嫦娥五號任務再入返回段測控總體設計與實現(xiàn)

胡 浩，董光亮，裴照宇，李海濤，黃 磊，任俊杰，葛 平，陳少伍，樊 敏

(1. 探月與航天工程中心，北京 100190；2. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引 言

按照中國探月工程“繞落回”三步走的策略,三期工程的核心任務是“月面采樣返回”。為了完成這一目標,在嫦娥五號任務中,通過視覺測量技術(shù)快速獲取了采樣區(qū)域的地形地貌數(shù)據(jù)信息[1],通過視覺伺服方法解決了月面采樣機械臂精確夾持樣品容器的技術(shù)難題[2],通過采用月球軌道交會對接遠程導引多脈沖調(diào)相軌道方案完成了人類歷史上首次無人月球軌道交會對接[3]。

除了上面提到的與月面采樣、月球軌道交會對接相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)外,月地高速再入返回段測控也是任務的重點和難點之一。中國之前曾成功實施過多次返回式衛(wèi)星任務和載人航天返回任務,這些任務均采用一次再入的方式,再入速度約為7.8 km/s(接近第一宇宙速度);而嫦娥五號返回器的返回則與之不同,返回器采用半彈道跳躍式二次再入的方式,以約11 km/s(接近第二宇宙速度)的速度返回地球,涉及到氣動力、氣動熱、制導導航與控制(GNC)、測控通信等諸多方面關(guān)鍵技術(shù)的突破[4-5],需要探測器系統(tǒng)和測控系統(tǒng)共同配合,確保返回器返回內(nèi)蒙古四子王旗預定著陸區(qū)。

本文以“嫦娥五號”任務再入返回段為背景,對該階段的測控任務開展了需求分析,梳理出軌返分離點測定軌預報、軌返分離前天地校時、初次再入及二次再入關(guān)鍵任務弧段的跟蹤測控等主要技術(shù)難題,給出了相應的解決方案,并完成了再入返回段測控總體方案的設計工作。任務實踐表明,測控系統(tǒng)的方案穩(wěn)妥可靠,有效確保了任務的圓滿成功,并可為后續(xù)開展小行星采樣返回、火星采樣返回等任務提供重要技術(shù)參考。

1 再入返回段測控任務需求分析

1.1 軌返分離點測定軌預報精度需求

為了確保返回器能夠進入返回走廊,并最終精確返回預定著陸區(qū),需要再入角精度達到5.8°±0.2°。再入角的定義是再入時速度方向與當?shù)厮骄€的夾角,該角度的大小直接影響到返回器的機動能力和氣動力、氣動熱情況,關(guān)乎著任務成敗。再入角精度由軌控誤差、軌控前后調(diào)姿誤差以及測定軌預報精度共同來保證。具體到任務實施上,前兩項由探測器系統(tǒng)GNC來確保,而測定軌預報精度需要由測控系統(tǒng)確保[6]。對該精度的具體指標要求為:在軌道器與返回器分離(軌返分離)前定軌并預報1 h至分離點,徑向、切向和法向(RTN)三個方向上的位置精度均優(yōu)于1 000 m(3σ),速度精度均優(yōu)于0.5 m/s(3σ)。

1.2 軌返分離前天地校時精度要求

按照任務飛行程序,在軌返分離前,需要測控系統(tǒng)通過地面測控站進行返回器軌道參數(shù)注入和返回器GNC制導參數(shù)注入。在進行上述參數(shù)注入時,需同時上注歷元時刻,如果返回器器上時鐘與地面時鐘存在較大誤差,則相當于額外引入了定軌預報誤差,這會對返回器再入返回過程的實施帶來嚴重影響。對該精度的具體指標要求為:天地校時精度優(yōu)于1 ms。

