“嫦娥4號”任務(wù)有效載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛長斌,周晴,2,王雷,耿浩,劉鵬,朱重陽,張文璋,徐欣鋒,李俊

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心,北京 100190；2.北京理工大學(xué),北京 100081）

0 引 言

“嫦娥4號”由著陸器、巡視器和中繼星組成。中繼星、著巡組合體分別發(fā)射,將實(shí)現(xiàn)人類航天器首次月球背面軟著陸,利用運(yùn)行于地–月拉格朗日L2點(diǎn)的中繼星完成著陸器與巡視器與地面的通信。

“嫦娥4號”任務(wù)在最大限度利用“嫦娥3號”探測器平臺等現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,對“嫦娥3號”的部分科學(xué)探測任務(wù)進(jìn)行補(bǔ)充和拓展,在實(shí)現(xiàn)人造航天器首次在月球背面軟著陸的同時(shí)進(jìn)行巡視勘測。

“嫦娥4號”探測器有效載荷科學(xué)目標(biāo)為：①月球區(qū)域性地質(zhì)特征及內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的探測與研究；②月球背面低頻天文射電觀測。

人類首次在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測是本次探測任務(wù)的最大亮點(diǎn)。由于受到地球電離層的干擾,在地球上難以開展頻率低于10 MHz的射電天文觀測,在地球軌道甚至月球正面開展的空間射電天文觀測也受到地球電離層反射和人工無線電的干擾。月球背面屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發(fā)射,月夜期間還屏蔽了強(qiáng)烈的太陽射電輻射,月球背面被認(rèn)為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點(diǎn)。利用月球背面獨(dú)特的無線電環(huán)境,可開展的觀測與研究包括太陽低頻射電和月表射電環(huán)境探測。將填補(bǔ)100～1000kHz射電天文觀測的空白,有望在太陽風(fēng)激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性的成果。

“嫦娥4號”任務(wù)論證過程中,中國國家航天局提出首次在深空探測領(lǐng)域開展國際合作,并向其他國家航天局發(fā)出搭載征集函。接到各個國家提出的項(xiàng)目建議后,任務(wù)總體單位探月與航天工程中心組織相關(guān)系統(tǒng)對國際載荷項(xiàng)目建議書進(jìn)行了評估,在經(jīng)過多輪溝通和論證后,確定了國際載荷配置。擬配置的國際載荷均由國外科研機(jī)構(gòu)或大學(xué)在已有的科研基礎(chǔ)上提出,考慮到本次任務(wù)研制周期較短,所以選擇的載荷具有較高的技術(shù)成熟度,在“嫦娥4號”任務(wù)著陸器、巡視器、中繼星上均有搭載。其中,著陸器搭載德國基爾大學(xué)研制的中子及輻射劑量探測儀（LND）,巡視器搭載瑞典空間物理研究所研制的中性原子探測儀（ASAN）,中繼星搭載荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)研制的低頻射電探測儀（NCLE）。

1 “嫦娥4號”有效載荷配置

“嫦娥4號”的科學(xué)探測任務(wù)包括利用月球背面的有利條件開展低頻射電天文觀測、著陸區(qū)地質(zhì)特征、粒子輻射環(huán)境探測、巡視區(qū)月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查、月表物質(zhì)成分和資源勘察、月球次表層結(jié)構(gòu)探測。著陸器和巡視器分別配置了4臺有效載荷,如表1～2所示。

表1 “嫦娥4號”著陸器的有效載荷配置Table 1 Payloads of the lander of Chang'e-4

表2 “嫦娥4號”巡視器的有效載荷配置Table 2 Payloads of the rover of Chang'e-4

“嫦娥4號”中繼星還搭載了荷蘭研制的低頻射電探測儀（NCLE）,其功能和科學(xué)目標(biāo)如表3所示。

表3 “嫦娥4號”中繼星有效載荷配置Table 3 Payload of the relay satellite of Chang'e-4

2 有效載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“嫦娥4號”著陸器和巡視器的載荷均為就位與巡視探測類有效載荷,中繼星上的低頻射電探測儀為環(huán)繞探測類載荷。低頻射電探測儀單獨(dú)與中繼星平臺接口。著陸器和巡視器載荷則均通過載荷電控箱與探測器平臺接口。因此,本節(jié)僅針對著陸器和巡視器載荷分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

2.1 任務(wù)分析

相對“嫦娥3號”任務(wù),“嫦娥4號”著陸器保留了降落相機(jī)和地形地貌相機(jī)用于月球區(qū)域性地質(zhì)特征的探測與研究,取消了極紫外相機(jī)和月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,增加了新研制的低頻射電頻譜儀,利用月球背面的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行低頻射電天文觀測。另外還配置了德國基爾大學(xué)的月球中子及輻射劑量探測儀,用于探測月球表面復(fù)合輻射場劑量率的時(shí)間變化和LET（Linear Energy Transfer）譜。巡視器載荷取消了粒子激發(fā)X射線譜儀,新增了瑞典的中性原子探測儀。

