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        “嫦娥五號(hào)”發(fā)射及入軌段X頻段測(cè)控任務(wù)設(shè)計(jì)

        2022-05-06 12:10:58李海濤陳少伍李宇波
        深空探測(cè)學(xué)報(bào) 2022年2期

        李海濤,程 承,黃 磊,陳少伍,李宇波,強(qiáng) 立,康 凱

        (1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094;2. 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部,江陰 214431;3. 西安衛(wèi)星測(cè)控中心,西安 710043)

        引 言

        探月工程三期“嫦娥五號(hào)”[1]任務(wù)于2020年11月24日凌晨4時(shí)30分發(fā)射升空,經(jīng)過(guò)地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行、動(dòng)力下降、月面采樣、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等階段[2],于2020年12月17日凌晨2時(shí)許返回內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng),圓滿完成了中國(guó)探月工程“繞”“落”“回”三步走目標(biāo)。

        “嫦娥五號(hào)”探測(cè)器由軌道器、上升器、著陸器和返回器組成,其中只有返回器采用S頻段測(cè)控,且僅在返回段使用。前期從火箭發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、月面采樣以及月地轉(zhuǎn)移等階段探測(cè)器均采用X頻段測(cè)控。“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器采用“長(zhǎng)征五號(hào)”(CZ-5)運(yùn)載火箭發(fā)射。發(fā)射及入軌是“嫦娥五號(hào)”任務(wù)成功的第一步。CZ-5運(yùn)載火箭采用窄窗口多軌道發(fā)射方案,共5條彈道[3-4],不同彈道存在一定差異。探測(cè)器采用X頻段測(cè)控,相比S頻段,X頻段具有著增大測(cè)控距離、提高測(cè)量精度、避免無(wú)線電干擾等優(yōu)勢(shì),但它也帶來(lái)了地面天線波束更窄、頻率動(dòng)態(tài)范圍更大、探測(cè)器接收機(jī)帶寬更寬等挑戰(zhàn)[5-7]。尤其在發(fā)射段,對(duì)探測(cè)器測(cè)控提出了更高的要求。因此在發(fā)射段測(cè)控總體設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考慮“嫦娥五號(hào)”發(fā)射段運(yùn)載火箭、探測(cè)器測(cè)控特點(diǎn)和難點(diǎn),科學(xué)合理地設(shè)計(jì),可靠保障發(fā)射及入軌段任務(wù)的實(shí)施。

        1 “嫦娥五號(hào)”發(fā)射段測(cè)控任務(wù)分析

        文昌發(fā)射場(chǎng)具有緯度較低、火箭發(fā)射安全性好和火箭運(yùn)輸便利等優(yōu)勢(shì)[8]。海南靠近中國(guó)最南部,火箭起飛后將很快飛出國(guó)境,地面測(cè)控資源較少,只能以測(cè)量船和中繼衛(wèi)星為主進(jìn)行測(cè)控。為最大程度利用運(yùn)載火箭的發(fā)射能力,“長(zhǎng)征五號(hào)”采用窄窗口多軌道發(fā)射方案,發(fā)射當(dāng)天共50 min發(fā)射窗口,每個(gè)發(fā)射彈道的窗口10 min[4],每個(gè)窗口的彈道均不相同,彈道散布隨時(shí)間增大,給測(cè)控設(shè)備跟蹤和測(cè)量船布設(shè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外,“嫦娥五號(hào)”任務(wù)相比以往“嫦娥”任務(wù)[9],首次在發(fā)射及入軌段全程采用X頻段測(cè)控,天線波束在發(fā)射及入軌段僅為之前采用的S頻段的1/4[10],由火箭高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒動(dòng)態(tài)變化范圍達(dá)到了± 200 kHz,對(duì)發(fā)射及入軌段的測(cè)控快速捕獲提出了更高要求。

        1.1 運(yùn)載火箭測(cè)控要求及難點(diǎn)

