黃江川 饒 煒 孟林智 黃 昊

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

嫦娥二號(hào)(CE-2)衛(wèi)星是我國(guó)的第二顆月球探測(cè)器,其主要任務(wù)是以繞月探測(cè)工程嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的備份星為基礎(chǔ),根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)后,作為探月工程二期的先導(dǎo)星進(jìn)行飛行試驗(yàn),試驗(yàn)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(cè)[1-2]。

根據(jù)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的任務(wù)特點(diǎn)和研制背景,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是:

1)在滿(mǎn)足探月二期工程技術(shù)驗(yàn)證、載荷性能改善前提下,所采取的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑,盡可能減少嫦娥一號(hào)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(jì)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)前提下,盡可能采用先進(jìn)的成熟技術(shù)或經(jīng)過(guò)預(yù)研的新技術(shù),以提高產(chǎn)品可靠性。

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星新增了技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng),并且對(duì)大系統(tǒng)接口、軌道設(shè)計(jì)、飛行程序、熱控分系統(tǒng)等進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。技術(shù)試驗(yàn)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(hào)衛(wèi)星在注重繼承的基礎(chǔ)上,突破了以下6 個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):

1)軌道設(shè)計(jì);

2)CCD 立體相機(jī)速高比補(bǔ)償;

3)高靈敏度X 頻段深空應(yīng)答機(jī);

4)集成化數(shù)據(jù)處理單元;

5)輕小型化降落相機(jī);

6)推進(jìn)系統(tǒng)高壓氣路及490N 發(fā)動(dòng)機(jī)在軌長(zhǎng)期使用。

2 CE-2 衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

2.1 軌道設(shè)計(jì)

嫦娥衛(wèi)星的軌道分析與近地衛(wèi)星有很大不同,要飛過(guò)380 000km 并實(shí)現(xiàn)月球捕獲,最終成為環(huán)月探測(cè)器,是一個(gè)復(fù)雜三體的分析求解問(wèn)題[2]。而衛(wèi)星進(jìn)入環(huán)月軌道后,由于月球引力場(chǎng)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(jìn)行大量的分析工作。此外,嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)還面臨著地月相對(duì)位置、測(cè)控要求、運(yùn)載火箭發(fā)射條件、燃料攜帶量、月影分布、月食時(shí)機(jī)等一系列條件的限制。因此在軌道設(shè)計(jì)過(guò)程中,需綜合考慮上述各約束條件,并對(duì)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(diǎn),經(jīng)過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì),形成的軌道方案是由長(zhǎng)征-3C 運(yùn)載火箭發(fā)射至近地點(diǎn)高度200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約380 000km 的地月轉(zhuǎn)移軌道,同時(shí)配合運(yùn)載火箭系統(tǒng)先期驗(yàn)證“三級(jí)滑行時(shí)間延長(zhǎng)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(jìn)行2～3 次軌道中途修正,在近月時(shí)衛(wèi)星進(jìn)行制動(dòng),以被月球捕獲,進(jìn)入環(huán)月軌道。然后經(jīng)過(guò)三次減速制動(dòng)和軌道調(diào)整, 變?yōu)?00km/100km 的極月圓軌道。此外,在環(huán)月運(yùn)行期間,衛(wèi)星擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng),進(jìn)入100km/15km 的橢圓軌道,利用1～2 天開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證和二期工程的備選著陸區(qū)的成像試驗(yàn)。

與嫦娥一號(hào)相比,嫦娥二號(hào)在調(diào)相軌道方案、近月捕獲和環(huán)月運(yùn)行軌道(100km/15km)設(shè)計(jì)等各方面均進(jìn)行了調(diào)整。軌道方案變化對(duì)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、各分系統(tǒng)適應(yīng)性方面帶來(lái)全局性影響。100km/100km 工作軌道和100km/15km 試驗(yàn)環(huán)月軌道是我國(guó)探測(cè)器從未實(shí)施過(guò)的軌道,相比嫦娥一號(hào)的200km/200km 軌道,低軌道飛行會(huì)帶來(lái)更大的紅外熱流和月球攝動(dòng)影響,對(duì)軌道預(yù)報(bào)、軌道控制、測(cè)定軌精度提出了更高的要求,也對(duì)星上熱控、制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC),供配電等分系統(tǒng)帶來(lái)影響。組織了全國(guó)范圍內(nèi)的同行專(zhuān)家,多次對(duì)軌道設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核復(fù)審,以確保嫦娥二號(hào)軌道設(shè)計(jì)的正確性。

