周昌義，王 赤，李慧軍，孫輝先，江源源，何志平，周 斌，楊建峰，周維佳，胡永富，范開春，徐欣鋒，周 晴，王 雷，張寶明

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院 上海技術物理研究所，上海 200083；3.中國科學院 電子學研究所，北京 100190；4.中國科學院 西安光學精密機械研究所，西安 710068；5.中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；6.航天科技集團第五〇八研究所，北京 100190；7.航天科工集團第四研究院，武漢 430040）

引 言

“嫦娥五號”（Chang'E-5，CE-5）任務是中國探月工程三步走的收官之作[1]于2011年正式立項，主任務和工程目標為月球樣品采樣返回。在“嫦娥五號”著陸器上分配了18 kg的重量，用于有效科學載荷分系統(tǒng)設備，以實現(xiàn)“嫦娥五號”任務就位探測的科學目標[2]。“嫦娥五號”探測器是中國迄今為止發(fā)射的最復雜的航天器，從發(fā)射到返回要經(jīng)歷11個飛行階段，各階段環(huán)環(huán)相扣，任何一個環(huán)節(jié)的差錯，都將導致任務失敗。

“嫦娥三號”（Chang'E-3，CE-3）和“嫦娥四號”（Chang'E-4，CE-4）的有效載荷分布在著陸器和巡視器上[3-5]攜帶的光學設備和測月雷達等通過巡視器的移動，對移動路徑上的目標進行就位探測，“嫦娥五號”有效載荷全部安裝在著陸器上，著陸器著陸后不能移動，只能通過轉臺、指向轉動機構、多天線電掃描等方式解決探測范圍受限的問題。

探月三期“嫦娥五號”探測器的科學目標為采樣區(qū)就位探測，為有選擇地進行月壤取樣提供依據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與返回樣品的實驗室分析數(shù)據(jù)的聯(lián)系，具體目標包括：①采樣區(qū)月表形貌和地質構造調查；②采樣區(qū)月球淺層內部結構探測；③采樣區(qū)月表物質成分和資源勘察；④月球樣品的分析研究，對月球樣品進行系統(tǒng)的實驗室研究，分析月壤的結構、物理特性、物質組成，對月球成因和演化歷史進行研究。有效載荷除完成采樣區(qū)現(xiàn)場就位探測科學目標外，還需完成月面國旗展示，為月面表取和鉆取采樣工作提供支持等工程任務。有效載荷作為探測器的一個分系統(tǒng)，設計過程中需解決重量體積功耗嚴格限制、發(fā)射和著陸時力學沖擊、奔月過程溫度低、月午環(huán)境溫度高、月面工作時間短、可靠性安全性要求高、各載荷需協(xié)同工作等一系列難題。

本文介紹了“嫦娥五號”探測器有效載荷分系統(tǒng)的科學目標及工程任務、系統(tǒng)組成、主要技術指標和原理設計，通過單機及分系統(tǒng)層面的減重設計、熱設計、集成設計，滿足了任務需求，圓滿完成了任務。

1 有效載荷分系統(tǒng)組成

“嫦娥五號”有效載荷分系統(tǒng)由降落相機、月球礦物光譜分析儀、月壤結構探測儀、全景相機、全景相機轉臺、國旗展示系統(tǒng)、載荷數(shù)據(jù)處理器共7臺套設備組成，按功能可以劃分為科學類載荷及工程支撐類載荷如圖1所示，各載荷任務和主要功能如表1。

圖1 有效載荷分系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of payload subsystem

表1 有效載荷任務和主要功能Table 1 The tasks and the major functions of the payloads

2 有效載荷分系統(tǒng)主要技術指標

2.1 降落相機主要技術指標

降落相機在著陸器動力下降段，獲取著陸區(qū)域光學圖像，用于分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質情況，降落相機主要技術指標為

