徐海濤 薛長(zhǎng)斌 劉鵬 楊眉 李飛 陳麗平 紀(jì)奕才 張珅毅

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

(3 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

月球正面與背面的地質(zhì)特征存在巨大差異，其成因是月球科學(xué)研究的重大難題之一。著陸區(qū)的高分辨地形地貌探測(cè)，將識(shí)別探測(cè)區(qū)域的各種地質(zhì)構(gòu)造特征，進(jìn)而劃分不同的地質(zhì)構(gòu)造單元[1]。月球背面屏蔽了地球的無(wú)線電干擾、閃電和極光無(wú)線電發(fā)射，被認(rèn)為是開(kāi)展低頻射電天文學(xué)觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)[2]。另外，對(duì)月球表面復(fù)合輻射場(chǎng)劑量率的時(shí)間變化和線性能量傳遞(LET)譜[3]的探測(cè)，為未來(lái)的載人登月輻射防護(hù)提供依據(jù)，并能夠確定月球背面粒子通量及其時(shí)間變化，用于研究和理解粒子在日球?qū)拥募铀俸蛡鬏斶^(guò)程。在以往人類歷史上從未有過(guò)在月球背面進(jìn)行低頻射電就位探測(cè)，盡管月球背面是低頻射電天文學(xué)觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)，但著陸器本身電子設(shè)備工作又帶來(lái)了電磁干擾[4]。

嫦娥四號(hào)是探月四期首戰(zhàn)任務(wù)，在本次任務(wù)中，創(chuàng)新性的使用了短天線進(jìn)行了近場(chǎng)噪聲抵消，并且在月面工作程序中專門設(shè)計(jì)天線展開(kāi)前的噪聲定標(biāo)，大幅度提高了探測(cè)靈敏度。同時(shí)，由于探測(cè)器攜帶的核源給月球表面輻射場(chǎng)劑量率測(cè)量帶來(lái)了誤差，在月面工作程序中專門設(shè)計(jì)兩器分離前核源劑量測(cè)試和巡視器在月面不同位置進(jìn)行核源劑量測(cè)試，以此計(jì)算巡視器核源在探測(cè)面的等效劑量，也大幅度降低了核源劑量的影響。著陸器探測(cè)任務(wù)配置的降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)、低頻射電頻譜儀和月球中子及輻射劑量探測(cè)儀在探測(cè)器軟著陸前后陸續(xù)開(kāi)機(jī)工作[5]。

本文提出了著陸器載荷月面工作程序與探測(cè)器工作程序交叉設(shè)計(jì)的問(wèn)題，對(duì)有效載荷初態(tài)建立和開(kāi)展就位探測(cè)工作的程序設(shè)計(jì)，以及在軌測(cè)試階段的驗(yàn)證情況進(jìn)行了介紹。

1 著陸器有效載荷的組成和任務(wù)

嫦娥四號(hào)探測(cè)器有效載荷分系統(tǒng)的主要任務(wù)是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。其中著陸器有效載荷分系統(tǒng)的基本配置為北京空間機(jī)電研究所研制的降落相機(jī)、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的地形地貌相機(jī)和中國(guó)科學(xué)院電子所研制的低頻射電頻譜儀。依據(jù)工程總體的國(guó)際合作項(xiàng)目遴選結(jié)果，著陸器還配置有德國(guó)基爾大學(xué)研制的月球中子及輻射劑量探測(cè)儀(見(jiàn)圖1)[6]。

著陸器有效載荷分系統(tǒng)通過(guò)載荷電控箱對(duì)上述載荷進(jìn)行供配電、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、健康維護(hù)和集中管理，使有效載荷分系統(tǒng)集成后簡(jiǎn)化與著陸器平臺(tái)的接口。

嫦娥四號(hào)著陸器平臺(tái)大部分繼承了嫦娥三號(hào)的技術(shù)狀態(tài)，對(duì)有效載荷進(jìn)行了重新配置，其中降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)為完全繼承狀態(tài)，而低頻射電頻譜儀和月球中子及輻射劑量探測(cè)儀為新增載荷，有效載荷分系統(tǒng)為適應(yīng)新載荷狀態(tài)和探測(cè)器接口的繼承狀態(tài)，在嫦娥三號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)載荷電控箱進(jìn)行了適應(yīng)性改造，保證了所有載荷能通過(guò)電控箱匹配與著陸器平臺(tái)接口。