2.2 CCD 立體相機(jī)速高比補(bǔ)償

高分辨率CCD 立體相機(jī)是實(shí)現(xiàn)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星工程目標(biāo)和科學(xué)目標(biāo)的重要設(shè)備之一,對(duì)工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星CCD 立體相機(jī)采用了時(shí)間延遲積分(TDI)-CCD 作為相機(jī)成像器件,TDI-CCD 的使用對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定度要求較高,需要進(jìn)行速高比補(bǔ)償,同時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的偏航、滾動(dòng)、俯仰等因素都將影響TDI-CCD 相機(jī)的圖像質(zhì)量。

與近地衛(wèi)星相比,月球軌道的測(cè)定軌精度較低,且無(wú)現(xiàn)成精確的月球地形圖, 也無(wú)法利用GPS 定位。經(jīng)過(guò)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(bào)進(jìn)行計(jì)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(jì)輔助計(jì)算”,利用星上激光高度計(jì)的測(cè)距信號(hào),結(jié)合注入的地速數(shù)據(jù),由星上計(jì)算速高比和相機(jī)成像所需的行頻,是100km/15km 試驗(yàn)軌道成像的又一有效措施。這兩個(gè)措施在任務(wù)實(shí)施中需衛(wèi)星、地面測(cè)控和地面應(yīng)用三大系統(tǒng)相互配合。此外,速高比補(bǔ)償方案還需重點(diǎn)解決激光高度計(jì)測(cè)距信號(hào)偽高程數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)的剔除算法以及速高比補(bǔ)償?shù)孛嬖囼?yàn)驗(yàn)證方法等技術(shù),如圖1、圖2 所示。

圖1 CCD 立體相機(jī)地面驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.1 Sketch of ground test validation on CCD tridimensional camera

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

解決速高比補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案工程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)較多,分工界面多,接口復(fù)雜。因此為驗(yàn)證措施的工程可實(shí)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(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)對(duì)接測(cè)試;對(duì)地面驗(yàn)證措施進(jìn)行多方確認(rèn)和專(zhuān)家把關(guān),開(kāi)展地面試驗(yàn)驗(yàn)證;充分利用嫦娥一號(hào)衛(wèi)星軌道飛行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析測(cè)定軌精度對(duì)速高比補(bǔ)償?shù)挠绊?確認(rèn)了措施的合理可行性。

2.3 高靈敏度X 頻段深空應(yīng)答機(jī)

目前國(guó)際上為了解決深空探測(cè)器的通信時(shí)延、深空測(cè)角以及連續(xù)觀測(cè)等問(wèn)題,采取的措施有:探測(cè)器上提高測(cè)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(jìn)的信道編譯碼技術(shù)和信源壓縮技術(shù)、地球站上通過(guò)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(jìn)甚長(zhǎng)基線干涉定位技術(shù)等措施來(lái)克服遠(yuǎn)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(shí)連續(xù)觀測(cè)。

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之一是進(jìn)行X 頻段新型測(cè)控體制、技術(shù)研究與驗(yàn)證,為后續(xù)任務(wù)的開(kāi)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。其中,考慮到以后月球二期工程對(duì)測(cè)控與數(shù)傳通信鏈路的需求,將測(cè)控系統(tǒng)工作頻段提高到X 頻段;考慮到為將來(lái)更遠(yuǎn)的深空探測(cè)進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備和試驗(yàn)驗(yàn)證,提出了高靈敏度測(cè)控技術(shù)試驗(yàn)、新型甚長(zhǎng)基線干涉定位技術(shù)試驗(yàn)的要求。

X 頻段深空應(yīng)答機(jī)的研制涉及設(shè)計(jì)、器件和工藝等一系列難點(diǎn),需重點(diǎn)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(guó)對(duì)于星地X 頻段測(cè)控技術(shù)應(yīng)用的一次探索。針對(duì)這些難點(diǎn),重點(diǎn)對(duì)低信噪比下的載波捕獲數(shù)字處理算法的仿真驗(yàn)證、數(shù)字基帶處理技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列+數(shù)字信號(hào)處理器(FPGA+DSP)系統(tǒng)框架等方面進(jìn)行攻關(guān)和研制。

