光電技術(shù)在中國(guó)深空探測(cè)中的應(yīng)用

摘要：文章從深空探測(cè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目出發(fā)，對(duì)深空探測(cè)器有效載荷對(duì)光電技術(shù)的需求進(jìn)行了分析，從而闡述了光電技術(shù)在中國(guó)深空探測(cè)中的應(yīng)用。月球探測(cè)器典型的“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”就是中國(guó)已經(jīng)發(fā)射的應(yīng)用光電技術(shù)的深孔探測(cè)項(xiàng)目，具有一定探測(cè)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光電技術(shù)；深空探測(cè)；深空探測(cè)器；月球探測(cè)；有效載荷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：V476 文章編號(hào)：1009-2374（2015）29-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.025

2004年初，我國(guó)開(kāi)始“嫦娥一號(hào)”的工程，歷時(shí)三年發(fā)射成功。對(duì)繞月探測(cè)的時(shí)間達(dá)到1年4個(gè)月之久，使我國(guó)深空探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)得以順利完成，大量的科學(xué)數(shù)據(jù)也是通過(guò)這項(xiàng)工程獲取來(lái)的。“嫦娥二號(hào)”工程是在“嫦娥一號(hào)”工程的基礎(chǔ)上拓展的項(xiàng)目，其意義在于實(shí)現(xiàn)可控撞月。歷時(shí)3年，“嫦娥二號(hào)”發(fā)射于2010年10月1日，在多項(xiàng)技術(shù)上能夠完成突破，使預(yù)定的工程目標(biāo)順利完成，100km的全月球圖像和15km的虹灣圖像也是從這項(xiàng)技術(shù)中繪制的。無(wú)人月球探測(cè)工程的方針一共有三個(gè)步驟：繞、落、回。目前，“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”工程的研發(fā)正在致力于將月球軟著陸。

1 金星和火星的首次探測(cè)

在深空探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展中，我國(guó)是位居前幾名的，由于金星和火星的探測(cè)符合科學(xué)的發(fā)展，所以我國(guó)更應(yīng)該致力于研究火星和金星的首次探測(cè)，以促進(jìn)我國(guó)航天探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

探月技術(shù)和“嫦娥”衛(wèi)星技術(shù)是首次火星探測(cè)方案理論實(shí)踐的基礎(chǔ)，我國(guó)應(yīng)堅(jiān)持自己在航天領(lǐng)域的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間飛行的自主管理技術(shù)和遠(yuǎn)大的監(jiān)控通信技術(shù)以及自主導(dǎo)航與控制在深空條件下的技術(shù)等問(wèn)題進(jìn)行解決。環(huán)火探測(cè)是最主要的探測(cè)方式，為期10個(gè)月的探測(cè)器地火轉(zhuǎn)移階段，1個(gè)火星年是環(huán)火工作初步擬定的時(shí)間。火星探測(cè)的主要目的是判斷人類(lèi)是否能夠在火星上順利生存，所以探測(cè)的內(nèi)容包括大氣圈演化和火星氣候的變化、火星上是否有生命生存過(guò)的跡象、火星是怎樣進(jìn)行演化的、火星的各項(xiàng)能源等方面。

地球和太陽(yáng)之間是金星存在的位置，地球到火星的距離要大于地球到金星的距離。基于此，我們對(duì)金星探測(cè)要比火星探測(cè)更容易一些，包括在測(cè)控通信、飛行的動(dòng)力、能源需求等方面。金星探測(cè)的問(wèn)題主要是對(duì)于太陽(yáng)近距離產(chǎn)生熱的問(wèn)題，我國(guó)在控制熱的技術(shù)上有良好的手段，基于此，我國(guó)金星探測(cè)工程直接銜接火星探測(cè)工程。金星探測(cè)主要的任務(wù)是，通過(guò)探測(cè)器圍繞金星大氣層外飛行，繼而對(duì)大氣特征及其金星表面金星探測(cè)，從大氣層內(nèi)進(jìn)入，做漂浮探測(cè)。符合中國(guó)發(fā)展的深空探測(cè)項(xiàng)目不僅包括首次金星和火星探測(cè)、無(wú)人月球探測(cè)，還包括對(duì)載人登月的工程項(xiàng)目和月球外天體的探測(cè)項(xiàng)目。實(shí)現(xiàn)載人登月是人類(lèi)走出地球的必然趨勢(shì)，迄今為止，人類(lèi)唯一到達(dá)地球之外的天體就是月球，所以在未來(lái)的20年內(nèi)，根據(jù)深空探測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)載人登月的愿望一定可以實(shí)現(xiàn)。

