張玉花，王獻(xiàn)忠，褚英志，朱新波，王 偉，3，?？∑拢?

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；3.上海深空探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109）

0 引言

自1960 年以來(lái)，人類深空探測(cè)活動(dòng)的對(duì)象囊括了太陽(yáng)系所有類型的天體。探測(cè)形式也從前期以飛越為主，到繞、落、巡和采樣回等多樣化發(fā)展。其中，環(huán)繞探測(cè)作為著陸、巡視、采樣回探測(cè)的基礎(chǔ)，在深空探測(cè)中起到舉足輕重的作用?；鹦亲鳛榫嚯x地球最近的類地行星，在國(guó)際上一直是探測(cè)的熱點(diǎn)。

1960 年，美國(guó)和蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)背景下同時(shí)起步，在火星探測(cè)領(lǐng)域展開(kāi)了激烈競(jìng)爭(zhēng)。截至2020 年9 月，人類共開(kāi)展了47 次火星探測(cè)任務(wù)，如圖1 所示。如按時(shí)間來(lái)劃分，火星探測(cè)歷程大致可分為3個(gè)階段：第1 階段（1960—1975 年），共實(shí)施了25 次任務(wù)，主要特征是美、蘇把火星探測(cè)作為競(jìng)技場(chǎng)，掀起了火星探測(cè)的一輪高潮；第2 階段（1976—1990年），隨著美、蘇競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略重點(diǎn)轉(zhuǎn)移，火星探測(cè)進(jìn)入低潮期，僅實(shí)施2 次任務(wù)；第3 階段（20 世紀(jì)90 年代至今），共實(shí)施20 次任務(wù)，以發(fā)展新技術(shù)和獲得科學(xué)上發(fā)現(xiàn)為主要驅(qū)動(dòng)力［1-7］，其中，涉及環(huán)繞探測(cè)的任務(wù)有27 次，約占57%，10 次的探測(cè)形式是通過(guò)一次發(fā)射完成環(huán)繞、著陸任務(wù)。

圖1 火星探測(cè)主要方式Fig.1 Main methods for Mars exploration

2020 年作為最新的火星發(fā)射窗口期，全球有三大火星探測(cè)任務(wù)：中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)任務(wù)、美國(guó)“毅力號(hào)”火星車(chē)2020 探測(cè)任務(wù)（Mars2020）、阿聯(lián)酋“希望號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)［8-12］，概念圖如圖2 所示。

圖2 3 個(gè)國(guó)家的任務(wù)概念圖Fig.2 Mars exploration of three countries

美國(guó)“毅力號(hào)”火星車(chē)（Mars2020）于2020 年7 月30 日發(fā)射，用于進(jìn)一步尋找火星生命跡象，測(cè)試從火星大氣層中產(chǎn)生氧氣的方法，探測(cè)火星地質(zhì)、環(huán)境條件，存儲(chǔ)火星樣本，為未來(lái)樣本返回任務(wù)做準(zhǔn)備［13-16］。阿聯(lián)酋“希望號(hào)”火星任務(wù)是阿聯(lián)酋首個(gè)行星際、火星探測(cè)任務(wù)，由阿聯(lián)酋航天局聯(lián)合美國(guó)航空航天局（NASA）和日本JAXA 等全球航天機(jī)構(gòu)合作的火星軌道器于2020 年7 月20 日發(fā)射，全面探測(cè)火星大氣，研究火星氣候變化、低空天氣變化、沙塵暴預(yù)報(bào)等，繪制火星詳細(xì)地貌和大氣變化情況［17-18］。中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)任務(wù)是中國(guó)首次獨(dú)立自主開(kāi)展的行星探測(cè)，于2020 年7 月23 日由長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭發(fā)射升空，目前正在奔火途中，將一次性完成“繞、著、巡”三項(xiàng)工作，探測(cè)起點(diǎn)高、技術(shù)難度大［19-21］。

本文主要通過(guò)對(duì)我國(guó)首次自主火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”的環(huán)繞器在研制和實(shí)踐過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，梳理未來(lái)深空環(huán)繞探測(cè)的技術(shù)發(fā)展路線，針對(duì)后期的任務(wù)需求提出構(gòu)建深空通用化環(huán)繞平臺(tái)設(shè)想，為我國(guó)深空探測(cè)的繼承性發(fā)展提供參考。