1.3 返回段跟蹤測控要求

測控系統(tǒng)依托S頻段統(tǒng)一測控(USB)設備、雷達設備和光學設備,承擔著返回器再入返回段的跟蹤測控及落點預報任務。嫦娥五號返回器目標小、再入速度快、再入黑障時間長、一次再入出黑障后彈道散布范圍大,這些不利因素均給測控系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。為了確保再入返回段關(guān)鍵弧段的測控跟蹤,給出較為準確的落點預報,測控系統(tǒng)需要統(tǒng)籌考慮測控資源,通過合理布站來構(gòu)建出具有較高測控覆蓋率的再入返回跟蹤測量鏈,并依靠獲取的返回器遙外測數(shù)據(jù)開展綜合解算,及時預報返回器落點。

2 軌返分離前測控總體設計

2.1 三站接力測量

在嫦娥五號軌道器與返回器分離之前,軌返組合體的器下點位置均位于南緯30°附近(如圖1所示),且不在國內(nèi)測控區(qū),可以利用的測控站包括中國在納米比亞鯨灣建的納米比亞站和在阿根廷內(nèi)務肯建的阿根廷深空站。在軌返組合體最后一次中途修正(第六次中途修正)到軌返分離僅有約4.5 h,需要測控系統(tǒng)定軌預報1 h至分離點,RTN三個方向上位置精度均優(yōu)于1 000 m(3σ),速度精度均優(yōu)于0.5 m/s(3σ),實際能夠用于定軌的測量數(shù)據(jù)只有3 h。通過測定軌仿真分析,利用納米比亞站和阿根廷深空站無論采用何種測軌策略都無法滿足這一任務要求。為此,測控系統(tǒng)提出了利用與歐空局(ESA)瑪斯帕拉瑪斯站進行國際聯(lián)網(wǎng)測控的策略,采用三站三向測量(包括三向測距和三向測速)的方式來提高定軌預報精度[7-8]。瑪斯帕拉瑪斯站位于北緯30°附近,與納米比亞站和阿根廷深空站構(gòu)成“大三角”,有效改善了測量幾何。三向測量模式已在嫦娥三號任務的落月過程中得到成功應用[9],數(shù)據(jù)精度明顯優(yōu)于單站雙向測距測速。然而遺憾的是,通過與ESA協(xié)調(diào)得知,瑪斯帕拉瑪斯站不具備開展三向測距的能力。針對此情況,測控系統(tǒng)提出了三站接力測量的策略,由阿根廷深空站、瑪斯帕拉瑪斯站和納米比亞站分別進行雙向測距測速。通過將可用的測控弧段資源均勻分配給上述3個測控站,從而有效改善測量幾何,達到定軌預報精度要求[10]。

圖1 三站接力測量示意圖Fig.1 Schematic diagram ofthe three-station relay measurement

利用三站接力測量模式進行大橢圓軌道短弧定軌預報,特別是近地點的位置、速度,對于觀測弧段的選取、動力學模型的選擇等存在一定難度。因此測控系統(tǒng)通過與ESA協(xié)調(diào),在2014年組織圣地亞哥站(中方在智利圣地亞哥建的測控站)、納米比亞站和瑪斯帕拉瑪斯站,利用ESA SAMBA衛(wèi)星進行測定軌試驗,對三站接力測量模式下的定軌預報精度進行驗證。SAMBA衛(wèi)星屬于ESA星團(Cluster)計劃4顆衛(wèi)星中的一顆,衛(wèi)星在過近地點時與嫦娥五號返回器的軌道特性相似,返回器與SAMBA衛(wèi)星軌道參數(shù)比較見表1所示。

表1 嫦娥五號軌返組合體與SAMBA衛(wèi)星的軌道比較Table 1 Comparison of the orbit of the Chang’e-5 probe and the orbit of SAMBA

從表1中可以看出,SAMBA衛(wèi)星測定軌試驗結(jié)果可以為嫦娥五號任務軌返分離點定軌預報精度提供參考。利用SAMBA衛(wèi)星測定軌的實際結(jié)果,對嫦娥五號軌返組合體測定軌精度進行仿真分析,結(jié)果(3σ)見表2所示。表中情況1為三站接力測軌時長共計2.5 h,情況2為三站接力測軌時長共計3 h。

