中國首次火星探測工程有效載荷總體設(shè)計

朱巖,白云飛,王連國,沈衛(wèi)華,張寶明,王蔚,周盛雨,杜慶國,陳春紅

（中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心,北京 100190）

0 引 言

作為我國深空探測計劃的又一個里程碑事件,中國政府于2016年1月對中國首次自主火星探測任務(wù)正式批復(fù)立項,計劃于2020年發(fā)射一顆火星探測器,一次性實現(xiàn)“環(huán)繞”“著陸”“巡視”3個目標(biāo)。

中國首次自主火星探測任務(wù)的探測器由一個火星環(huán)繞器和一個火星著陸巡視器構(gòu)成。環(huán)繞探測科學(xué)任務(wù)著眼于對火星全球性和綜合性的探測；著陸巡視器由進入艙和火星車組成,火星車巡視探測科學(xué)任務(wù)著眼于火星局部地區(qū)的高精度就位探測[1-5]。環(huán)繞探測和巡視探測相結(jié)合,完成一系列聯(lián)合探測任務(wù)。

我國首次自主火星探測的科學(xué)目標(biāo)包括5個方面的探測和研究：

1）火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征；

2）火星表面土壤特征與水冰分布；

3）火星表面物質(zhì)組成；

4）火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征；

5）火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1 中國首次自主火星探測有效載荷配置情況

為了實現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo),火星環(huán)繞器配置的有效載荷包括：中分辨率相機、高分辨率相機、環(huán)繞器次表層探測雷達、火星礦物光譜分析儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀等7類科學(xué)儀器,并配備一臺環(huán)繞器載荷控制器對載荷進行控制和管理。火星車上配置的有效載荷包括：導(dǎo)航地形相機、多光譜相機、火星車次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀和火星氣象測量儀。通過集成一體化設(shè)計的載荷控制器對載荷進行控制和管理[6-8]。表1～2分別對火星環(huán)繞器和火星著陸車配置的有效載荷進行了歸納。

2 火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)組成架構(gòu)

火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是：以一臺獨立的載荷控制器為核心設(shè)備,通過內(nèi)部總線網(wǎng)絡(luò)將有效載荷分系統(tǒng)連接成一個有機整體,同時,載荷控制器為有效載荷分系統(tǒng)提供與衛(wèi)星平臺的綜合電子分系統(tǒng)、GNC分系統(tǒng)以及總體電路分系統(tǒng)之間的統(tǒng)一電接口?；鹦黔h(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)組成與連接關(guān)系如圖1所示。

有效載荷分系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺相關(guān)分系統(tǒng)的接口主要包括衛(wèi)星一次電源輸入接口、OC指令接口、PPS對時秒脈沖接口、衛(wèi)星姿軌參數(shù)RS422實時串行接口、衛(wèi)星1553B總線接口以及有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)LVDS輸出接口。

表1 火星環(huán)繞器有效載荷配置Table 1 Payloads of MARS-1 orbiter

表2 火星車有效載荷配置Table 2 Payloads of MARS-1 rover

載荷控制器與有效載荷分系統(tǒng)其它載荷之間的接口類型主要包括一次電源配電接口（包括工作電源以及熱控電源）、OC遙控接口、模擬量/溫度量采集接口、RS422命令與低速數(shù)據(jù)通訊接口及專用接口、LVDS高速數(shù)據(jù)通訊接口、有效載荷分系統(tǒng)1553B總線接口等。

2.2 火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)供配電與遙測遙控設(shè)計

環(huán)繞器平臺為通過輸出一次電源母線至載荷控制器,為有效載荷提供工作電源和熱控電源。載荷控制器通過內(nèi)部配電單元為各有效載荷提供一次電源作為工作和熱控電源。載荷控制器的開關(guān)機由環(huán)繞器平臺輸出的OC指令控制,各有效載荷工作電源和熱控電源的開關(guān)由載荷控制器根據(jù)經(jīng)衛(wèi)星1553B總線轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)注入指令或根據(jù)自主運行狀態(tài)輸出OC指令控制。

有效載荷的數(shù)據(jù)指令由載荷控制器通過有效載荷1553B總線或RS422接口發(fā)送,產(chǎn)生方式有兩種：載荷控制器轉(zhuǎn)發(fā)來自衛(wèi)星平臺1553B總線的數(shù)據(jù)注入,或由自主運行控制產(chǎn)生,這些指令用于啟動有效載荷執(zhí)行各種在軌探測模式以及設(shè)置工作參數(shù)。

圖1 火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)連接框圖Fig.1 Block diagram of payload system,Mars-1 orbiter