1）成像距離/m：4～∞

2）有效像元：

模式1：2 352×1 728

模式2：1 024×1 024

3）視場角：

模式1/（°）：59×45

模式2/（°）：27.5×27.5

4）幀頻/fps：1

5）數(shù)據(jù)壓縮比：

模式1∶4倍壓縮

模式2∶8倍壓縮

6）量化值/bit：8

7）平均峰值信噪比/dB：40

8）靜態(tài)傳函：≥0.2

2.2 月球礦物光譜分析儀主要技術指標

月球礦物光譜分析儀在探測器落月后對表取采樣區(qū)域進行就位探測，獲取表取前后的可見和紅外反射光譜，月球礦物光譜分析儀主要技術指標為

1）光譜范圍/nm：480～3 200

2）光譜分辨率/nm：5～25

3）探測距離/m：2～5

4）指向精度/（°）：優(yōu)于0.2

5）視場角/（°）：≥3×3

6）信噪比/dB：

≥40（最大信噪比）

≥30（反照率0.09，太陽高度角45°）

7）量化值/bit：10

2.3 月壤結構探測儀主要技術指標

月壤結構探測儀是一種月壤表面穿透探測雷達，用于獲取鉆取區(qū)域的月壤地質結構，月壤結構探測儀主要技術指標為

1）發(fā)射機脈沖幅度/V：≥10

2）發(fā)射機脈沖半高寬度/ps：≤200

3）發(fā)射機脈沖重復頻率/Hz：≥1 000

4）接收機工作頻帶/MHz：500～4 000

5）接收機輸入動態(tài)范圍/dB：≥80

6）收發(fā)天線中心頻率/MHz：2 000

7）收發(fā)天線工作帶寬/MHz：≥2 000

8）收發(fā)天線駐波系數(shù)：≤2

9）探測深度/m：≥2

10）層析分辨率/cm：優(yōu)于5

2.4 全景相機主要技術指標

全景相機用于獲取月表圖像，提供三維重構所需的視覺信息，能靜態(tài)拍照和動態(tài)攝像，主要技術指標為

1）成像距離/m：0.5～∞

2）有效像元數(shù)量

靜態(tài)拍照：2 352×1 728

動態(tài)攝像：720×576

3）視場角/（°）：24.4（圓視場）

4）幀頻/fps：1～5

5）量化值/bit：10

6）信噪比/dB

≥40（最大信噪比）

≥30（反照率0.09，太陽高度角30°）

7）靜態(tài)傳函：≥0.2

8）視場畸變：優(yōu)于1%

2.5 全景相機轉臺主要技術指標

全景相機轉臺承載兩臺全景相機，能進行俯仰和偏航二維轉動，主要技術指標為

1）承載重量/kg：≥1.35

2）俯仰運動范圍/（°）：?85～+30

3）偏航運動范圍/（°）：?90～+90

4）指向精度/（°）：優(yōu)于1（3σ）

5）轉速/（r?min-1）：≥0.5

2.6 載荷數(shù)據(jù)處理器主要技術指標

載荷數(shù)據(jù)處理器為全景相機、全景相機轉臺、月球礦物光譜分析儀提供二次電源并控制其運行，提供擴展的遙控和遙測資源，為全景相機進行圖像壓縮，緩存載荷數(shù)據(jù)，主要技術指標為

1）擴展遙控指令7路，擴展遙測16路；

2）可對全景相機靜態(tài)圖像進行不壓縮、4倍壓縮、8倍壓縮，動態(tài)圖像進行16倍壓縮；

3）接收全景相機數(shù)據(jù)碼速率/Mbps：40+40；

4）接收月球礦物光譜分析儀數(shù)據(jù)碼速率/Mbps：4；

5）數(shù)據(jù)輸出碼速率/Mbps：8；

6）緩存容量/GB：4；

7）與轉臺、全景相機、月球礦物光譜分析儀通信RS422波特率：115 200；

8）與探測器通信1553B接口碼速率/Mbps：1。

3 有效載荷系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

“嫦娥五號”探測器要面對真空、奔月過程高低溫交替、月面高溫、著陸時月塵、月面1/6 g重力、空間輻射、發(fā)射和著陸時的力學沖擊等環(huán)境。有效載荷分系統(tǒng)各單機采取了相應的應對措施。載荷數(shù)據(jù)處理器對全景相機、全景相機轉臺、月球礦物光譜分析儀進行集中供電、運行管理、圖像壓縮和數(shù)據(jù)處理。