表2 嫦娥五號軌返組合體測定軌精度仿真分析結(jié)果(3σ)Table 2 Simulation analysis results of the precision of orbit determination of the Chang’e-5 probe (3σ)

從表2中的仿真結(jié)果分析看,2.5 h定軌預報1 h 40 min的情況不滿足需求(位置RTN三個方向都不滿足、速度R方向不滿足),3 h定軌預報1 h 10 min的情況可以滿足需求。根據(jù)上述結(jié)論,在任務中采用三站接力測量共3 h的策略,每個站均進行雙向測距測速1 h,具體測量時段分配如圖2所示。

圖2 三站接力測量弧段分配示意圖Fig.2 Time distribution of the three-station relay measurement

2.2 境外測控站校時策略

為確保軌返分離前的天地校時精度,需要準確獲知軌道器和地面測控站間的器地設備固定時延。器地設備固定時延和器地距離決定著軌道器與地面站的器地時差。

通常情況下,必須將軌道器測控分系統(tǒng)正樣件運至測控站進行對接試驗,通過示波器獲得器地設備固定時延值,這一指標的精度與示波器的分辨率相關(guān),一般優(yōu)于1 ms。在嫦娥五號任務實施前,開展過測控正樣對接試驗的測控站僅為國內(nèi)相關(guān)測控站(喀什深空站、佳木斯深空站、青島站)。然而軌返組合體從喀什深空站出站9 h后才軌返分離,因軌道器未采用高穩(wěn)定度頻率源,若長時間不進行天地校時,器上時間基準會逐步惡化,因此必須想辦法采用位于我國境外的納米比亞站或阿根廷深空站在軌返分離前進行天地校時,從而滿足器上時間基準的要求。

為了解決地面測控站無法通過器地對接試驗獲取器地設備固定時延的問題,測控系統(tǒng)提出了一種全新的技術(shù)方案,以便讓無條件開展器地對接試驗的地面測控站能夠開展器地校時。為了達到上述目的,采用的技術(shù)方案包括如下步驟。

1)在測控站A與B的共視弧段內(nèi)的t1時刻,利用測控站A,由式(1)獲取器地時差ΔTt1并校時:

ΔTt1=TCZ(t1)-(T0+TWX(t1))-ΔTA-ΔtAR(t1)

(1)

因為是測控站A和測控站B的共視弧段,因此不論利用測控站A還是測控站B校時,對器上的校時量是相同的,且測控站A和測控站B的測控站時間相同(由地面測控網(wǎng)時統(tǒng)保證),因此同時滿足以下關(guān)系:

ΔTt1=TCZ(t1)-(T0+TWX(t1))-ΔTB-ΔtBR(t1)

(2)

2)在測控站A與B的共視弧段內(nèi),利用式(2),由式(3)推算測控站B的器地設備固定時延:

ΔTB=TCZ(t1)-(T0+TWX(t1))-ΔTt1-ΔtBR(t1)

(3)

3)在測控站B跟蹤弧段內(nèi)的t2時刻,參照式(1),由式(4)獲取t2時刻器地時差并校時:

ΔTt2=TCZ(t2)-(T0+TWX(t2))-ΔTB-ΔtBR(t2)

(4)