圖1 著陸器有效載荷分系統(tǒng)組成

1)降落相機(jī)的主要探測(cè)任務(wù)

降落相機(jī)安置在著陸器的底部艙內(nèi)，在著陸器降落過(guò)程中，獲取著陸區(qū)域的光學(xué)圖像，用于分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況，圖像可用于巡視器進(jìn)行路徑規(guī)劃，并輔助其他載荷進(jìn)行科學(xué)探測(cè)[7]。

降落相機(jī)主要指標(biāo)包括：成像距離4 m～∞，有效像元數(shù)量1024×1024，視場(chǎng)角45°×45°，系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)≥0.20。

2)地形地貌相機(jī)的主要探測(cè)任務(wù)

地形地貌相機(jī)安裝在著陸器上指向機(jī)構(gòu)頂部，通過(guò)指向機(jī)構(gòu)進(jìn)行方位和俯仰調(diào)整，地形地貌相機(jī)用于獲取著陸區(qū)高分辨率彩色圖像，對(duì)于完成著陸區(qū)地貌和地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，月球地質(zhì)構(gòu)造解析和綜合研究具有重要意義，地形地貌相機(jī)在向人類直觀呈現(xiàn)月球背面的地形地貌方面也有較高的展現(xiàn)能力[8]。

地形地貌相機(jī)主要指標(biāo)包括：成像距離5 m～∞，有效像元數(shù)量2352×1728，視場(chǎng)角22.9°×16.9°，系統(tǒng)MTF≥0.20。

3)低頻射電頻譜儀的主要探測(cè)任務(wù)

低頻射電頻譜儀安裝在著陸器頂板，接收天線A/B/C兩兩垂直，天線A沿著陸器+X方向垂直向上安裝，天線B/C水平安裝。低頻射電頻譜儀的功能是探測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的低頻電場(chǎng)，給出太陽(yáng)爆發(fā)低頻電場(chǎng)的幅度隨頻率變化的特性[9]，并利用月球電離層對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)電場(chǎng)的截止特性研究月球電離層的特性，同時(shí)監(jiān)測(cè)月表低頻輻射電場(chǎng)的特性。

4)月球中子及輻射劑量?jī)x的主要探測(cè)任務(wù)

月球中子及輻射劑量探測(cè)儀(Lunar Lander Neutrons & Dosimetry,LND)安裝在-Y艙內(nèi)，從-Y艙上面開(kāi)口并設(shè)置活動(dòng)蓋板，月晝時(shí)打開(kāi)探測(cè)，月夜時(shí)閉蓋保溫，LND通過(guò)開(kāi)展月表中性粒子和帶電粒子綜合劑量率、LET譜、粒子輻射構(gòu)成及能譜監(jiān)測(cè)，全面測(cè)量月表綜合粒子輻射及其動(dòng)態(tài)變化，為準(zhǔn)確評(píng)估月表輻射危害，服務(wù)于未來(lái)人類登月活動(dòng)安全保障提供必要的支持。同時(shí)，為開(kāi)展日球?qū)涌茖W(xué)相關(guān)研究做出貢獻(xiàn)。

LND主要指標(biāo)包括：快中子能譜2～20 MeV，熱中子通量10～104個(gè)/分鐘，質(zhì)子能譜7～30 MeV，電子能譜60～500 keV，α粒子能譜7～20 MeV/n，重離子能譜10～100 MeV/n，LET譜范圍0.1～430 keV/μm。

2 月面工作程序設(shè)計(jì)

著陸器有效載荷分系統(tǒng)月面工作程序從主減速段開(kāi)始，執(zhí)行到月夜休眠，其中第一月晝?nèi)枯d荷完成開(kāi)機(jī)和探測(cè)任務(wù)。從第二月晝開(kāi)始，僅低頻射電頻譜儀和月球中子輻射劑量?jī)x開(kāi)機(jī)工作，其他載荷不再開(kāi)機(jī)工作。電控箱作為載荷工作的支撐設(shè)備，同時(shí)作為平臺(tái)數(shù)管1553B總線重要數(shù)據(jù)備份終端，全程開(kāi)機(jī)工作。