3.1 減重設計

“嫦娥五號”探測器分配給有效載荷分系統(tǒng)的總重量只有18 kg，要用這有限的重量完成分系統(tǒng)任務，必須進行集成減重設計，主要的減重措施包括：

1）由載荷數(shù)據(jù)處理器集中給全景相機、全景相機轉臺、月球礦物光譜分析儀提供二次電源，提供數(shù)據(jù)采集、緩存、處理功能，從系統(tǒng)角度減輕重量；

2）各設備機箱結構使用低密度鎂合金材料，采用薄壁異性結構，盡量減輕重量；

3）緊固件使用鈦合金材料；

4）全景相機接口板采用碳纖維材料；

5）使用大規(guī)模集成電路，減少分立器件的使用，縮小設備體積；

6）分系統(tǒng)與探測器通信使用1553B總線，分系統(tǒng)內部使用RS422通信，減輕電纜重量；

7）分系統(tǒng)內部使用超輕雙絞、屏蔽雙絞和同軸電纜進行連接，減輕電纜重量；

8）使用輕小型化連接器。

3.2 熱設計

探測器在奔月過程中要經(jīng)歷高低溫交替環(huán)境，在月面著陸后要經(jīng)歷月面高溫環(huán)境，為保證有效載荷奔月過程設備完好和落月后正常工作，采取了以下適應性設計措施：

1）降落相機、全景相機、月球礦物光譜分析儀等艙外設備采用聚酰亞胺鍍膜多層材料包敷；

2）為應對奔月過程的低溫環(huán)境，全景相機、降落相機設計了加熱片可對設備進行升溫；

3）全景相機為應對月面高溫，在相機頂部采取了OSR散熱措施，當溫度過高時，將OSR調整到朝向冷空，進行散熱；

4）月球礦物光譜分析儀內部的可見、近紅外、短波紅外和中波紅外紅外探測器設計了半導體制冷器，工作時進行降溫；

5）全景相機轉臺為應對月面高溫，在殼體上涂有熱控白漆，將設備溫度控制在可適應范圍內；

6）通過特殊織物材料、染料選用，設計了寬溫度范圍紡織品面料國旗；

7）通過主裝藥選用，實現(xiàn)了寬溫度范圍壓緊釋放裝置。

3.3 集成設計

圖2是有效載荷分系統(tǒng)框圖，著陸器平臺為有效載荷提供母線電源和指令電源，為1553B總線通信接口。降落相機開機即工作，低壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器綜合電子系統(tǒng)。月壤結構探測儀的科學數(shù)據(jù)量較少，直接通過1553B總線將數(shù)據(jù)發(fā)送至陸器綜合電子系統(tǒng)。全景相機和月球礦物光譜分析儀數(shù)據(jù)量相對較大，由載荷數(shù)據(jù)處理器接收、處理、統(tǒng)一打包緩存后，通過LVDS將緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器綜合電子系統(tǒng)。

圖2 有效載荷分系統(tǒng)框圖Fig.2 Framework of Payload subsystem

3.4 降落相機設計

降落相機主要由光學鏡頭、圖像傳感器及外圍電路、現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、LVDS接口電路、SDRAM、DC/DC等部分組成。圖3是降落相機系統(tǒng)框圖。

圖3 降落相機系統(tǒng)框圖Fig.3 Framework of descending camera

降落相機在著陸器動力下降段開始工作，獲取著陸區(qū)的光學圖像，工作時間不超過30 min。降落相機加電即工作，采用自動曝光控制，不需要其他設備干預，獲取的圖像數(shù)據(jù)直接發(fā)送給著陸器數(shù)管。降落相機使用互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）圖像傳感器，像元數(shù)2 352×1 728。降落相機具有兩種工作模式，兩種工作模式循環(huán)交替。上電首先自動進入工作模式一，工作5 s后，切換為成像模式二，模式二工作1 s后切換回模式一，6 s完成一次循環(huán)。