為了最大限度節(jié)省探測器資源占用,有效載荷分系統(tǒng)按照緊耦合高集成化的設(shè)計(jì)思路,仍然采用著陸器載荷電控箱和巡視器載荷電控箱統(tǒng)一分別對著陸器地形地貌相機(jī)、低頻射電頻譜儀、中子及輻射劑量儀和巡視器全景相機(jī)、測月雷達(dá)、紅外光譜儀和中性原子探測儀進(jìn)行供配電和測控管理,從而保持載荷分系統(tǒng)與探測器平臺電氣接口狀態(tài)與“嫦娥3號”一致。

2.2 系統(tǒng)功能及指標(biāo)分解

根據(jù)工程總體研制總要求確定的科學(xué)目標(biāo)、探測任務(wù)及載荷配置,有效載荷分系統(tǒng)對各載荷單機(jī)進(jìn)行了功能分解,并梳理了各子功能對應(yīng)的性能指標(biāo)。其中著陸器有效載荷分系統(tǒng)功能分解見表4,巡視器有效載荷分系統(tǒng)功能分解見表5。

2.3 系統(tǒng)組成及架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 著陸器有效載荷分系統(tǒng)

“嫦娥4號”著陸器有效載荷器上設(shè)備由載荷電控箱、降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)、月球中子及輻射劑量探測儀和低頻射電頻譜儀組成。除降落相機(jī)直接與著陸器數(shù)管分系統(tǒng)接口外,其他3臺載荷單機(jī)均由有效載荷電控箱著陸器提供供配電、數(shù)據(jù)管理和過程控制服務(wù),有效載荷分系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

表4 著陸器有效載荷分系統(tǒng)功能要求分解Table 4 Functional decomposition of payloads system of the lander

表5 巡視器有效載荷分系統(tǒng)功能要求分解Table 5 Functional decomposition of payloads system of the rover

接表5

圖1 著陸器有效載荷分系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Framework of payloads system on lander

載荷分系統(tǒng)通過有效載荷電控箱實(shí)現(xiàn)地貌相機(jī)、低頻射電頻譜儀、月球中子及輻射劑量探測儀等3臺有效載荷的集中供電、管理、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)一與著陸器平臺接口。主要功能包括：①從著陸器獲取一次電源,為載荷提供通用一、二次電源和加斷電控制；②按照數(shù)據(jù)注入,控制有效載荷進(jìn)行科學(xué)探測；③采集和組織有效載荷工程參數(shù)；④接收和處理月球中子劑量儀和低頻射電頻譜儀的科學(xué)數(shù)據(jù)；⑤通過1553B數(shù)據(jù)總線接收數(shù)據(jù)注入、時(shí)間碼等運(yùn)行參數(shù),傳輸有效載荷遙測數(shù)據(jù)和工程參數(shù)；⑥通過LVDS傳輸有效載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)；⑦監(jiān)視有效載荷工作狀態(tài),進(jìn)行系統(tǒng)健康管理,在發(fā)生局部故障的情況下按照預(yù)定方案進(jìn)行處置。

2.3.2 巡視器有效載荷分系統(tǒng)

“嫦娥4號”巡視器有效載荷分系統(tǒng)器上設(shè)備包括全景相機(jī)、測月雷達(dá)、紅外成像光譜儀、中性原子探測儀和有效載荷電控箱,有效載荷分系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

圖2 巡視器有效載荷分系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Framework of payloads system on rover

與著陸器載荷分系統(tǒng)類似,巡視器載荷分系統(tǒng)通過有效載荷電控箱實(shí)現(xiàn)全景相機(jī)、測月雷達(dá)、紅外光譜儀、中性原子探測儀等3臺有效載荷的集中供電、集中管理、集中數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)一與巡視器綜合電子分系統(tǒng)接口。主要功能包括：①從巡視器獲取一次電源,為載荷提供通用一、二次電源和加斷電控制；②按照數(shù)據(jù)注入,控制有效載荷進(jìn)行科學(xué)探測；③采集和組織有效載荷工程參數(shù)；④接收和處理測月雷達(dá)、紅外光譜儀和中性原子探測儀的科學(xué)數(shù)據(jù)；⑤通過CAN數(shù)據(jù)總線接收數(shù)據(jù)注入、時(shí)間碼等運(yùn)行參數(shù),傳輸有效載荷遙測數(shù)據(jù)和工程參數(shù)；⑥通過LVDS傳輸有效載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)；⑦對有效載荷進(jìn)行運(yùn)行管理,包括有效載荷工作模式控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等,在有效載荷系統(tǒng)發(fā)生局部故障的情況下進(jìn)行故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。