1 環(huán)繞器方案概述

火星探測(cè)器系統(tǒng)整體構(gòu)型如圖3 所示，其由火星環(huán)繞器和著陸巡視器組成。通過(guò)環(huán)繞探測(cè)，實(shí)現(xiàn)火星全球性和綜合性的探測(cè)；通過(guò)巡視探測(cè)，實(shí)現(xiàn)火星表面重點(diǎn)地區(qū)高精度、高分辨的精細(xì)巡視勘查。

圖3 火星探測(cè)器整體構(gòu)型示意圖Fig.3 Overall configuration of Mars probe

火星環(huán)繞器是火星探測(cè)器的重要組成部分，承擔(dān)了攜帶著陸巡視器，完成地火轉(zhuǎn)移段軌道修正、火星制動(dòng)捕獲、環(huán)火段軌道調(diào)整等任務(wù)，進(jìn)入火星停泊軌道后，進(jìn)行落區(qū)的預(yù)探測(cè)和進(jìn)入點(diǎn)位置調(diào)整，擇機(jī)與著陸巡視器分離，提供著陸巡視器進(jìn)入、下降、著陸（Entry，Descent and Landing，EDL）過(guò)程及火星表面探測(cè)過(guò)程的中繼支持服務(wù)。環(huán)繞器進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)進(jìn)入遙感軌道，通過(guò)攜帶的中分辨率相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)等有效載荷開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。為完成上述探測(cè)任務(wù)，環(huán)繞器主要具備8 大功能：結(jié)構(gòu)支撐與連接功能、姿態(tài)軌道測(cè)量與控制功能、測(cè)控?cái)?shù)傳功能、信息管理功能、能源管理功能、熱管理功能、自主管理功能、科學(xué)與工程探測(cè)功能。

環(huán)繞器系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)翼、熱控、制導(dǎo)/導(dǎo)航與控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）、推進(jìn)、綜合電子、測(cè)控?cái)?shù)傳、定向天線、總體電路、電源、工程測(cè)量和有效載荷12 個(gè)分系統(tǒng)組成。環(huán)繞器構(gòu)型設(shè)計(jì)采用“外部六面柱體+中心承力錐筒”的構(gòu)型，如圖4 所示。

圖4 環(huán)繞器收攏狀態(tài)構(gòu)型圖Fig.4 Collapsed state configuration of Mars orbiter

火星環(huán)繞器的飛行過(guò)程如圖5 所示，主要包括：發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段、制動(dòng)捕獲段、軌道調(diào)整與中繼通信段以及科學(xué)任務(wù)段。根據(jù)環(huán)繞器在全過(guò)程飛行中的狀態(tài)可以將環(huán)繞器的工作模式劃分為發(fā)射段模式、巡航飛行模式、中途修正模式、制動(dòng)捕獲模式、軌道調(diào)整模式、火星停泊模式、器器分離模式、中繼通信模式、科學(xué)探測(cè)模式、日凌模式及應(yīng)急模式。

2 技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

作為我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)，火星環(huán)繞器的工程研制面臨諸多難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

2.1 缺乏一手的火星環(huán)境數(shù)據(jù)

雖然通過(guò)載人航天工程、探月工程和其他重大航天工程實(shí)施，積累了一定的地外探測(cè)器研制經(jīng)驗(yàn)，但是目前對(duì)火星空間環(huán)境（引力場(chǎng)、磁場(chǎng)、大氣、地形地貌等）的認(rèn)識(shí)仍然不夠，環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)外探測(cè)結(jié)果，缺乏一手的火星探測(cè)數(shù)據(jù)，需要深入調(diào)研分析火星探測(cè)任務(wù)全過(guò)程環(huán)境要素，開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，確定技術(shù)方案，進(jìn)行必要的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保產(chǎn)品選用和系統(tǒng)繼承的正確性，滿足任務(wù)最大包絡(luò)要求，確保方案可靠、指標(biāo)裕度充足、對(duì)任務(wù)要求全覆蓋。

