嫦娥二號衛星技術特點分析

黃江川 饒 煒 孟林智 黃 昊

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

嫦娥二號(CE-2)衛星是我國的第二顆月球探測器,其主要任務是以繞月探測工程嫦娥一號衛星的備份星為基礎,根據任務要求進行技術改進后,作為探月工程二期的先導星進行飛行試驗,試驗探月工程二期的部分關鍵技術,以深化月球科學探測[1-2]。

根據嫦娥二號衛星的任務特點和研制背景,系統設計的原則是:

1)在滿足探月二期工程技術驗證、載荷性能改善前提下,所采取的技術實現途徑,盡可能減少嫦娥一號衛星技術狀態的更改。

2)在采用必要的新技術、新設計實現任務目標前提下,盡可能采用先進的成熟技術或經過預研的新技術,以提高產品可靠性。

嫦娥二號衛星新增了技術試驗分系統,并且對大系統接口、軌道設計、飛行程序、熱控分系統等進行了重新設計。技術試驗和有效載荷分系統集中了全部新研制的軟硬件產品。嫦娥二號衛星在注重繼承的基礎上,突破了以下6 個方面的關鍵技術:

1)軌道設計;

2)CCD 立體相機速高比補償;

3)高靈敏度X 頻段深空應答機;

4)集成化數據處理單元;

5)輕小型化降落相機;

6)推進系統高壓氣路及490N 發動機在軌長期使用。

2 CE-2 衛星技術特點

2.1 軌道設計

嫦娥衛星的軌道分析與近地衛星有很大不同,要飛過380 000km 并實現月球捕獲,最終成為環月探測器,是一個復雜三體的分析求解問題[2]。而衛星進入環月軌道后,由于月球引力場的異常復雜性,衛星軌道的變化與地球衛星的情況有很大的不同,需要進行大量的分析工作。此外,嫦娥二號衛星的軌道設計還面臨著地月相對位置、測控要求、運載火箭發射條件、燃料攜帶量、月影分布、月食時機等一系列條件的限制。因此在軌道設計過程中,需綜合考慮上述各約束條件,并對其中的一些不利的結果加以甄別和排除。

根據新的任務要求和月球軌道特點,經過詳細設計,形成的軌道方案是由長征-3C 運載火箭發射至近地點高度200km、遠地點高度約380 000km 的地月轉移軌道,同時配合運載火箭系統先期驗證“三級滑行時間延長和快速裝訂發射諸元技術”。采用的是最小能量的轉移軌道,在轉移軌道期間進行2～3 次軌道中途修正,在近月時衛星進行制動,以被月球捕獲,進入環月軌道。然后經過三次減速制動和軌道調整, 變為100km/100km 的極月圓軌道。此外,在環月運行期間,衛星擇機實施軌道機動,進入100km/15km 的橢圓軌道,利用1～2 天開展技術驗證和二期工程的備選著陸區的成像試驗。

與嫦娥一號相比,嫦娥二號在調相軌道方案、近月捕獲和環月運行軌道(100km/15km)設計等各方面均進行了調整。軌道方案變化對衛星總體設計、各分系統適應性方面帶來全局性影響。100km/100km 工作軌道和100km/15km 試驗環月軌道是我國探測器從未實施過的軌道,相比嫦娥一號的200km/200km 軌道,低軌道飛行會帶來更大的紅外熱流和月球攝動影響,對軌道預報、軌道控制、測定軌精度提出了更高的要求,也對星上熱控、制導、導航與控制(GNC),供配電等分系統帶來影響。組織了全國范圍內的同行專家,多次對軌道設計結果進行復核復審,以確保嫦娥二號軌道設計的正確性。

2.2 CCD 立體相機速高比補償

高分辨率CCD 立體相機是實現嫦娥二號衛星工程目標和科學目標的重要設備之一,對工程目標的實現至關重要。

嫦娥二號衛星CCD 立體相機采用了時間延遲積分(TDI)-CCD 作為相機成像器件,TDI-CCD 的使用對衛星平臺姿態穩定度要求較高,需要進行速高比補償,同時衛星平臺的偏航、滾動、俯仰等因素都將影響TDI-CCD 相機的圖像質量。

與近地衛星相比,月球軌道的測定軌精度較低,且無現成精確的月球地形圖, 也無法利用GPS 定位。經過論證采取了兩種措施:第一種措施是“地面行頻注入”,由地面根據軌道預報進行計算行頻數據,注入至星上執行,是100km/100km 工作軌道成像的有效措施;第二種措施是“激光高度計輔助計算”,利用星上激光高度計的測距信號,結合注入的地速數據,由星上計算速高比和相機成像所需的行頻,是100km/15km 試驗軌道成像的又一有效措施。這兩個措施在任務實施中需衛星、地面測控和地面應用三大系統相互配合。此外,速高比補償方案還需重點解決激光高度計測距信號偽高程數據和無效數據的剔除算法以及速高比補償地面試驗驗證方法等技術,如圖1、圖2 所示。

圖1 CCD 立體相機地面驗證試驗Fig.1 Sketch of ground test validation on CCD tridimensional camera

圖2 CCD 立體相機在軌成像示意圖Fig.2 Sketch of CCD tridimensional camera imaging on orbit

解決速高比補償的設計方案工程實現環節較多,分工界面多,接口復雜。因此為驗證措施的工程可實現性,組織了多次大系統間接口協調,并在大系統聯試中進行專項對接測試;對地面驗證措施進行多方確認和專家把關,開展地面試驗驗證;充分利用嫦娥一號衛星軌道飛行實測數據,分析測定軌精度對速高比補償的影響,確認了措施的合理可行性。