4)在測控站B與C共視弧段內(nèi),循環(huán)步驟2)、3)可獲取測控站C器地設備固定時延ΔTC,并在測控站C跟蹤弧段內(nèi)進行相應的校時工作。

上述步驟中:A為有對接試驗測控站,在嫦娥五號任務中可指代喀什深空站;B、C為無對接試驗測控站,在嫦娥五號任務中可分別指代納米比亞站和阿根廷深空站;測控站A與B及B與C之間均有共視弧段;ΔTt1為t1時刻器地時差,ΔTt2為t2時刻器地時差(t1時刻測控站A和測控站B雙站共視,t2時刻衛(wèi)星已從測控站A出站,測控站B對衛(wèi)星可見);TCZ(t1)為t1時刻地面測控站時間,TCZ(t2)為t2時刻地面測控站時間;T0為器上時間起始時刻,TWX(t1)為t1時刻遙測幀中器上時間,TWX(t2)為t2時刻遙測幀中器上時間(相對于器上起始時刻計時,T0+TWX構(gòu)成了器上時間);ΔTA為測控站A器地設備固定時延,以天地測控正樣對接獲取的數(shù)據(jù)為準(已知量),ΔTB為測控站B器地設備固定時延;ΔtAR(t1)為t1時刻測控站A到衛(wèi)星的空間傳輸時延,由任務中心計算得到,同理ΔtBR(t1)為t1時刻測控站B到衛(wèi)星的空間傳輸時延,ΔtBR(t2)為t2時刻測控站B到衛(wèi)星的空間傳輸時延,由任務中心計算得到。

3 再入返回段測控總體設計

3.1 返回彈道特性

返回器與軌道器在距地球約5000 km高度處完成分離,采用半彈道跳躍二次再入方式進入大氣層,返回內(nèi)蒙古四子王旗著陸場。整個返回過程示意圖如圖3所示。

圖3 嫦娥五號返回器返回過程示意圖Fig.3 Diagram of the return process of the Chang’e-5 reentry module

3.2 返回段測控總體設計

返回器返回過程中涉及到3個主要階段,分別是一次入黑障段、一次出黑障后自由飛行段和二次入黑障段。在黑障區(qū)內(nèi),因受等離子體鞘套影響,測控系統(tǒng)無法通過USB設備完成遙測遙控和雙向相干測距測速,僅能通過返回器的RCS特性進行雷達反射式跟蹤,以及通過返回器的亮溫度特性進行可見光和紅外光學成像測量。測控系統(tǒng)需盡最大能力保證返回器實際彈道與標稱彈道存在偏差時的跟蹤測量及關(guān)鍵弧段的遙測遙控,補充建設再入返回跟蹤測量設備[11],確保對返回器工況的監(jiān)視及位置姿態(tài)的確認,并給出落點預報。

返回器第一次再入黑障過程中,再入點位于東非索馬里以東海域上空,黑障飛行段位于索馬里和也門以東,無地面測控資源可用。為了完成對返回器的狀態(tài)監(jiān)視和軌跡測量,測控系統(tǒng)在索馬里以東海域布設1艘測量船[12],利用船上雷達設備對返回器第一次再入全過程進行反射式跟蹤測量。測量船上同時載有USB設備和光學設備,其中USB設備配有小口徑引導天線,有利于在返回器入黑障前盡早發(fā)現(xiàn)目標,并為雷達設備提供同船引導。對于測量船船位的選取,需要滿足多個約束條件:首先是入黑障前不小于15 s的遙測跟蹤,確保在入黑障前對返回器狀態(tài)進行確認,并有足夠時間來引導雷達設備可靠跟蹤返回器;其次需要實現(xiàn)過最低點后不小于15 s的外測跟蹤,保證對返回器正常拉起過程的測量;再有就是考慮到返回器再入速度快、動態(tài)的特性,測量船最高工作仰角應盡量不超過40°。綜合上述條件,可以按照文獻[13]的方法確定出測量船的布設區(qū)域。

返回器一次出黑障后,將進入自由飛行段,由于返回器的氣動模型不能準確建模,造成的散布范圍無法準確估計,僅僅依靠理論彈道引導無法確保地面測控設備的捕獲跟蹤。為了能夠確保捕獲目標,測控系統(tǒng)選擇在巴基斯坦卡拉奇和西藏阿里按照標稱彈道沿跡分別布設了寬波束引導設備和車載多波束設備?？ɡ鎸挷ㄊ龑гO備的捕獲范圍達到了18°,車載多波束設備的捕獲范圍達到了20°,均能夠覆蓋返回器正常彈道偏差下的散布范圍。兩套設備互為備份提高捕獲概率,盡可能減小出黑障后散布誤差的影響,增加可靠性,并為后續(xù)測控設備提供引導信息。