圖5 火星探測(cè)器飛行過(guò)程示意圖Fig.5 Flight process of Mars probe

2.2 器地距離遙遠(yuǎn)

器地距離遠(yuǎn)帶來(lái)空間損耗高、通信時(shí)延大的問(wèn)題，主要給測(cè)控?cái)?shù)傳和GNC 方案設(shè)計(jì)提出了更高要求。器上需要配置大功率行放和大口徑天線，提高等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP）值，補(bǔ)償遠(yuǎn)距離帶來(lái)的鏈路損耗，滿足器上數(shù)據(jù)對(duì)地傳輸需求；器上需要配置高靈敏度深空應(yīng)答機(jī)，解決最遠(yuǎn)4 億km 的上行遙控指令接收問(wèn)題。此外，由于距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致深空探測(cè)器無(wú)法像地球衛(wèi)星一樣實(shí)現(xiàn)測(cè)控天線的全空間對(duì)地覆蓋，GNC 分系統(tǒng)必須和測(cè)控系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)各種正常、異常模式下的對(duì)地鏈路建立與可靠通信。

2.3 器日距離變化大

器日距離變化大帶來(lái)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度變化范圍大的問(wèn)題，主要對(duì)熱控和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響。整個(gè)探測(cè)任務(wù)期間，探測(cè)器和太陽(yáng)的距離在1.0～1.5 AU 之間變化，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度相應(yīng)在約1 367～589 W/m2之間變化。導(dǎo)致近地空間時(shí)，太陽(yáng)電池陣功率能力高，近火空間時(shí)大幅降低，需要考慮電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱管理等問(wèn)題。此外，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的大范圍變化，也需要考慮整器的熱控制與管理方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 通信鏈路中斷時(shí)間長(zhǎng)

通信鏈路中斷時(shí)間長(zhǎng)將帶來(lái)長(zhǎng)期無(wú)地面測(cè)控支持的在軌自主運(yùn)行問(wèn)題，主要對(duì)環(huán)繞器自主管理與控制技術(shù)水平提出了新的挑戰(zhàn)。由于地球自轉(zhuǎn)和天體遮擋等原因，導(dǎo)致器地通信鏈路中斷時(shí)間較長(zhǎng)。日凌期間，環(huán)繞器需要自主在軌運(yùn)行數(shù)十天。環(huán)繞器需要解決能源管理、姿態(tài)管理和進(jìn)出日凌的通信管理等幾個(gè)方面的問(wèn)題，確保環(huán)繞器無(wú)人照料期間的安全。

2.5 制動(dòng)捕獲機(jī)會(huì)唯一

由于火星捕獲窗口的唯一性，捕獲的成敗決定了火星探測(cè)任務(wù)的成敗。但是，由于捕獲時(shí)器地距離遠(yuǎn)，地面無(wú)線電測(cè)定軌精度低，并且無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控制動(dòng)過(guò)程，全靠器上自主執(zhí)行捕獲策略。同時(shí)，受限于運(yùn)載發(fā)射能力，探測(cè)器攜帶推進(jìn)劑有限，必須精確判斷并控制開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)機(jī)和時(shí)間。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)火星制動(dòng)捕獲，形成環(huán)繞軌道技術(shù)難度很大。需要制定自主管理策略，優(yōu)化制動(dòng)捕獲控制參數(shù)，開(kāi)展充分的仿真與半物理試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，制動(dòng)過(guò)程中，器上需要具備自主二次點(diǎn)火能力，應(yīng)對(duì)器上突發(fā)故障，確?；鹦遣东@安全可靠。

2.6 器器分離升軌難度高

器器分離階段，環(huán)繞器需要在缺乏地面測(cè)控支持的情況下，自主完成三次大幅度姿態(tài)調(diào)整和兩次軌道機(jī)動(dòng)，過(guò)程十分復(fù)雜。為了建立著陸巡視器要求的高精度進(jìn)入條件，環(huán)繞器需要降軌至撞擊軌道，若升軌異常，則存在墜毀在火星大氣層的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在著陸巡視器分離后，環(huán)繞器需要建立器器-器地實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的中繼通信鏈路，獲取著陸巡視器進(jìn)入火星過(guò)程的工程數(shù)據(jù)，這對(duì)環(huán)繞器控制能力、通信能力都提出了很高的要求。