著陸器有效載荷月面工作程序設(shè)計(jì)如圖2所示，其中圓圈表示探測(cè)器動(dòng)作，方框表示與有效載荷相關(guān)的動(dòng)作。后續(xù)每個(gè)月晝重復(fù)休眠和喚醒，及中間的探測(cè)動(dòng)作。

圖2 著陸器有效載荷月面工作程序設(shè)計(jì)

1)降落相機(jī)工作程序設(shè)計(jì)

著陸器降落相機(jī)程序設(shè)計(jì)為：在主減速段開(kāi)機(jī)工作，以10幀/秒的幀頻對(duì)下降過(guò)程動(dòng)態(tài)成像，主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、緩速下降段，直到成功落月后關(guān)機(jī)。

與嫦娥三號(hào)不同，采用中繼通訊的嫦娥四號(hào)探測(cè)器數(shù)據(jù)傳輸碼率明顯下降，為適應(yīng)新的平臺(tái)條件，保證在動(dòng)力下降過(guò)程中仍然能夠傳輸直觀畫面到地面，降落相機(jī)做了適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)，即在原有8∶1壓縮比的基礎(chǔ)上，增加64∶1的高壓縮比圖像抽幀功能，將圖像每10幀抽取一張高壓縮比圖像進(jìn)入實(shí)時(shí)下傳信道，保證地面每隔6～7 s可以收到一張實(shí)時(shí)回傳的降落畫面，同時(shí)將原始圖像存入平臺(tái)存儲(chǔ)器，待落月后回放傳輸?shù)降孛妗?/p>

2)地形地貌相機(jī)工作程序設(shè)計(jì)

同樣考慮中繼鏈路的碼速率，地形地貌相機(jī)每幅靜態(tài)圖像傳回需要1 min以上，動(dòng)態(tài)圖像每拍攝1 min需要傳輸3 min以上。因此，地形地貌相機(jī)在確保完成既定任務(wù)的前提下，需要對(duì)拍照流程設(shè)計(jì)進(jìn)行縮減和優(yōu)化，以提高信道利用率。

地形地貌相機(jī)落月后首先對(duì)低頻射電頻譜儀天線展開(kāi)動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)態(tài)攝像和展開(kāi)狀態(tài)的靜態(tài)拍照，之后對(duì)巡視器X點(diǎn)到A點(diǎn)駛離過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)攝像，對(duì)巡視器在A→B(B’)→C(C’)→D點(diǎn)靜態(tài)拍照，期間根據(jù)信道空閑情況對(duì)巡視器預(yù)定停留點(diǎn)間移動(dòng)和原地轉(zhuǎn)彎過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)攝像。在完成對(duì)巡視器拍照的基礎(chǔ)上，變換不同俯仰角度，對(duì)著陸區(qū)環(huán)境進(jìn)行至少5圈環(huán)拍，形成360°全景照片。工作期間考慮溫度過(guò)高時(shí)圖像噪點(diǎn)將增加，需監(jiān)視相機(jī)溫度，適時(shí)進(jìn)行關(guān)機(jī)避暑。

3)低頻射電頻譜儀工作程序設(shè)計(jì)

低頻射電頻譜儀使用三根互相垂直的5 m天線進(jìn)行低頻射電探測(cè)，因探測(cè)過(guò)程受著陸器電子設(shè)備發(fā)射的低頻電場(chǎng)干擾影響較大，為此專門設(shè)計(jì)了短天線，對(duì)近場(chǎng)噪聲進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而抵消著陸器本底噪聲。

除此之外，在月面進(jìn)行天線展開(kāi)之前，專門設(shè)計(jì)了5 min低頻三天線模式探測(cè)。由于展開(kāi)前天線處于較短狀態(tài)，僅為500 mm左右，其接收到的噪聲信號(hào)與5 m天線接收的噪聲信號(hào)是成比例關(guān)系，利用這種比例關(guān)系，可以將收攏狀態(tài)接收到的噪聲信號(hào)按比例放大，反相后就可以用來(lái)消除5 m天線展開(kāi)后收到的噪聲。

