術(shù)難點主要在于“低碼速率數(shù)字解調(diào)技術(shù)”和“集成化電磁兼容設(shè)計”技術(shù)。針對這些技術(shù)難點,采取以下主要解決措施:

1)開展數(shù)字解調(diào)數(shù)學(xué)模型的搭建和優(yōu)化仿真,通過仿真,確定性能最優(yōu)的實現(xiàn)數(shù)字解調(diào)的數(shù)學(xué)模型。

2)在元器件選用、電路設(shè)計、濾波電路設(shè)計、瞬態(tài)干擾抑制、設(shè)備內(nèi)干擾電路與敏感電路的屏蔽防護、印制線路板(PCB)分層設(shè)計和布局等方面,對不必要的電磁能量分別采取限制、轉(zhuǎn)化或吸收等抑制方法,特別重視相關(guān)電磁兼容性(EMC)設(shè)計。

2.5 輕小型化降落相機

降落相機是探月二期工程中可選的重要載荷之一,嫦娥二號衛(wèi)星上將配置降落相機,開展先期試驗驗證。降落相機研制的主要難點,在小型化、低功耗設(shè)計,特別是在減小電路板體積的同時,需降低電路功耗,在保證結(jié)構(gòu)強度和光學(xué)鏡片相對位置的前提下,減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。為此,在設(shè)計上降落相機采用了焦面組件低功耗輕小型化設(shè)計思路,并在保證成像質(zhì)量的前提下,通過減少鏡片數(shù)量,實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的輕小型化,如圖4 所示。

2.6 推進系統(tǒng)高壓氣路及490N 發(fā)動機在軌長期使用

嫦娥二號衛(wèi)星任務(wù)要求推進分系統(tǒng)工作壽命不少于6 個月,高于目前我國雙組元推進系統(tǒng)中高壓氣路系統(tǒng)和490N 發(fā)動機的設(shè)計壽命。

高壓氣路長期使用的技術(shù)難點,在于保證在軌長期使用環(huán)境下的電磁閥的密封性能和490N 發(fā)動機工作性能。為了解決高壓氣路在軌長期使用需求,嫦娥二號衛(wèi)星進行推進管路系統(tǒng)局部改進。在高壓自鎖閥前增加一個氣體過濾器,一方面緩沖高壓氣流對高壓自鎖閥的沖擊,另一方面可以保證高壓自鎖閥的潔凈度,從而有效保證其長期密封。同時制定高壓氣路及發(fā)動機長期使用專項試驗方案,試驗過程中模擬變軌工作過程,對系統(tǒng)進行多次啟動試驗,檢驗測試系統(tǒng)在各次啟動過程中的工作性能,并驗證系統(tǒng)間隔半年再次啟動的能力,試驗系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Sketch of test system

3 結(jié)束語

嫦娥二號衛(wèi)星作為探月工程二期的先導(dǎo)星,承上啟下,意義重大。針對“周期短、狀態(tài)雜、任務(wù)新、關(guān)鍵多”的特點,總體和分系統(tǒng)著眼于衛(wèi)星所擔(dān)負的使命,周密策劃,集中攻關(guān),充分開展地面驗證,為后續(xù)探月工程的研制將奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ),也將為我國執(zhí)行未來的深空探測任務(wù)積累較豐富的經(jīng)驗。

)

[1]葉培建, 張熇, 饒煒.積極應(yīng)對深空探測的技術(shù)挑戰(zhàn)[C]//北京:2005年深空探測學(xué)術(shù)會,2005

[2]國防科工委, 中國科學(xué)院, 航天科技集團等.我國月球探測工程綜合立項論證報告[R].北京:國防科工委, 2004

[3]歐陽自遠.月球科學(xué)概論[M].北京:宇航出版社,2005