3 火星環(huán)繞器研制情況

3.1 研制歷程

2016 年，我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)正式批復(fù)立項(xiàng)，基于前期工作同步完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，并轉(zhuǎn)入初樣研制階段。

在初樣階段，火星環(huán)繞器根據(jù)識(shí)別出的火星在軌低溫條件，完成了艙外單機(jī)/組件級(jí)的低溫儲(chǔ)存、冷熱交變?cè)囼?yàn)；針對(duì)3 000 N 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、器器分離沖擊，完成了太陽(yáng)翼、定向天線展開(kāi)狀態(tài)下的沖擊分析及薄弱組件的靜力驗(yàn)證試驗(yàn)；針對(duì)長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)環(huán)境，完成了蓄電池、推進(jìn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)試驗(yàn)。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)繞器方案設(shè)計(jì)滿足各項(xiàng)環(huán)境約束，并有一定的裕度。此外，環(huán)繞器還完成了測(cè)控對(duì)接試驗(yàn)、與運(yùn)載火箭的器箭分離試驗(yàn)、與應(yīng)用系統(tǒng)的對(duì)接試驗(yàn)、與發(fā)射場(chǎng)的合練等，驗(yàn)證了與四大系統(tǒng)之間的接口匹配性和工作協(xié)調(diào)性。

2018 年，火星環(huán)繞器按照研制技術(shù)流程完成初樣工作，轉(zhuǎn)入正樣研制階段。在正樣研制過(guò)程中，各分系統(tǒng)完成了產(chǎn)品研制和試驗(yàn)、復(fù)查及設(shè)計(jì)復(fù)核；整器完成了總裝、電性能綜合測(cè)試、電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)；完成了與地面測(cè)控、地面應(yīng)用、運(yùn)載火箭系統(tǒng)的對(duì)接試驗(yàn)，完成了與測(cè)控、地面應(yīng)用系統(tǒng)的全任務(wù)1∶1 聯(lián)試，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)射狀態(tài)下的匹配性。2020 年7 月23 日在文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射成功，目前在軌運(yùn)行狀態(tài)良好。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)突破情況

結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)和工程實(shí)際，環(huán)繞器重點(diǎn)突破了6 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 大承載輕量化復(fù)雜構(gòu)型技術(shù)

火星探測(cè)器總質(zhì)量約為5 000 kg，環(huán)繞器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨結(jié)構(gòu)質(zhì)量有限、本體包絡(luò)尺寸大、運(yùn)載條件苛刻、承載單機(jī)設(shè)備多且復(fù)雜等多重約束，需通過(guò)點(diǎn)式連接承載著陸巡視器載荷，具備攜帶近50%探測(cè)器質(zhì)量推進(jìn)劑載荷的能力，同時(shí)要兼顧大口徑可展開(kāi)驅(qū)動(dòng)固面天線的布局安裝需求。

為滿足著陸巡視器、太陽(yáng)翼、定向天線、高分相機(jī)、推進(jìn)貯箱等大部件的安裝與承載，結(jié)構(gòu)構(gòu)型采取中心承力筒錐筒+六面柱體的構(gòu)型（如圖6 所示），簡(jiǎn)化了傳力路徑；通過(guò)大容積并聯(lián)式貯箱布局，有效降低了整器質(zhì)心和與著陸巡視器界面響應(yīng)；通過(guò)非承力部位減重化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器結(jié)構(gòu)構(gòu)型的輕量化。靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)繞器結(jié)構(gòu)承載達(dá)到設(shè)計(jì)載荷的130%左右，結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比約6%；振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，探測(cè)器橫向基頻、縱向基頻均滿足運(yùn)載要求，且器器安裝面的響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)Fig.6 Design of key components of the structure

3.2.2 火星捕獲與器器分離自主控制技術(shù)