2.3 高靈敏度X 頻段深空應答機

目前國際上為了解決深空探測器的通信時延、深空測角以及連續觀測等問題,采取的措施有:探測器上提高測控設備的接收靈敏度、星地系統提高射頻頻率(采用X 頻段或以上頻段)、采用先進的信道編譯碼技術和信源壓縮技術、地球站上通過加大地球上深空站的天線口徑、降低地面接收系統噪聲溫度、采用先進甚長基線干涉定位技術等措施來克服遠距離的損耗,立足于更廣范圍布設深空網,以克服地球自旋影響,提供全天時連續觀測。

嫦娥二號衛星技術試驗目標之一是進行X 頻段新型測控體制、技術研究與驗證,為后續任務的開展奠定技術基礎。其中,考慮到以后月球二期工程對測控與數傳通信鏈路的需求,將測控系統工作頻段提高到X 頻段;考慮到為將來更遠的深空探測進行技術儲備和試驗驗證,提出了高靈敏度測控技術試驗、新型甚長基線干涉定位技術試驗的要求。

X 頻段深空應答機的研制涉及設計、器件和工藝等一系列難點,需重點解決低信噪比的載波捕獲與跟蹤以及在解調損耗緊張、低信噪比條件下保持較高的靈敏度等關鍵技術,是我國對于星地X 頻段測控技術應用的一次探索。針對這些難點,重點對低信噪比下的載波捕獲數字處理算法的仿真驗證、數字基帶處理技術、現場可編程門陣列+數字信號處理器(FPGA+DSP)系統框架等方面進行攻關和研制。

嫦娥二號衛星已開發和研制了X 頻段高靈敏度深空應答機,如圖3 所示。在地球深空站配合下,共同完成X 頻段新型深空測控體制研究。其中突破了-140dBm 測控靈敏度、500kHz 高精度測距、新型單向差分測距(DO R)測角等關鍵技術,產品技術指標超過地月系測控需求,將為更遠距離的深空測控(如火星)奠定技術基礎。

2.4 集成化數據處理單元

數據處理單元是嫦娥二號衛星新增的提供遙測、遙控、數據復接、存儲、配電等功能的集成小型化電子設備,其關鍵技術主要包括低碼速率數字解調、大容量存儲和數據復接等技術的集成設計。

圖3 X 頻段深空應答機Fig.3 Sketch of X band deep space responder

數字解調是實現遠距離深空測控的必備技術,在嫦娥一號的遙控單元(TC U)上,采用的是地球衛星常用的模擬解調技術,采用模擬解調技術方式較難實現,無法適應后續更遠深空探測(如火星探測)任務的需求;此外,模擬解調電路復雜,不利于實現設備的輕小型化。為此,在嫦娥二號衛星數據處理單元上,首次采用數字解調技術,用FPGA 實現數字解調、譯碼、數據的循環冗余校驗(C RC)、數據復接、緩存等功能。其技術難點主要在于“低碼速率數字解調技術”和“集成化電磁兼容設計”技術。針對這些技術難點,采取以下主要解決措施:

1)開展數字解調數學模型的搭建和優化仿真,通過仿真,確定性能最優的實現數字解調的數學模型。

2)在元器件選用、電路設計、濾波電路設計、瞬態干擾抑制、設備內干擾電路與敏感電路的屏蔽防護、印制線路板(PCB)分層設計和布局等方面,對不必要的電磁能量分別采取限制、轉化或吸收等抑制方法,特別重視相關電磁兼容性(EMC)設計。

2.5 輕小型化降落相機

降落相機是探月二期工程中可選的重要載荷之一,嫦娥二號衛星上將配置降落相機,開展先期試驗驗證。降落相機研制的主要難點,在小型化、低功耗設計,特別是在減小電路板體積的同時,需降低電路功耗,在保證結構強度和光學鏡片相對位置的前提下,減小結構質量。為此,在設計上降落相機采用了焦面組件低功耗輕小型化設計思路,并在保證成像質量的前提下,通過減少鏡片數量,實現光學系統的輕小型化,如圖4 所示。

2.6 推進系統高壓氣路及490N 發動機在軌長期使用

嫦娥二號衛星任務要求推進分系統工作壽命不少于6 個月,高于目前我國雙組元推進系統中高壓氣路系統和490N 發動機的設計壽命。

高壓氣路長期使用的技術難點,在于保證在軌長期使用環境下的電磁閥的密封性能和490N 發動機工作性能。為了解決高壓氣路在軌長期使用需求,嫦娥二號衛星進行推進管路系統局部改進。在高壓自鎖閥前增加一個氣體過濾器,一方面緩沖高壓氣流對高壓自鎖閥的沖擊,另一方面可以保證高壓自鎖閥的潔凈度,從而有效保證其長期密封。同時制定高壓氣路及發動機長期使用專項試驗方案,試驗過程中模擬變軌工作過程,對系統進行多次啟動試驗,檢驗測試系統在各次啟動過程中的工作性能,并驗證系統間隔半年再次啟動的能力,試驗系統如圖5 所示。

圖5 試驗系統示意圖Fig.5 Sketch of test system

3 結束語

嫦娥二號衛星作為探月工程二期的先導星,承上啟下,意義重大。針對“周期短、狀態雜、任務新、關鍵多”的特點,總體和分系統著眼于衛星所擔負的使命,周密策劃,集中攻關,充分開展地面驗證,為后續探月工程的研制將奠定良好的技術基礎,也將為我國執行未來的深空探測任務積累較豐富的經驗。

)

[1]葉培建, 張熇, 饒煒.積極應對深空探測的技術挑戰[C]//北京:2005年深空探測學術會,2005

[2]國防科工委, 中國科學院, 航天科技集團等.我國月球探測工程綜合立項論證報告[R].北京:國防科工委, 2004

[3]歐陽自遠.月球科學概論[M].北京:宇航出版社,2005