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星已開(kāi)發(fā)和研制了X 頻段高靈敏度深空應(yīng)答機(jī),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(cè)控體制研究。其中突破了-140dBm 測(cè)控靈敏度、500kHz 高精度測(cè)距、新型單向差分測(cè)距(DO R)測(cè)角等關(guān)鍵技術(shù),產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)超過(guò)地月系測(cè)控需求,將為更遠(yuǎn)距離的深空測(cè)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(hào)衛(wèi)星新增的提供遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)復(fù)接、存儲(chǔ)、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(chǔ)和數(shù)據(jù)復(fù)接等技術(shù)的集成設(shè)計(jì)。

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

數(shù)字解調(diào)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離深空測(cè)控的必備技術(shù),在嫦娥一號(hào)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(shí)現(xiàn),無(wú)法適應(yīng)后續(xù)更遠(yuǎn)深空探測(cè)(如火星探測(cè))任務(wù)的需求;此外,模擬解調(diào)電路復(fù)雜,不利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕小型化。為此,在嫦娥二號(hào)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(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)、譯碼、數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)(C RC)、數(shù)據(jù)復(fù)接、緩存等功能。其技術(shù)難點(diǎn)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(jì)”技術(shù)。針對(duì)這些技術(shù)難點(diǎn),采取以下主要解決措施:

1)開(kāi)展數(shù)字解調(diào)數(shù)學(xué)模型的搭建和優(yōu)化仿真,通過(guò)仿真,確定性能最優(yōu)的實(shí)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(jì)、濾波電路設(shè)計(jì)、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(hù)、印制線路板(PCB)分層設(shè)計(jì)和布局等方面,對(duì)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(jì)。

2.5 輕小型化降落相機(jī)

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

2.6 推進(jìn)系統(tǒng)高壓氣路及490N 發(fā)動(dòng)機(jī)在軌長(zhǎng)期使用

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星任務(wù)要求推進(jìn)分系統(tǒng)工作壽命不少于6 個(gè)月,高于目前我國(guó)雙組元推進(jìn)系統(tǒng)中高壓氣路系統(tǒng)和490N 發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)壽命。

高壓氣路長(zhǎng)期使用的技術(shù)難點(diǎn),在于保證在軌長(zhǎng)期使用環(huán)境下的電磁閥的密封性能和490N 發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。為了解決高壓氣路在軌長(zhǎng)期使用需求,嫦娥二號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行推進(jìn)管路系統(tǒng)局部改進(jìn)。在高壓自鎖閥前增加一個(gè)氣體過(guò)濾器,一方面緩沖高壓氣流對(duì)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(zhǎng)期密封。同時(shí)制定高壓氣路及發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期使用專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)方案,試驗(yàn)過(guò)程中模擬變軌工作過(guò)程,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次啟動(dòng)試驗(yàn),檢驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)在各次啟動(dòng)過(guò)程中的工作性能,并驗(yàn)證系統(tǒng)間隔半年再次啟動(dòng)的能力,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

嫦娥二號(hào)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(duì)“周期短、狀態(tài)雜、任務(wù)新、關(guān)鍵多”的特點(diǎn),總體和分系統(tǒng)著眼于衛(wèi)星所擔(dān)負(fù)的使命,周密策劃,集中攻關(guān),充分開(kāi)展地面驗(yàn)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(guó)執(zhí)行未來(lái)的深空探測(cè)任務(wù)積累較豐富的經(jīng)驗(yàn)。

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[1]葉培建, 張熇, 饒煒.積極應(yīng)對(duì)深空探測(cè)的技術(shù)挑戰(zhàn)[C]//北京:2005年深空探測(cè)學(xué)術(shù)會(huì),2005

[2]國(guó)防科工委, 中國(guó)科學(xué)院, 航天科技集團(tuán)等.我國(guó)月球探測(cè)工程綜合立項(xiàng)論證報(bào)告[R].北京:國(guó)防科工委, 2004

[3]歐陽(yáng)自遠(yuǎn).月球科學(xué)概論[M].北京:宇航出版社,2005