火星環(huán)繞器工作模式復(fù)雜多樣，根據(jù)不同階段任務(wù)需求，火星環(huán)繞器需在對(duì)地、對(duì)日、對(duì)火等模式間進(jìn)行切換；火星捕獲機(jī)會(huì)僅一次，捕獲時(shí)器地距離單向通信延時(shí)超過(guò)10 min，為確保任務(wù)成功，火星環(huán)繞器捕獲制動(dòng)需具備自主控制能力；器器分離需連續(xù)多次姿態(tài)機(jī)動(dòng)和自主變軌，著陸器分離精度對(duì)姿態(tài)、位置測(cè)量及控制精度要求非常高，環(huán)繞器需及時(shí)自主升軌避免撞擊火星。

為了精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)變軌時(shí)點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)，制定時(shí)間與加速度雙關(guān)機(jī)策略，選取合理的最短、最長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)，確?；鹦遣东@安全和器器分離階段精確的速度增量控制。由于捕獲和器器分離期間地面無(wú)法實(shí)時(shí)控制，為了應(yīng)對(duì)器上突發(fā)故障，制定了自主故障診斷與策略切換，捕獲段具備在軌二次點(diǎn)火能力，可基于多數(shù)據(jù)融合的在線診斷及快速重構(gòu)，自主規(guī)劃新的軌控參數(shù)，切換至備份推力器變軌完成變軌任務(wù)。此外，為了滿足調(diào)姿變軌期間的對(duì)地通信、能源獲取、載荷避光等需求，設(shè)計(jì)了多指向約束的姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑自主規(guī)劃方法，在復(fù)雜的機(jī)動(dòng)過(guò)程中滿足不同的約束條件。

3.2.3 火星光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)

在捕獲制動(dòng)階段，器地距離遙遠(yuǎn)，地面導(dǎo)航精度與實(shí)時(shí)性不足。環(huán)繞器需要結(jié)合器上自主導(dǎo)航手段，快速提供高精度軌道數(shù)據(jù)。環(huán)繞器配置了光學(xué)導(dǎo)航敏感器，可實(shí)現(xiàn)器上實(shí)時(shí)軌道測(cè)量。光學(xué)自主導(dǎo)航在捕獲段采用光學(xué)導(dǎo)航敏感器，環(huán)火后采用紅外導(dǎo)航敏感器。光學(xué)導(dǎo)航敏感器的光學(xué)系統(tǒng)在重量約束條件下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用恒星姿態(tài)識(shí)別+硬脈沖校時(shí)確保時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，采用自適應(yīng)邊緣提取及偽邊緣剔除和精細(xì)亞像素定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)圖像處理。近火捕獲前光學(xué)導(dǎo)航敏感器在距離火星100 萬(wàn)km 時(shí)，位置誤差與地面無(wú)線電測(cè)量精度相當(dāng)。

紅外導(dǎo)航敏感器采用可見(jiàn)光譜段和長(zhǎng)波紅外譜段復(fù)合探測(cè)方式，如圖7 所示，通過(guò)對(duì)火星凝視成像，檢測(cè)火星圖像邊緣確定其中心相對(duì)探測(cè)器的視線角度和高度，輔助GNC 分系統(tǒng)完成軌道確定，紅外導(dǎo)航敏感器采用可見(jiàn)光+紅外探測(cè)機(jī)制，通過(guò)基于幾何方法的火星中心像面修正技術(shù)和基于亞像素細(xì)分的橢圓精確擬合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的位置估計(jì)。

圖7 捕獲段光學(xué)與環(huán)繞段紅外自主導(dǎo)航方法示意圖Fig.7 Schematic diagram of optical/infrared autonomous navigation method in capture/surround phase

3.2.4 深空長(zhǎng)期在軌自主管理技術(shù)