低頻天線展開(kāi)后，設(shè)計(jì)10 min內(nèi)定標(biāo)模式探測(cè)，確認(rèn)低頻射電頻譜儀接收機(jī)各模擬通道的正常狀態(tài)，之后即可進(jìn)入長(zhǎng)期探測(cè)模式。

4)月球中子及輻射劑量?jī)x工作程序設(shè)計(jì)

在嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器上裝載有放射性同位素?zé)嵩?RHU)和放射性同位素溫差電池(RTG)為兩器提供熱能和電源。RHU/RTG是具有放射性的核源，會(huì)持續(xù)不斷的發(fā)射中子/伽馬(n/γ)射線。盡管RHU/RTG已經(jīng)進(jìn)行了很好的屏蔽，但n/γ射線在物質(zhì)中具有很強(qiáng)的穿透性，因此RHU/RTG會(huì)穿透著陸器的屏蔽結(jié)構(gòu)，入射到月球中子及輻射劑量探測(cè)儀LND探測(cè)面中，引起LND的本底計(jì)數(shù)增加，降低LND的在軌的科學(xué)數(shù)據(jù)精度。

核源的安裝時(shí)機(jī)臨近發(fā)射，在塔架上不具備對(duì)核源本底測(cè)試的時(shí)機(jī)和條件?；谏鲜鲈?，需要在地面對(duì)著陸器核源本底噪聲進(jìn)行摸底。除此之外，月面工作程序設(shè)計(jì)在兩器分離前，LND開(kāi)機(jī)工作，近距離測(cè)量巡視器核源本底噪聲，在兩器完成分離后，巡視器到達(dá)X點(diǎn)，LND再次開(kāi)機(jī)工作，測(cè)量相對(duì)位置變化時(shí)，輻射劑量的變化情況，為后續(xù)LND測(cè)量的兩器本底噪聲扣除提供依據(jù)。

在完成落月初始的本底測(cè)試工作后，月球中子及輻射劑量探測(cè)儀即進(jìn)入長(zhǎng)期探測(cè)模式。

3 任務(wù)驗(yàn)證情況

1)降落相機(jī)任務(wù)驗(yàn)證情況

北京時(shí)間2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器按原計(jì)劃進(jìn)入動(dòng)力下降過(guò)程，降落相機(jī)按設(shè)計(jì)流程開(kāi)機(jī)工作，約10 min后關(guān)機(jī)。降落相機(jī)在軌共拍攝了5441幅完整的有效數(shù)據(jù)，主要完成了主減速段中期、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、緩速下降段和落月后對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)景物的拍照。從圖像中可清晰看出月球輪廓、月表地理特征及月塵被吹起的形態(tài)等。如圖3所示，降落相機(jī)成像清晰、曝光適度，獲取了既定科學(xué)數(shù)據(jù)。

圖3 降落相機(jī)拍照畫面

2)地形地貌相機(jī)任務(wù)驗(yàn)證情況

地形地貌相機(jī)僅在第一月晝工作，期間共拍攝了421幅靜態(tài)圖像，主要包括低頻解鎖、A點(diǎn)兩器互拍、俯仰角0°、-15°、-30°、-45°四個(gè)位置環(huán)拍、B’點(diǎn)試拍、D’點(diǎn)試拍以及D’點(diǎn)正式兩器互拍。此外，地形地貌相機(jī)在軌還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)攝像，主要包括對(duì)低頻天線解鎖展開(kāi)抽樣攝像、監(jiān)視巡視器X點(diǎn)移動(dòng)至A點(diǎn)、A到A’點(diǎn)移動(dòng)攝像以及地形地貌相機(jī)拍攝B’點(diǎn)到D’移動(dòng)過(guò)程。從靜態(tài)圖像中可以清晰看到月球背面的月壤、從環(huán)拍圖像可以看到著陸器周圍的月貌、從兩器互拍圖像可以清晰看到玉兔二號(hào)巡視器，五星紅旗閃耀月背。如圖4所示，地形地貌相機(jī)成像清晰、曝光適度，獲取了既定科學(xué)數(shù)據(jù)。