載荷控制器通過有效載荷1553B總線或RS422接口接收來自有效載荷的數(shù)字量遙測,組織成工程參數(shù)通過LVDS接口發(fā)送至衛(wèi)星平臺,同時還將提取關(guān)鍵數(shù)字量遙測,通過衛(wèi)星1553B總線發(fā)送至衛(wèi)星平臺。

載荷控制器采集有效載荷的模擬量或溫度量遙測,經(jīng)AD變換,組織成工程參數(shù)通過LVDS接口發(fā)送至衛(wèi)星平臺；同時提取關(guān)鍵模擬量遙測,通過衛(wèi)星1553B總線發(fā)送至衛(wèi)星平臺。

2.3 火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)處理與傳輸

火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀等載荷產(chǎn)生的較低速科學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)由RS422接口,中分辨率相機、高分辨率相機、環(huán)繞器次表層探測雷達、火星礦物光譜分析儀等載荷產(chǎn)生的較高速科學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)由LVDS接口,發(fā)送至載荷控制器。

中分辨率相機和高分辨率相機的圖像數(shù)據(jù)將由載荷控制器的圖像壓縮單元進行多種可選擇模式的壓縮處理,并組織成一定的源包格式,連同其它載荷的科學(xué)數(shù)據(jù),經(jīng)多路動態(tài)復(fù)接處理,組織成傳輸幀格式,通過LVDS接口發(fā)送至衛(wèi)星平臺進行存儲,并擇機傳輸至地球數(shù)據(jù)接收站。

2.4 火星環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)主要在軌工作模式及自主運行管理

火星環(huán)繞器有效載荷的工作時段主要分為地火轉(zhuǎn)移段以及環(huán)火段。地火轉(zhuǎn)移段工作的有效載荷包括環(huán)繞器次表層探測雷達的甚低頻射電頻譜采集單元、火星能量粒子分析儀以及火星離子與中性粒子分析儀,對地火轉(zhuǎn)移的行星際空間環(huán)境開展科學(xué)探測。環(huán)火段軌道為大橢圓軌道,有效載荷分系統(tǒng)的科學(xué)探測模式主要分為近火段模式以及遠火段模式。空間環(huán)境類有效載荷在環(huán)火段通常保持連續(xù)工作,而中分變率相機、高分辨率相機、火星環(huán)繞器次表層探測雷達、火星礦物光譜分析儀等載荷主要工作在近火段。

地火距離造成的無線信號通訊延時較大,信息傳輸速率較低,有效載荷的在軌工作流程控制不適應(yīng)于傳統(tǒng)的遙科學(xué)、遙現(xiàn)場強實時遙控操作方式,因此需要載荷控制器具備較強的在軌自主運行控制能力。載荷控制器通過預(yù)存多組載荷在軌工作模式執(zhí)行序列表,通過地面注入指令或事件表啟動這些序列,同時結(jié)合GNC信息,盡量減少地面上行注入指令的數(shù)據(jù)量,實現(xiàn)最大程度的有效載荷自主運行管理與控制。另外載荷控制器預(yù)存的執(zhí)行序列表也可以通過地面數(shù)據(jù)注入更改,以實現(xiàn)實際運行過程中根據(jù)用戶需求變化,以及環(huán)繞器軌道、能源、有效載荷狀態(tài)變化情況進行靈活調(diào)整。同時,載荷控制器還具備對有效載荷故障模式處理以及應(yīng)急狀態(tài)控制功能,表3給出了環(huán)繞器有效載荷科學(xué)探測基本工作流程。

表3 環(huán)繞器有效載荷科學(xué)探測基本工作流程Table 3 Major program of orbiter payloads workflow

3 火星車有效載荷分系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 火星車有效載荷分系統(tǒng)組成架構(gòu)

由于火星車平臺重量、體積以及火星地表溫度環(huán)境的約束,火星車有效載荷分系統(tǒng)采用了更高集成度的一體化總體技術(shù)方案。該方案最大限度地將各有效載荷電子學(xué)控制單元集成于艙內(nèi)的載荷控制器中。

如圖2所示,火星車有效載荷分系統(tǒng)配置在火星艙內(nèi)的設(shè)備包括載荷控制器和表面成分探測儀的光譜儀。載荷控制器是火星車有效載荷分系統(tǒng)核心設(shè)備,集成了公共部分的電源單元、計算機與數(shù)據(jù)處理單元,以及表面成分探測儀、表面磁場探測儀、氣象測量儀以及次表層探測雷達的主控電子學(xué)單元。艙外設(shè)備包括兩臺導(dǎo)航地形相機、多光譜相機以及其它各載荷的探頭和天線部件。