火星環(huán)繞器在軌飛行時(shí)間長(zhǎng)，飛行過(guò)程中存在日凌/凌日天文現(xiàn)象，而且飛行距離遙遠(yuǎn)，器地通信時(shí)延很大，制動(dòng)捕獲和器器分離等關(guān)鍵段無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要火星環(huán)繞器在不同的任務(wù)階段實(shí)現(xiàn)自身自主管理，主要包括平臺(tái)常規(guī)自主管理和針對(duì)特定任務(wù)及故障預(yù)案自主管理等兩個(gè)方面。平臺(tái)常規(guī)自主管理，涵蓋自主實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完成自主熱控制、自主能源控制、自主姿態(tài)測(cè)量與確定、自主姿態(tài)機(jī)動(dòng)、自主軌道保持，為探測(cè)器上的單機(jī)營(yíng)造合適的溫度環(huán)境，為科學(xué)載荷工作提供必要的支撐。針對(duì)特定任務(wù)及故障預(yù)案的自主管理，自主實(shí)現(xiàn)既定的科學(xué)探測(cè)任務(wù)，完成科學(xué)數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理與存儲(chǔ)，確?？茖W(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在器地鏈路恢復(fù)時(shí)將日凌期間的探測(cè)數(shù)據(jù)回傳地球，最大限度地確?？茖W(xué)探測(cè)成果的完整性。

通過(guò)研制高度集成的小型化綜合電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)器務(wù)管理、遙測(cè)遙控、熱控管理、配電管理、推進(jìn)控制、機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的一體化，為綜合信息自主管理奠定了硬件基礎(chǔ)。通過(guò)設(shè)計(jì)多系統(tǒng)多模式器上信息綜合處理方法，保證一級(jí)故障任務(wù)正常執(zhí)行，二級(jí)故障整器安全。通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器在軌無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)下自主運(yùn)行大于30 天的能力。

3.2.5 深空高速測(cè)控?cái)?shù)傳一體技術(shù)

深空探測(cè)器與地球取得聯(lián)系的唯一手段是無(wú)線通信技術(shù)。由于深空探測(cè)的距離遙遠(yuǎn)等特點(diǎn)，使得通信信號(hào)強(qiáng)度損耗大，接收信噪比低，通信時(shí)延巨大，數(shù)據(jù)傳輸速率受限，加上通信終端相對(duì)速度大，多普勒及其變化率大，導(dǎo)致信號(hào)捕獲和跟蹤難度大。目前，國(guó)外深空探測(cè)器普遍采用測(cè)控?cái)?shù)傳一體設(shè)計(jì)方案以減少設(shè)計(jì)的重量、功耗以及簡(jiǎn)化地面接收設(shè)備等?；鹦黔h(huán)繞器配備了多副天線，通過(guò)天線多波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同距離與地球的可靠通信。為了實(shí)現(xiàn)高速測(cè)控?cái)?shù)傳，環(huán)繞器攻克了低信噪比載波捕獲、多碼率遙控上行自適應(yīng)接收、單天線多波束范圍賦形等技術(shù)，測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)具備極低信噪比信號(hào)捕獲接收、多碼率遙控上行自適應(yīng)接收、高精度定軌等能力。

攻關(guān)研制了測(cè)控?cái)?shù)傳一體化的數(shù)字化深空應(yīng)答機(jī)，實(shí)現(xiàn)上行載波跟蹤靈敏度指標(biāo)。通過(guò)窄帶濾波、多通道快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）并行計(jì)算等方法，實(shí)現(xiàn)多檔碼率自適應(yīng)接收，接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍大于90 dB，滿足大范圍空間衰減變化和姿態(tài)、天線指向多變的需求。實(shí)現(xiàn)測(cè)控天線收發(fā)一體化，同一副天線實(shí)現(xiàn)雙波束賦形，近地弧段寬波束全向覆蓋，降低了對(duì)姿態(tài)的要求；遠(yuǎn)地弧段窄波束配合姿態(tài)指向，滿足應(yīng)急通信需求。

3.2.6 多碼率自適應(yīng)中繼通信技術(shù)

環(huán)繞器器間通信分系統(tǒng)采用UHF 頻段和X 頻段雙通道進(jìn)行中繼通信，與著陸巡視器配合完成著陸巡視器遙控指令的前向傳輸和科學(xué)數(shù)據(jù)及遙測(cè)數(shù)據(jù)的返向傳輸。

器間通信分系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著火星探測(cè)器兩器（環(huán)繞器和著陸巡視器）間信息通信，關(guān)系到著陸巡視器探測(cè)任務(wù)的成敗；根據(jù)火星中繼通信實(shí)際情況，在面臨新環(huán)境——火星環(huán)境的情況下，對(duì)環(huán)繞器器間通信分系統(tǒng)提出了高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、高多普勒測(cè)量精度、輕量化小型化設(shè)計(jì)等高要求，實(shí)現(xiàn)UHF 多普勒測(cè)量精度要求，具備高效率載波捕獲與同步跟蹤能力。