成像模式一：有效像元數(shù)：2 352×1 728，圖像壓縮比：4∶1，每秒生成一幅圖像。

成像模式二：有效像元數(shù)：1 024×1 024，圖像壓縮比：8∶1，成像模式二是在模式一圖像中間開窗。

模式一和模式二的圖像數(shù)據(jù)分別通過兩路LVDS發(fā)送給著陸器綜合電子系統(tǒng)，模式二的數(shù)據(jù)在著陸時實時下傳至地面，模式一的圖像數(shù)據(jù)量較大，受降落時實時下行信道限制，只能在著陸后下傳至地面。

由FPGA完成圖像采集時序控制、自動曝光算法、圖像壓縮、圖像緩存和圖像數(shù)據(jù)輸出。

3.5 月球礦物光譜分析儀設計

月球礦物光譜分析儀的探測光譜范圍為480～3 200 nm，分為4個譜段進行探測，如表2。

表2 月球礦物光譜分析儀探測譜段Table 2 spectrum range of lunar mineral spectrometer

月球礦物光譜分析儀由二維指向機構、前置光學組件、可見近紅外AOTF（Acusto-Optic Tunable Filter）、短中波紅外AOTF、CMOS探測器、近紅外探測器、短波紅外探測器、中波紅外探測器、AOTF驅動單元、紅外處理單元、電子學主控單元、光學系統(tǒng)、定標板等組成，月球礦物光譜分析儀系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 月球礦物光譜分析儀系統(tǒng)框圖Fig.4 Framework of lunar mineral spectrometer

由FPGA完成RS422通信、超聲電機控制時序、制冷器控制邏輯、AOTF驅動信號控制、可見探測器圖像采集時序、紅外光譜采集時序和采集數(shù)據(jù)的LVDS發(fā)送。

使用聲光可調諧濾波器AOTF進行光譜分光，光譜分辨率5～25 nm，實現(xiàn)480～3 200 nm譜段的光譜選擇。由二維指向機構選定目標，在采樣前后進行精細的光譜探測以及指定譜段的光譜成像，按一定的采樣間隔，獲取可見光譜圖像及全譜段光譜數(shù)據(jù)。

3.6 月壤結構探測儀設計

月壤結構探測儀是一種月壤表面穿透探測雷達，由控制器、發(fā)射機、接收機、電源、掃描及內定標單元、收發(fā)天線陣等組成，圖5是月壤結構探測儀系統(tǒng)組成框圖。月壤結構探測儀設計了12個收發(fā)天線，安裝在著陸器的底部，形成天線陣，每個天線既可以接收也可以發(fā)射，12個天線的位置布局如圖6所示。由FPGA實現(xiàn)1553B通信控制、電掃描及內定標控制、回波采集控制、遙測采集控制等。

圖5 月壤結構探測儀系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Framework of lunar regolith penetrating radar

圖6 月壤結構探測儀天線安裝位置圖Fig.6 Antennas Position of lunar regolith penetrating radar

發(fā)射機輸出皮秒級窄脈沖信號，由開關矩陣選擇發(fā)射天線和接收天線，某天線發(fā)射時，其他11個天線分別接收，輪流工作一遍，共產(chǎn)生132道數(shù)據(jù)，圖7是天線電掃描工作示意圖。通過對132道數(shù)據(jù)的分析處理，可獲得天線陣下方月表淺層內部結構信息。

圖7 天線電掃描示意圖Fig.7 Schematic diagram of antennas electrical scanning

3.7 全景相機設計

全景相機由光學鏡頭、CMOS圖像傳感器及外圍電路、FPGA、LVDS接口電路、RS422接口電路、SDRAM、LDO等部分組成。圖8是全景相機系統(tǒng)組成框圖。由FPGA實現(xiàn)CMOS圖像采集時序、自動曝光控制、RS422通信時序、圖像數(shù)據(jù)緩存與發(fā)送等功能。

圖8 全景相機系統(tǒng)組成框圖Fig.8 Framework of panoramic camera

有效載荷設計了兩臺全景相機，安裝在轉臺上，兩臺相機基線距離270 mm，內扣角3.5°，成像距離0.5 m～∞，靜態(tài)拍照有效像元數(shù)量2 352×1 728，動態(tài)攝像時，可在任意位置開窗口，有效像元數(shù)量720×576。