圖2 火星車有效載荷分系統(tǒng)連接框圖Fig.2 Block diagram of payload system,Mars-1 rover

除因地形相機與平臺導(dǎo)航相機復(fù)用,由GNC系統(tǒng)直接管理,多光譜相機的圖像數(shù)據(jù)接口直接輸出至平臺系統(tǒng)管理單元之外,火星車載荷控制器統(tǒng)一提供了有效載荷分系統(tǒng)與火星車平臺之間的其它各種電接口。

3.2 火星車有效載荷分系統(tǒng)供配電與遙測遙控設(shè)計

火星車平臺通過一次電源母線至載荷控制器,為有效載荷分系統(tǒng)提供工作電源,載荷控制器的電源單元經(jīng)過DC/DC變換后,為各載荷提供二次供電電源。其中載荷控制器公共單元的開關(guān)機由火星車平臺輸出的OC指令控制,各載荷的二次供電由載荷控制器公共單元產(chǎn)生的OC指令控制。

載荷控制器內(nèi)部各載荷電子學(xué)控制單元與公共單元間的數(shù)據(jù)指令通過內(nèi)部RS422接口傳輸,產(chǎn)生方式有兩種：①公共單元轉(zhuǎn)發(fā)來自火星車平臺1553B總線的數(shù)據(jù)注入；②由公共單元自主運行產(chǎn)生。這些指令用于啟動有效載荷執(zhí)行各種在軌探測模式以及設(shè)置工作參數(shù)。

載荷控制器公共單元通過RS422接口接收來自各有效載荷電子學(xué)控制單元的數(shù)字量遙測,組織成工程參數(shù)并通過LVDS接口發(fā)送至衛(wèi)星平臺,同時還將提取關(guān)鍵數(shù)字量遙測,通過1553B總線發(fā)送至火星車平臺。

載荷控制器公共單元采集有效載荷的模擬量或溫度量遙測,經(jīng)AD變換后,組織成工程參數(shù)通過LVDS接口發(fā)送至火星車平臺；同時提取關(guān)鍵模擬量遙測,通過1553B總線發(fā)送至火星車平臺。

3.3 火星車有效載荷分系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)處理與傳輸

火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀以及火星車次表層探測雷達的科學(xué)數(shù)據(jù),經(jīng)由載荷控制器內(nèi)部RS422接口發(fā)送至公共單元,經(jīng)公共單元處理、組包、緩存后,根據(jù)指令發(fā)送至火星車平臺,擇機經(jīng)火星環(huán)繞器中繼傳輸至地球數(shù)據(jù)接收站。

導(dǎo)航地形相機、多光譜相機的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)LVDS接口直接發(fā)送至火星車平臺,經(jīng)壓縮處理后,擇機經(jīng)火星環(huán)繞器中繼傳輸至地球數(shù)據(jù)接收站。

3.4 火星車有效載荷分系統(tǒng)主要在軌工作模式及自主運行管理

火星車各有效載荷在火星表面巡視期間根據(jù)光照、溫度等氣象條件以及火星車能源的具體情況擇機工作。導(dǎo)航地形相機、多光譜相機以及火星表面成分探測儀在火星車靜止期間工作；次表層探測雷達在火星車移動期間工作；表面磁場探測儀以及氣象測量儀在火星車移動和靜止期間均可以擇機工作。

載荷控制器公共單元同樣具有較強的在軌自主運控管理能力。公共單元通過預(yù)存多組載荷在軌工作模式執(zhí)行序列表,通過地面注入指令或事件表啟動這些序列,盡量減少地面上行注入指令的數(shù)據(jù)量,實現(xiàn)最大程度的有效載荷自主運行控制。另外載荷控制器公共單元預(yù)存的執(zhí)行序列表也可以通過地面數(shù)據(jù)注入更改,以適應(yīng)實際運行過程中根據(jù)用戶需求變化,以及火星車姿態(tài)、能源、有效載荷狀態(tài)變化情況進行靈活調(diào)整。同時,載荷控制器公共單元還具備對有效載荷故障模式處理以及應(yīng)急狀態(tài)控制功能。

4 結(jié) 語

自主火星探測工程的啟動,是對我國航天技術(shù)水平的又一次巨大挑戰(zhàn)?；鹦翘綔y有效載荷將面臨更加嚴(yán)苛的測控、通訊、能源條件限制以及復(fù)雜運行環(huán)境的考驗。因此,有效載荷需加強在設(shè)計集成化、運行控制智能化、環(huán)境適應(yīng)魯棒化等方面的創(chuàng)新性研究,為我國后續(xù)的深空探測任務(wù)開拓更廣闊的思路。

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