        CZ-5運(yùn)載火箭是為滿足中國(guó)航天發(fā)展對(duì)大運(yùn)載能力的迫切需求而研制的新一代大型運(yùn)載火箭,填補(bǔ)了中國(guó)大推力無(wú)毒無(wú)污染液體火箭的空白,使中國(guó)火箭技術(shù)水平和運(yùn)載能力進(jìn)入世界前列,是中國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志[11]?!伴L(zhǎng)征五號(hào)”系列運(yùn)載火箭采用模塊化設(shè)計(jì)方案,其中運(yùn)載火箭總長(zhǎng)約57 m,芯級(jí)采用了5 m直徑箭體結(jié)構(gòu),捆綁4個(gè)3.35 m直徑助推器,起飛重量約880 t,采用兩級(jí)半構(gòu)型,由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和地面發(fā)射支持系統(tǒng)4大系統(tǒng)組成[4]。

        發(fā)射段運(yùn)載火箭采用窄窗口多軌道發(fā)射方案,以節(jié)省探測(cè)器在地月轉(zhuǎn)移過(guò)程中的推進(jìn)新消耗[3],每條發(fā)射彈道其散布會(huì)隨著飛行時(shí)間的增加而逐漸擴(kuò)大,火箭二級(jí)一次關(guān)機(jī)點(diǎn)和器箭分離點(diǎn)的散布如圖1和圖2所示。

        圖1 二級(jí)一次關(guān)機(jī)前后彈道Fig. 1 Trajectory of stage-two turn-off

        圖2 器箭分離前彈道Fig. 2 Trajectory before rocket probe separation

        發(fā)射段火箭測(cè)控主要滿足火箭動(dòng)力飛行期間的地面測(cè)控覆蓋,重點(diǎn)監(jiān)視運(yùn)載火箭飛行狀態(tài)及發(fā)動(dòng)機(jī)工況。動(dòng)力飛行主要包括火箭起飛至二級(jí)一次關(guān)機(jī)點(diǎn)和二級(jí)二次點(diǎn)火至器箭分離。

        由于發(fā)射窗口時(shí)間窄,測(cè)量船機(jī)動(dòng)范圍很小可視為一個(gè)定點(diǎn),在測(cè)量船位選擇時(shí),考慮在固定船位上兼顧圖1和圖2前后5條彈道測(cè)控要求,給出測(cè)量船的可布設(shè)范圍,既能保證在該范圍內(nèi)滿足測(cè)控要求,同時(shí)可布設(shè)范圍不能太小,以保證測(cè)量船在遇到氣象、海況和其它因素影響的情況下,仍能通過(guò)調(diào)整船位完成任務(wù)[12]。

        1.2 探測(cè)器X頻段測(cè)控要求

        “嫦娥五號(hào)”探測(cè)器發(fā)射及入軌段測(cè)控系統(tǒng)需完成探測(cè)器遙測(cè)監(jiān)視、應(yīng)急處置、探測(cè)器初軌確定和器箭分離后阿根廷深空站的首次捕獲跟蹤等重要任務(wù)。深空測(cè)控工作頻段如表1所示。

        表1 深空測(cè)控工作頻段Table 1 TT&C frequency band of deep space exploration

        探測(cè)器X頻段測(cè)控的難點(diǎn)在于頻率域和空間域兩方面的捕獲。頻率上,與S頻段相比,X頻段應(yīng)答機(jī)的捕獲帶寬更寬[13],約為S頻段的4倍,捕獲所需時(shí)間更長(zhǎng),由火箭帶來(lái)的動(dòng)態(tài)多普勒(見(jiàn)圖3)變化更大,動(dòng)態(tài)范圍為

        圖3 測(cè)量船多普勒示意圖Fig. 3 Doppler of TT&C ship

        其中:v為火箭相對(duì)測(cè)量船的徑向飛行速度,飛向測(cè)量船(進(jìn)站)速度為正,飛離測(cè)量船(出站)速度為負(fù);c為光速;f為頻率。

        測(cè)量船布設(shè)在彈道一側(cè),火箭飛向測(cè)量船時(shí)多普勒為正,遠(yuǎn)離測(cè)量船時(shí)多普勒為負(fù)。進(jìn)站時(shí)飛行方向與測(cè)量船視線方向夾角最小,圖3中為40°,到航捷時(shí)夾角為90°,隨后夾角又逐漸減小,出站時(shí)最小。