3)低頻射電頻譜儀任務(wù)驗(yàn)證情況

2019年1月4日，嫦娥四號(hào)低頻射電頻譜儀按設(shè)計(jì)流程加電，隨后在天線收攏狀態(tài)進(jìn)行了3天線工作模式測(cè)試，四通道天線接收到的低頻段和高頻段噪聲信號(hào)分別如圖5所示。從圖5中可以看出，四個(gè)通道接收到的噪聲信號(hào)頻譜分布一致性良好，變化趨勢(shì)較為一致，判定各通道工作狀態(tài)正常。

隨后按圖2設(shè)計(jì)流程，在地面指令控制下低頻射電頻譜儀天線A、B、C在月面展開(kāi)，展開(kāi)長(zhǎng)度約為5 m，展開(kāi)遙測(cè)計(jì)數(shù)分別為432、433以及438，三天線完全展開(kāi)。

圖4 地形地貌相機(jī)拍照的部分畫面

圖5 收攏狀態(tài)三天線模式測(cè)量結(jié)果

圖6～圖8給出了低頻射電頻譜儀天線展開(kāi)后收到的噪聲及噪聲對(duì)消處理結(jié)果。從圖中可以看出采用短天線進(jìn)行對(duì)消降噪后，在100 kHz～40 MHz頻帶噪聲降低約20～30 dB，短天線對(duì)消處理方法有效，為低頻射電頻譜儀在月球背面的長(zhǎng)期有效探測(cè)和數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。

圖6 低頻射電頻譜儀天線A收到的信號(hào)及噪聲處理結(jié)果

圖7 低頻射電頻譜儀天線B收到的信號(hào)及噪聲處理結(jié)果

圖8 低頻射電頻譜儀天線C收到的信號(hào)及噪聲處理結(jié)果

4)月球中子及輻射劑量探測(cè)儀任務(wù)驗(yàn)證情況

LND自2019年1月3日開(kāi)機(jī)后，連續(xù)獲得月表粒子輻射環(huán)境數(shù)據(jù)，包括熱中子、快中子、輻射劑量、LET譜、帶電粒子等信息，如圖9所示。

通過(guò)圖9可以看到LND持續(xù)工作，工作狀態(tài)正常，各待測(cè)物理量的結(jié)果符合預(yù)期，數(shù)據(jù)持續(xù)有效。

可以看出輻射劑量測(cè)量結(jié)果在兩器分離前受到了巡視器RTG核源的影響，測(cè)量結(jié)果中混入了RTG核源的本底貢獻(xiàn)，在巡視器駛離著陸器后，RTG核源的本底影響消失。根據(jù)設(shè)計(jì)的月面程序LND在兩器分立前后分別開(kāi)機(jī)測(cè)試，輻射劑量測(cè)量結(jié)果差為2 μGy/h左右，該值即為巡視器RTG的核源本底，這與地面測(cè)試的結(jié)果基本一致。開(kāi)蓋與閉蓋的劑量測(cè)量結(jié)果基本相同，說(shuō)明-Y艙蓋的屏蔽對(duì)本底的影響可以忽略，這也與月表的粒子輻射主要是高穿透能力的銀河宇宙線的科學(xué)認(rèn)識(shí)相符。

在第一月晝休眠前，隨著2019年1月11日19點(diǎn)28分-Y艙兩相流體回路打開(kāi)，富含氫的流體對(duì)中子有了明顯的吸收作用，導(dǎo)致中性粒子劑量測(cè)量降低了0.3 μGy/h左右。

上述測(cè)量測(cè)量結(jié)果為L(zhǎng)ND在月球背面的長(zhǎng)期有效劑量探測(cè)和數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

嫦娥四號(hào)著陸器有效載荷從動(dòng)力下降段開(kāi)始，按照本文設(shè)計(jì)的工作流程陸續(xù)開(kāi)機(jī)工作，降落相機(jī)和地形地貌相機(jī)完成了大量的拍照任務(wù)，通過(guò)地面數(shù)據(jù)處理，及時(shí)完整地獲取了著陸區(qū)地形地貌圖像數(shù)據(jù)。月球中子及輻射劑量探測(cè)儀和低頻射電頻譜儀通過(guò)月面工作程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理有效降低了本底劑量和噪聲影響，為后續(xù)科學(xué)探測(cè)進(jìn)一步取得豐碩成果奠定基礎(chǔ)。