4 發(fā)展與展望

4.1 技術(shù)路線

深空探測(cè)能力是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)，繼我國(guó)首次自主火星探測(cè)之后，還將實(shí)施小行星探測(cè)、火星取樣返回、木星系及行星際穿越探測(cè)任務(wù)，環(huán)繞探測(cè)技術(shù)將在深空通信、高精度自主導(dǎo)航、智能化自主管理與高效能動(dòng)力4 個(gè)方面進(jìn)一步提升，為后續(xù)深空探測(cè)器的研制奠定基礎(chǔ)。具體技術(shù)路線如圖8 所示。

圖8 技術(shù)發(fā)展路線圖Fig.8 Technology development roadmap

4.2 深空通用環(huán)繞平臺(tái)

我國(guó)首次自主火星探測(cè)，在研制過(guò)程中突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中大部分是深空探測(cè)任務(wù)的共性問(wèn)題，如遠(yuǎn)距離通信、自主管理、自主導(dǎo)航、制動(dòng)捕獲等。我們充分利用已有的技術(shù)基礎(chǔ)，立足于現(xiàn)有的火星環(huán)繞平臺(tái)，提出深空通用環(huán)繞平臺(tái)構(gòu)想，為我國(guó)后續(xù)深空探測(cè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4.2.1 平臺(tái)模塊化

以火星環(huán)繞器研制過(guò)程中突破的核心關(guān)鍵技術(shù)為支點(diǎn)，采用模塊化思想，形成深空通用環(huán)繞平臺(tái)模塊庫(kù)，如圖9 所示。在充分繼承已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，模塊庫(kù)還可以根據(jù)后續(xù)任務(wù)規(guī)劃以及技術(shù)發(fā)展等動(dòng)態(tài)進(jìn)行模塊增容以及已有模塊的更新升級(jí)，具備針對(duì)未來(lái)探測(cè)任務(wù)，通過(guò)庫(kù)內(nèi)模塊的選配組合從而快速實(shí)現(xiàn)任務(wù)需求的能力。

圖9 深空通用環(huán)繞平臺(tái)模塊庫(kù)示意圖Fig.9 Schematic diagram of general orbiter platform module for deep space

4.2.2 系列化平臺(tái)應(yīng)用

以首次自主火星探測(cè)任務(wù)為契機(jī)，大力發(fā)展深空探測(cè)通用環(huán)繞器平臺(tái)，可應(yīng)用于火星取樣返回任務(wù)、金星環(huán)繞與漂浮探測(cè)任務(wù)、小行星伴飛附著及取樣返回任務(wù)、木星及其衛(wèi)星探測(cè)任務(wù)和太陽(yáng)極軌探測(cè)任務(wù)等多個(gè)任務(wù)的系列化環(huán)繞器。面向后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)，采用通用環(huán)繞平臺(tái)的探測(cè)器構(gòu)型設(shè)想如圖10～圖12 所示。

圖10 火星取樣返回環(huán)繞器示意圖Fig.10 Schematic diagram of Mars sampling return orbiter

圖11 金星探測(cè)器示意圖Fig.11 Schematic diagram of Venus probe

圖12 小行星探測(cè)器示意圖Fig.12 Schematic diagram of asteroid probe

5 結(jié)束語(yǔ)

火星探測(cè)器的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)行星探測(cè)工程全面拉開(kāi)序幕，該任務(wù)將在世界上首次探索火星就一舉實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”3 個(gè)目標(biāo)，使我國(guó)深空探測(cè)能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊(duì)，實(shí)現(xiàn)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越。環(huán)繞器研制過(guò)程中攻關(guān)的大承載輕量化復(fù)雜構(gòu)型、火星捕獲與器器分離自主控制、火星光學(xué)自主導(dǎo)航、長(zhǎng)期在軌自主管理、深空遠(yuǎn)距離測(cè)控通信等關(guān)鍵技術(shù)，將大大推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展。