        探測(cè)器為飛離地球到達(dá)月球,其器箭分離時(shí)速度需接近第二宇宙速度(11.2 km/s),預(yù)計(jì)進(jìn)站時(shí)速度約10 km/s,徑向飛行速度10 × cosθ≈ 7 km/s。發(fā)射段探測(cè)器的跟蹤由測(cè)量船的X頻段測(cè)控設(shè)備完成,最高發(fā)射頻率f= 7 235 MHz,因此按照式(1),進(jìn)站時(shí)多普勒頻率168.8 kHz。出站時(shí)預(yù)計(jì)速度約11 km/s,徑向飛行速度11 × cosθ≈ 7.7 km/s(夾角仍按40°),其出站時(shí)多普勒頻率f= -185.7kHz,因此最大多普勒動(dòng)態(tài)范圍約± 200 kHz。

        發(fā)射段每條測(cè)量船的測(cè)控弧段只有數(shù)百秒時(shí)間,短時(shí)間內(nèi)需完成探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)、捕獲、跟蹤、狀態(tài)判斷、應(yīng)急指令發(fā)送和外彈道測(cè)量等一系列操作??臻g上,測(cè)控天線3 dB半波束與頻率和天線口徑的關(guān)系[10]

        其中:f為頻率;D為天線直徑。

        由式(2)可知,在相同天線口徑條件下,測(cè)量船X頻段天線3 dB波束寬度僅為S頻段的1/4。阿根廷深空站是入軌段主用測(cè)控站,擁有中國(guó)為探月工程三期新建的35 m口徑深空測(cè)控設(shè)備,與佳木斯、喀什深空測(cè)控設(shè)備組成中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)[14],其口徑比以往探月任務(wù)[15-17]中使用的18 m天線增加了近1倍,其下行信號(hào)接收能力和測(cè)控距離大大增加,但其波束寬度在相同頻段下又只有原來(lái)的1/2,在頻率和天線口徑的雙重影響下,阿根廷深空站35 m天線的捕獲跟蹤波束覆蓋范圍是以往探月任務(wù)18 m天線的1/8。此外,由于天線口徑增加,其轉(zhuǎn)動(dòng)速度和目標(biāo)搜索能力大幅下降,使得入軌段快速發(fā)現(xiàn)并捕獲目標(biāo)的難度進(jìn)一步增加,因此,如何可靠保障阿根廷深空站對(duì)器箭分離后探測(cè)器的及時(shí)捕獲跟蹤是“嫦娥五號(hào)”任務(wù)的又一難點(diǎn)。

        2 “嫦娥五號(hào)”發(fā)射及入軌段測(cè)控總體設(shè)計(jì)

        2.1 測(cè)量船布設(shè)區(qū)域確定

        測(cè)量船布設(shè)區(qū)域主要受測(cè)控幾何可見(jiàn)性、測(cè)控鏈路、海況等條件約束。發(fā)射段火箭和探測(cè)器距離測(cè)量船較近,測(cè)控鏈路相關(guān)的發(fā)射功率、飛行姿態(tài)等在工程方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)論證,因此可以近似認(rèn)為幾何可見(jiàn)即測(cè)控鏈路滿足要求。海況等約束需根據(jù)任務(wù)實(shí)施時(shí)具體分析,本文主要分析同時(shí)滿足多條彈道幾何可見(jiàn)性的測(cè)量船布設(shè)區(qū)域確定。

        測(cè)量船對(duì)火箭的可見(jiàn)性主要在于仰角,如圖4所示,R表示地球半徑,r表示航天器到地心的距離,S'表示航天器S的星下點(diǎn),仰角E即為從測(cè)量船P觀察航天器S時(shí),觀測(cè)矢量與當(dāng)?shù)睾F矫娴膴A角。在已知測(cè)量船位置、航天器軌道時(shí),可通過(guò)余弦定理計(jì)算測(cè)量船觀測(cè)仰角,即

        圖4 測(cè)量船幾何可見(jiàn)示意圖Fig. 4 Visibility of TT&C ship

        在已知航天器位置和測(cè)量船跟蹤最低仰角時(shí),可以計(jì)算得到海面能夠觀測(cè)到該航天器的范圍為

        圖4中點(diǎn)畫(huà)線確定的區(qū)域就是能夠在某個(gè)固定仰角條件下觀測(cè)到航天器的區(qū)域,該區(qū)域近似為以星下點(diǎn)S'為圓心的一個(gè)圓。

        對(duì)于火箭動(dòng)力段測(cè)控的要求,測(cè)量船需要:①與地面站測(cè)控弧段搭接,同時(shí)覆蓋到二級(jí)一次關(guān)機(jī)點(diǎn);②保證器箭分離后一定的測(cè)控時(shí)間,同時(shí)盡可能多地覆蓋二級(jí)二次點(diǎn)火后的測(cè)控弧段。