2.4 難度及復(fù)雜度分析

“嫦娥4號”有效載荷分系統(tǒng)研制的難度主要包括：

1）接口設(shè)計(jì)難,由于采用緊耦合系統(tǒng)架構(gòu),接口設(shè)計(jì)是主要難點(diǎn)。既要考慮各單元之間分時(shí)工作,又要考慮多路載荷高速數(shù)據(jù)讀寫,最重要的是還要考慮故障隔離,防止某一單元出現(xiàn)故障影響其它單元的正常工作。通過采用有效載荷電控箱內(nèi)部多種類型接口信號較高隔離度的電氣隔離設(shè)計(jì)技術(shù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了主控單元與載荷電子學(xué)單元的交叉?zhèn)浞莺凸收细綦x,在不增加功耗的情況下顯著提高了整機(jī)可靠度。

2）低頻射電頻譜儀本底噪聲抑制設(shè)計(jì)難,低頻射電頻譜儀安裝在著陸器上,用于接收太陽爆發(fā)產(chǎn)生的低頻極微弱電場信號,由于著陸器上安裝的其他電子設(shè)備也不斷向外輻射低頻噪聲電場,而且噪聲電場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于探測信號,會對低頻射電頻譜儀的探測結(jié)果造成很強(qiáng)的干擾。為了降低著陸器上其他電子設(shè)備的電場噪聲對低頻射電頻譜儀的干擾影響,經(jīng)多次論證和試驗(yàn),確定采用增加一路短天線接收著陸器噪聲信號,并利用短天線收到的噪聲來消除長天線收到的噪聲信號。經(jīng)仿真、試驗(yàn)和探測器系統(tǒng)級EMC測試,仿真和測試結(jié)果表明噪聲抑制性能達(dá)到20 dB以上,結(jié)合優(yōu)化地面剔除噪聲數(shù)據(jù)處理算法,還可以再提高10 dB以上,具備科學(xué)目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)能力。后續(xù)還需在月球表面的實(shí)際執(zhí)行任務(wù)過程中得到最終驗(yàn)證結(jié)果。

3）國際合作載荷管理復(fù)雜,因國際合作載荷是按照ESA或類似ESA產(chǎn)品保證規(guī)范研制的相對成熟產(chǎn)品,而ESA的產(chǎn)品保證規(guī)范與“嫦娥4號”探測器總體的產(chǎn)品保證規(guī)范在具體內(nèi)容上存在較大的差異,特別是在過程管理方面不具備全面的總體監(jiān)控條件,相對國內(nèi)載荷項(xiàng)目國際合作載荷質(zhì)量和進(jìn)度管控難度較大。因此,工程總體針對國際合作載荷制定了具有可操作性的管理辦法,確定了合理且多方認(rèn)可的考核準(zhǔn)則,并為每個國際合作項(xiàng)目設(shè)置了中方研制團(tuán)隊(duì),發(fā)揮了重要協(xié)調(diào)和溝通的作用。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證情況

有效載荷分系統(tǒng)已完成了鑒定件環(huán)境試驗(yàn)、鑒定件桌面聯(lián)試,大部分產(chǎn)品已完成正樣件環(huán)境試驗(yàn)、正樣件桌面聯(lián)試。目前,已完成的試驗(yàn)和測試結(jié)果表明有效載荷分系統(tǒng)各產(chǎn)品功能和性能滿足要求,符合預(yù)期。

4 結(jié) 語

“嫦娥4號”有效載荷分系統(tǒng)特點(diǎn)是：各單機(jī)產(chǎn)品成熟度差異大、控制復(fù)雜、技術(shù)指標(biāo)和可靠性要求高。因深空探測任務(wù)對設(shè)備嚴(yán)格的重量和功耗限制,有效載荷分系統(tǒng)按照高集成度、緊密耦合的設(shè)計(jì)原則,克服了諸多難點(diǎn),執(zhí)行了頂層一體化設(shè)計(jì)路線,從根本上解決有效載荷系統(tǒng)面臨的共性問題。

通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用多種國際先進(jìn)技術(shù),提出了一種高性能、高可靠、高功能密度比、多載荷電子學(xué)緊耦合一體化設(shè)計(jì)科學(xué)載荷管理系統(tǒng)方案,成功研制了著陸器和巡視器有效載荷電控箱,完成了對有效載荷高效自主控制和數(shù)據(jù)處理,集中供配電,載荷系統(tǒng)健康管理等功能,實(shí)現(xiàn)了靈活高效的系統(tǒng)工作模式管理,達(dá)到了提高有效載荷在軌管理的智能性,獲取更多的信息和減小重量和功耗的目的。同時(shí)也總結(jié)了一套緊耦合載荷管理系統(tǒng)集成驗(yàn)證方法。

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