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。