        如圖5所示,以其中1條彈道為例,以地面站測(cè)控結(jié)束點(diǎn)和二級(jí)一次關(guān)機(jī)點(diǎn)為基準(zhǔn),分別畫(huà)出滿足覆蓋這兩個(gè)點(diǎn)的海面可用區(qū)域(以5°仰角為例),兩個(gè)區(qū)域的交集就是測(cè)量船可布設(shè)的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi),對(duì)于地面測(cè)控結(jié)束至二級(jí)一次關(guān)機(jī)之間的任意一點(diǎn),其距離更小,仰角更高,因此測(cè)量船可以完成這兩點(diǎn)之前全部弧段的覆蓋。同理,如圖6所示,確定器箭分離后測(cè)控覆蓋結(jié)束點(diǎn)和二級(jí)二次主動(dòng)段測(cè)控開(kāi)始點(diǎn),可以確定測(cè)量船的布設(shè)區(qū)域。

        圖5 首條測(cè)量船彈道1區(qū)域Fig. 5 First ship range of one trajectory

        圖6 第二條測(cè)量船彈道1區(qū)域Fig. 6 First ship range of one trajectory

        對(duì)于全部5條彈道,每條彈道都有上述區(qū)域,將5條彈道的區(qū)域取交集,就是發(fā)射日當(dāng)天的測(cè)量船適用于5條彈道的區(qū)域,如圖7和圖8所示。測(cè)量船在這些區(qū)域的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮領(lǐng)海、經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)、氣象、水文、測(cè)控最高仰角等因素,根據(jù)具體情況確定具體船位,完成對(duì)火箭和探測(cè)器的測(cè)控。

        圖7 首條測(cè)量船5條彈道區(qū)域Fig. 7 First ship range of 5 trajectory

        圖8 第二條測(cè)量船5條彈道區(qū)域Fig. 8 Second ship range of 5 trajectories

        2.2 發(fā)射段測(cè)量船快速捕獲

        發(fā)射段測(cè)量船快速捕獲的核心需求就是快速穩(wěn)定可靠地捕獲,應(yīng)答機(jī)的雙向捕獲包括發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、掃描、隨掃和回零等步驟。傳統(tǒng)S頻段應(yīng)答機(jī)的掃描范圍± 115 kHz,掃描速率15 kHz/s[18-19],掃描一個(gè)周期的時(shí)間為115 kHz × 4/15 kHz/s = 30.7 s,即約30 s完成雙捕[20]。而X頻段應(yīng)答機(jī)的掃描范圍增大4倍到 ± 460 kHz,傳統(tǒng)方法下掃描一個(gè)周期的時(shí)間為460 kHz × 4/15 kHz/s =122.7 s?!版隙鹞逄?hào)”任務(wù)中,測(cè)量船一個(gè)測(cè)控弧段僅5 min左右,若雙捕就需要2 min,一旦出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致捕獲丟失,那么測(cè)量船很可能沒(méi)有足夠的時(shí)間完成第二次雙捕和應(yīng)急處置,給工程任務(wù)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。因此必須采取措施縮短雙捕時(shí)間,降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。若能把雙捕時(shí)間控制在1 min內(nèi),對(duì)后續(xù)發(fā)令和應(yīng)急處置的風(fēng)險(xiǎn)可控,則能夠可靠保證任務(wù)實(shí)施。

        為了縮短雙捕時(shí)間,有加快掃描速率和減小掃描范圍兩個(gè)途徑。應(yīng)答機(jī)鎖相環(huán)理論跟蹤門(mén)限要求[21]為

        其中:θe表 示鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差;σj表示鎖相環(huán)熱噪聲相位抖動(dòng)。