返回器二次入黑障直至開傘,將由布設在新疆、青海、內(nèi)蒙等地的多套雷達進行搭接測量,確保對返回器的可靠跟蹤,并準確給出返回器的落點預報。

4 嫦娥五號任務實施效果

4.1 軌返分離前

軌返組合體第五次中途修正后,測控系統(tǒng)和探測器系統(tǒng)對修正效果共同進行了評估,滿足取消第六次中途修正的條件,因此第六次中途修正不再實施,第五次中途修正至軌返分離前長約16 h的數(shù)據(jù)均可用于事后精密軌道的確定。在此情況下,不需要三站接力測量即可滿足軌返分離點測定軌預報精度需求。境外測控站在軌返分離前按照本文2.2節(jié)的校時策略在跟蹤過程中開展了校時。12月17日1時13分,軌返正常分離,返回器轉(zhuǎn)單艙滑行。

4.2 軌返分離后

軌返分離初期,納米比亞站18 m測控設備負責對返回器的測控工作。12月17日01時33分,返回器在測量船跟蹤弧段內(nèi)一次再入,測量船成功監(jiān)視到了返回器配平攻角建立及一次再入飛行過程,并獲取了光學圖像,如圖4所示。

圖4 遠望三號船光學設備獲取的中波紅外圖像Fig.4 Medium wave infrared image obtained by optical equipment of the Yuanwang-3 TT&C ship

返回器一次出黑障前后,進入卡拉奇寬波束引導設備的跟蹤弧段,因設備捕獲初期受到黑障影響,影響了設備的跟蹤狀態(tài)。隨后,阿里車載多波束設備正常完成返回器捕獲,獲取了返回器遙外測數(shù)據(jù),并按計劃發(fā)送了返回器回放啟動及安全數(shù)據(jù)記錄器故障處理使能指令。

后續(xù)各雷達設備、USB設備開展了接續(xù)測量,確保了二次再入段至返回器開傘的全程覆蓋,光學設備成功獲取了圖像數(shù)據(jù)。

4.3 落點預報

本次任務中,測控系統(tǒng)共進行了6次落點預報,以引導著陸場進行回收,6次落點預報的時機依次為軌返分離前40 min、120 km一次再入、80 km二次再入前、55 km二次出黑障、10 km開傘點以及返回器著陸后。6次落點預報結(jié)果與實際落點比較情況如表3所示。

表3 6次落點預報結(jié)果與實際落點比較Table 3 Comparison of the 6 predicted points and actual landing points

從預報結(jié)果看,預報精度達到了1 km量級。此外,本次任務新增了地基無源定位系統(tǒng)[14],在返回器著陸前3 s給出了最后一幀定位數(shù)據(jù),定位結(jié)果距實際落點僅相差201 m。

5 結(jié)束語

嫦娥五號是中國“復雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程”[15],其順利實施為探月工程“繞落回”三步走畫下了一個圓滿的句號。在任務的方案設計階段,測控系統(tǒng)針對再入返回段的實際需求,開展了任務需求分析、技術(shù)難點識別、系統(tǒng)方案設計,成功解決了高精度軌返分離點測定軌預報、高精度軌返分離前天地校時、初次再入及二次再入關(guān)鍵任務弧段的跟蹤測控等主要技術(shù)難題,制定了穩(wěn)妥可靠的測控總體方案,建立了中國首個行星際返回再入測控走廊,實現(xiàn)了中國首次地外天體采樣返回任務的近連續(xù)測控支持[16],確保了可靠跟蹤、精確測量,并為返回器的快速回收提供了有力支持,使中國成為世界上第三個具備月球采樣返回能力的國家,并為后續(xù)開展小行星采樣返回、火星采樣返回等任務提供重要技術(shù)參考。