3.8 全景相機轉臺設計

全景相機轉臺由兩自由度轉臺本體和電子學部分組成，轉臺關節(jié)由步進電機和行星減速器驅動。圖9是全景相機和轉臺組合體示意圖。轉臺運動范圍，俯仰–85～+30°，偏航–90～+90°，發(fā)射時由火工品將兩個活動關節(jié)鎖定，落月后解鎖。轉臺本體內部安裝了初始位置限位開關，用于兩個關節(jié)的零位校準。圖10是轉臺電子學組成框圖。由FPGA實現(xiàn)RS422通信時序、指令解析、步進電機驅動時序、恒流采集與控制、限位邏輯控制等功能。

圖9 全景相機及轉臺組合體Fig.9 Panoramic camera and pan-tilt table

圖10 全景相機轉臺電子學組成框圖Fig.10 Framework of electronics of panoramic camera pan-tilt table

3.9 國旗展示系統(tǒng)設計

國旗展示系統(tǒng)設計了一面300 mm×200 mm的國旗和展開機構，發(fā)射時處于收攏狀態(tài)，由火工品保持鎖緊狀態(tài)，在完成表取任務后火工品起爆展開，實現(xiàn)國旗展示。圖11是收攏狀態(tài)的國旗。

圖11 收攏狀態(tài)的國旗Fig.11 The folded national flag of China

3.10 載荷數(shù)據(jù)處理器設計

載荷數(shù)據(jù)處理器為全景相機、全景相機轉臺、月球礦物光譜分析儀提供二次電源、開關機控制及運行管理，接收全景相機圖像數(shù)據(jù)，并對靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)進行4倍壓縮、8倍壓縮，對動態(tài)攝像圖像數(shù)據(jù)進行16倍壓縮，對月球礦物光譜分析儀的數(shù)據(jù)進行打包緩存，通過LVDS接口發(fā)送科學數(shù)據(jù)和工程參數(shù)，通過1553B接口接收數(shù)據(jù)注入、校時信息，發(fā)送遙測參數(shù)，通過RS422接口與全景相機、全景相機轉臺、月球礦物光譜分析儀進行通信，發(fā)送參數(shù)設置、控制命令，接收工程參數(shù)。載荷數(shù)據(jù)處理器設計了自主運行程序，通過少量的數(shù)據(jù)注入命令，實現(xiàn)全景相機矩形自動掃描拍照，實現(xiàn)月壤結構探測儀、月球礦物光譜分析儀、全景相機、全景相機轉臺自主協(xié)同工作。圖12是載荷數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)框圖。

圖12 載荷數(shù)據(jù)處理器組成框圖Fig.12 Framework of data processor of payloads

4 結束語

“嫦娥五號”探測器于2020年11月24日發(fā)射，12月1日在月面著陸，12月3日從月面起飛，12月17日返回器順利返回地球。期間，有效載荷分系統(tǒng)在軌自主、高效、協(xié)同工作，降落相機共拍攝2 352×1 728分辨率圖像600多張，1 024×1 024分辨率圖像150多張；月球礦物光譜分析儀完成了短波、中波、可見和近紅外全視場光譜探測，三處表取點表取前后全波段光譜探測，石頭目標全波段光譜探測等一系列探測工作；月壤結構探測儀獲取了鉆取區(qū)域次表層地質結構數(shù)據(jù)，為鉆取提供了技術支持；全景相機與全景相機轉臺配合，開展了著陸區(qū)多次環(huán)拍工作，進行了國旗展開動態(tài)成像和靜態(tài)拍照，完成了國旗獨立展示工作，共獲取靜態(tài)圖像700多幅，動態(tài)圖像1 900多幅。

“嫦娥五號”探測器有效載荷分系統(tǒng)按要求完成了全部工作，圓滿完成了“嫦娥五號”在軌探測任務。通過集成設計，有效減輕了分系統(tǒng)的重量，達到了輕小型化集成設計的目標，為后續(xù)深空探測任務奠定了技術基礎。