        其中:Bn為鎖相環(huán)環(huán)路帶寬;為探測(cè)器最大視線方向加速度,有

        其中:a為視線方向加速度;λ表示波長(zhǎng)。

        鎖相環(huán)熱噪聲相位抖動(dòng)為

        其中:S/N0為信噪比。

        綜合式(7)~(10)可知,應(yīng)答機(jī)鎖相環(huán)理論跟蹤門(mén)限要求為

        由式(11)可知,如果Bn過(guò)小,則動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差會(huì)很大,導(dǎo)致失鎖;而如果Bn過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致信噪比S/N0過(guò)低,導(dǎo)致失鎖。在發(fā)射及入軌段,探測(cè)器距離近,信噪比高,理論上應(yīng)答機(jī)可以適應(yīng)更大的掃描速率。經(jīng)過(guò)“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器系統(tǒng)的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,確認(rèn)發(fā)射段在15 kHz/s掃描速率的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步提升至30 kHz/s的速率進(jìn)行掃描。

        在掃描范圍上,CCSDS標(biāo)準(zhǔn)[13]中推薦的掃描范圍主要考慮了探測(cè)器與地面站相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)和應(yīng)答機(jī)接收頻率的不確定性。對(duì)于多普勒效應(yīng),可以根據(jù)理論和實(shí)時(shí)飛行彈道進(jìn)行預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)精度可達(dá)1 kHz/s,因此首先采用了預(yù)置多普勒頻率,以補(bǔ)償火箭飛行動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。假設(shè)探測(cè)器進(jìn)站時(shí)由于飛行方向和速度會(huì)帶來(lái)200 kHz的多普勒效應(yīng),那么測(cè)量船將上行頻率設(shè)置為-200 kHz附近的某個(gè)值,以抵消多普勒效應(yīng),使其靠近所要的頻率,大幅減小掃描范圍。對(duì)于應(yīng)答機(jī)接收頻率不確定性,CCSDS標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到 ± 200 kHz。為快速捕獲,任務(wù)中采用 ±100 kHz的帶寬掃描,因此整個(gè)雙捕時(shí)間小于200 kHz ×4/15 kHz/s = 53.3 s,滿足任務(wù)要求,若采用30 kHz/s速率進(jìn)行掃描,則可以將雙捕時(shí)間降低到30 s之內(nèi)。

        2.3 器箭分離后地面站首次捕獲

        “嫦娥五號(hào)”探測(cè)器在器箭分離后有一系列重要?jiǎng)幼餍枰诎⒏⑸羁照净《蝺?nèi)完成。阿根廷深空站是器箭分離后首個(gè)地面站,其順利發(fā)現(xiàn)并捕獲探測(cè)器,對(duì)探測(cè)器狀態(tài)監(jiān)視、應(yīng)急處置起到至關(guān)重要的作用。阿根廷深空站35 m天線口徑大、波束窄、轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢,而探測(cè)器在阿根廷深空站弧段內(nèi)距離較近、飛行速度快,在國(guó)際上也沒(méi)有如此大口徑的天線負(fù)責(zé)入軌段測(cè)控。

        發(fā)射“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器在器箭分離后進(jìn)入阿根廷深空站弧段時(shí)距離約4 000 km。根據(jù)式(2),阿根廷深空站35 m天線X頻段半功率波束寬度約0.07°,在4 000 km的距離上,波束覆蓋是一個(gè)直徑約5 km的圓。而火箭實(shí)際入軌與理論彈道的偏差最大可能達(dá)到百千米量級(jí),利用阿根廷深空站完成掃描捕獲,如圖9所示。

        圖9 阿根廷深空站快速掃描捕獲示意圖Fig. 9 Fast sweep capture of Argentina deepspace station

        火箭入軌精度與理論彈道偏差按照150 km考慮(誤差圓),35m天線波束在此距離上覆蓋直徑約5 km的空域,天線最大轉(zhuǎn)動(dòng)速率0.8°/s,按此計(jì)算,將誤差圓掃描一遍的時(shí)間約320 s。而在這個(gè)時(shí)間內(nèi),探測(cè)器相對(duì)于35 m深空天線的位置變化已經(jīng)超過(guò)數(shù)百千米,方位俯仰角的變化均超過(guò)20°,早已飛出天線掃描范圍,對(duì)捕獲存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

        針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn),也可以考慮在阿根廷深空站西部智利附近海域再布設(shè)一條測(cè)量船,輔助35 m天線捕獲。但測(cè)量船從中國(guó)開(kāi)赴智利附近海域航程長(zhǎng)達(dá)數(shù)千千米,往返需要數(shù)10 d,對(duì)人力、物力消耗很大。如果將原本用于運(yùn)載火箭測(cè)控的測(cè)量船布設(shè)到阿根廷深空站西部,則會(huì)損失運(yùn)載火箭的測(cè)控弧段,導(dǎo)致無(wú)法接收火箭二級(jí)一次關(guān)機(jī)的高速遙測(cè)數(shù)據(jù)。

        庫(kù)魯站15 m S/X雙頻段測(cè)控設(shè)備是歐洲航天局(European Space Agency,ESA)法屬圭亞那的庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)附近的測(cè)控設(shè)備[22],對(duì)器箭分離后“嫦娥五號(hào)”的測(cè)控弧段與阿根廷深空站大部分重疊,它支持ESA發(fā)射及早期入軌段的任務(wù)和運(yùn)行段任務(wù),具備X和S雙頻段測(cè)控能力,X頻段3 dB波束寬度0.19°,天線轉(zhuǎn)動(dòng)速率方位15°/s、俯仰5°/s,X頻段發(fā)射功率82.8 dBw、G/T值37.5 dB/K。庫(kù)魯站15 m天線上還配備了一個(gè)口徑1.3 m的引導(dǎo)天線,波束寬度2°,是庫(kù)魯15 m X頻段主天線波束的10倍。按照前面的計(jì)算方法,小口徑引導(dǎo)天線在4 000 km距離上覆蓋空域的直徑約150 km,基本覆蓋火箭誤差圓,能夠可靠地為捕獲高速運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器提供引導(dǎo)。

        按照庫(kù)魯站15 m天線的指標(biāo)和上述入軌精度計(jì)算,庫(kù)魯站15 m測(cè)控設(shè)備能夠在10 s之內(nèi)完成捕獲,滿足任務(wù)要求。庫(kù)魯站15 m和阿根廷35 m測(cè)控設(shè)備在快速捕獲能力對(duì)比如表2所示。

        表2 阿根廷35 m與庫(kù)魯15 m快速捕獲能力對(duì)比Table 2 Difference of fast sweep acquisition between Argentina 35 m and Kourou 15 m

        為將任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)降至最低,可靠保證探測(cè)器可靠捕獲,在總體設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)器箭分離后可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了仔細(xì)分析,梳理了理論等待點(diǎn)未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、利用初軌引導(dǎo)仍未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)等情況,同時(shí)充分發(fā)揚(yáng)“協(xié)同攻堅(jiān)、合作共贏”的探月精神,與ESA庫(kù)魯站聯(lián)網(wǎng),利用ESA庫(kù)魯站15 m測(cè)控設(shè)備進(jìn)行備份,在應(yīng)急情況下為探測(cè)器的捕獲跟蹤提供支持。

        圖10給出了器箭分離后首次捕獲策略,根據(jù)不同分支進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析和措施應(yīng)對(duì)。

        圖10 入軌段地面站捕獲流程Fig. 10 Capture process of ground station in early orbit phase

        器箭分離后地面站首次捕獲策略包含:①阿根廷深空站和ESA庫(kù)魯站初始均在理論等待點(diǎn),等待探測(cè)器進(jìn)站;②若理論等待點(diǎn)順利發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則阿根廷深空站按計(jì)劃開(kāi)展后續(xù)工作,ESA庫(kù)魯站進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視;③若理論等待點(diǎn)未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則利用器箭分離后初始軌道作引導(dǎo),進(jìn)行探測(cè)器搜索捕獲;④正常情況下ESA庫(kù)魯站能夠利用初始軌道跟蹤目標(biāo),若庫(kù)魯站無(wú)法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)屬于重大事故,按照應(yīng)急預(yù)案開(kāi)展后續(xù)工作;⑤若利用引導(dǎo)數(shù)據(jù)阿根廷深空站仍無(wú)法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo),則利用ESA庫(kù)魯站對(duì)探測(cè)器進(jìn)行外測(cè),利用積累的外測(cè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行軌道確定,為阿根廷深空站提供引導(dǎo),阿根廷深空站按計(jì)劃開(kāi)展后續(xù)工作;⑥若利用ESA庫(kù)魯站引導(dǎo)數(shù)據(jù)阿根廷深空站仍無(wú)法跟蹤目標(biāo),則后續(xù)工作由ESA庫(kù)魯站開(kāi)展。

        3 工程在軌驗(yàn)證

        在“嫦娥五號(hào)”任務(wù)工程實(shí)踐中,上述總體設(shè)計(jì)方法都起到的相應(yīng)的重要作用。

        船位選擇方面,兩條測(cè)量船提前到達(dá)了菲律賓以東、太平洋東南部預(yù)定海域,完成了相應(yīng)海域的勘察,天氣探測(cè)、相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)備等工作。在海況、氣象等條件允許的情況下,選擇了測(cè)控弧段更長(zhǎng)的船位,超額完成預(yù)定遙測(cè)數(shù)據(jù)接收任務(wù)30 s以上。

        探測(cè)器捕獲方面,根據(jù)理論飛行彈道事先計(jì)算了飛行全過(guò)程的多普勒,實(shí)現(xiàn)可以在彈道任意時(shí)刻準(zhǔn)確預(yù)置多普勒值。實(shí)際飛行過(guò)程中多普勒預(yù)置準(zhǔn)確、無(wú)線電信號(hào)較強(qiáng),掃描捕獲過(guò)程順利實(shí)施,未出現(xiàn)失鎖重捕現(xiàn)象,在探測(cè)器進(jìn)入弧段后快速完成雙向捕獲,比預(yù)計(jì)時(shí)間提前20 s以上,順利完成后續(xù)工作。

        入軌首次捕獲方面,由于運(yùn)載火箭入軌精度非常高,阿根廷深空站和ESA庫(kù)魯站都在第一時(shí)間等待點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了目標(biāo),探測(cè)器器箭分離后的測(cè)控工作由阿根廷深空站完成,ESA庫(kù)魯站作為備份持續(xù)監(jiān)視探測(cè)器狀態(tài),“保駕護(hù)航”直至其第一個(gè)測(cè)控弧段結(jié)束。

        4 結(jié)論與建議

        “嫦娥五號(hào)”任務(wù)已經(jīng)圓滿成功,測(cè)控系統(tǒng)也圓滿完成了包括發(fā)射及入軌段在內(nèi)的各項(xiàng)任務(wù),任務(wù)總體設(shè)計(jì)在準(zhǔn)備及實(shí)施過(guò)程中起到了重要作用,為X頻段發(fā)射及入軌段測(cè)控積累了重要經(jīng)驗(yàn),為將來(lái)更高頻段測(cè)控打下了基礎(chǔ)。未來(lái)發(fā)射段測(cè)控總體設(shè)計(jì)中,要著重針對(duì)船位布設(shè)、測(cè)量船快速捕獲和入軌后首次捕獲開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì),必要時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,采取有針對(duì)性預(yù)防措施,將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。就本次任務(wù)發(fā)射和入軌段測(cè)控而言,能夠得到的經(jīng)驗(yàn)和建議如下。

        1)在發(fā)射段多窗口設(shè)計(jì)中,從運(yùn)載火箭的角度來(lái)說(shuō),不同理論彈道的特征點(diǎn)(二級(jí)一次關(guān)機(jī)、二級(jí)二次點(diǎn)火、器箭分離等)應(yīng)盡量靠近,使得測(cè)量船能夠同時(shí)兼顧多條彈道的測(cè)控;從測(cè)控系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō),建議未來(lái)考慮采用機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)的測(cè)控設(shè)備,如測(cè)控飛機(jī),能夠根據(jù)發(fā)射時(shí)具體彈道及時(shí)選擇的更優(yōu)化的測(cè)控點(diǎn)位,實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)測(cè)控弧段。

        2)深空應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)中,需重視同時(shí)兼顧X頻段(或未來(lái)更高頻段)發(fā)射段高動(dòng)態(tài)、快速捕獲和深空段低動(dòng)態(tài)、低信噪比的情況。應(yīng)答機(jī)需具備發(fā)射段快速捕獲和應(yīng)急指令接收能力,能夠提高適應(yīng)的最大掃描速率(30 kHz/s),減小掃描范圍( ± 200 kHz)。

        3)大口徑天線在入軌段捕獲中能力較弱,對(duì)于首次捕獲存在較大風(fēng)險(xiǎn),建議在阿根廷深空站參照庫(kù)魯15 m設(shè)備的能力,新建類似庫(kù)魯15 m測(cè)控設(shè)備并配備1 m左右的引導(dǎo)天線輔助主天線快速捕獲,完成入軌段快速捕獲的同時(shí)一定程度兼顧未來(lái)探月任務(wù)的多目標(biāo)測(cè)控支持的需求。

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