2 光電技術(shù)在中國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

深空探測(cè)器在軌道方面定義為：處于近地軌道對(duì)深空探測(cè)的一種飛行器，其對(duì)光電技術(shù)是有一定需求的。光電技術(shù)在中國(guó)深空領(lǐng)域能夠起到確定的作用。探測(cè)器姿態(tài)敏感器主要能實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的姿態(tài)測(cè)量。光學(xué)敏感器、陀螺儀、射頻敏感器和磁敏感是姿態(tài)敏感器的主要部分。光學(xué)敏感器主要應(yīng)用于太陽(yáng)敏感器、星敏感器、紅外地球敏感器、對(duì)月球和地球的紫外敏感器和圖像敏感器等，應(yīng)用是十分廣泛的。飛行器本體坐標(biāo)系與空間已知基準(zhǔn)方向關(guān)系的確定需要通過(guò)光學(xué)敏感器實(shí)現(xiàn)。光電技術(shù)在中國(guó)深空領(lǐng)域能夠起到導(dǎo)航的作用。探測(cè)器軌道參數(shù)是通過(guò)自主導(dǎo)航來(lái)確定的，對(duì)飛行和探測(cè)對(duì)象按照光學(xué)敏感器把其分為不同的階段，這里的光學(xué)敏感器包括星跟蹤器、紅外地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、可見(jiàn)光CCD敏感器、空間六分儀、陸標(biāo)敏感器和紫外敏感器等。探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是通過(guò)這些敏感器來(lái)測(cè)量的，運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括速度、加速度和角速度等。深空探測(cè)巡視器的遙操作導(dǎo)航、自主導(dǎo)航、半自主導(dǎo)航都離不開(kāi)光電技術(shù)。通過(guò)人工遙操作能夠使巡視器進(jìn)去自主或半自主的導(dǎo)航狀態(tài)，這要求巡視器具備良好的執(zhí)行任務(wù)和生存能力。其作用是對(duì)自身環(huán)境、位置和速度信息的獲取。基于此，敏感器的多種結(jié)合技術(shù)能夠賦予一定的航天導(dǎo)航功能。同時(shí)，光電技術(shù)在中國(guó)深空領(lǐng)域能夠起到監(jiān)視的作用。這能夠真實(shí)地對(duì)關(guān)鍵部件的動(dòng)作進(jìn)行掌握，使地面隨時(shí)接受圖像。光電技術(shù)在中國(guó)深空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是有效載荷的需要和空間飛行器交匯對(duì)接的需要。光電技術(shù)在中國(guó)深空領(lǐng)域能夠起到測(cè)控通信的作用和滿足探測(cè)器多方面需求的作用。

3 我國(guó)深空探測(cè)器利用光電技術(shù)的應(yīng)用展望

目前，我國(guó)“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星的成功發(fā)射都離不開(kāi)光電技術(shù)的支持，光電技術(shù)未來(lái)的探測(cè)活動(dòng)也是最基本的一項(xiàng)技術(shù)。“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星在光電技術(shù)的利用上主要包括：CCD立體相機(jī)設(shè)備，掃推方式是干涉成像光譜儀器采取的主要方式，元的點(diǎn)光圖譜是經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理得到的，同時(shí)為二維重構(gòu)光譜圖像提供了條件，從而得到月球表面物質(zhì)分布信息和類(lèi)型數(shù)據(jù)。半導(dǎo)體泵浦固體激光器是激光高度計(jì)采用的主要儀器，它能夠向月球表面發(fā)射大功率的窄脈沖激光，同時(shí)將月球表面后散射的激光信號(hào)心理接收，繼而計(jì)算出衛(wèi)星與月球表面距離，這是利用測(cè)量光往返延遲時(shí)間作為依據(jù)計(jì)算的。星敏感器的衛(wèi)星相對(duì)于慣性空間的姿態(tài)是通過(guò)星圖識(shí)別和恒星的觀測(cè)來(lái)獲取的。月球的紫外譜段探測(cè)主要通過(guò)采取紫外敏感器進(jìn)行，它能夠?qū)h(huán)月飛行時(shí)，基于月球中心，衛(wèi)星的方向進(jìn)行有效識(shí)別，以對(duì)衛(wèi)星相對(duì)軌道參考系的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。未來(lái)的光電技術(shù)在“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星的主要應(yīng)用包括對(duì)具有更高的分辨率的CCD立體相機(jī)的更新設(shè)備等的使用。光電技術(shù)在“嫦娥三號(hào)”衛(wèi)星的主要應(yīng)用包括在相機(jī)的運(yùn)用上采取的是地形地貌、降落、極紫外和全景相機(jī)，望遠(yuǎn)鏡采用的是月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和空外成像光譜儀。

4 光電技術(shù)在中國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方針

針對(duì)光電技術(shù)在深空探測(cè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，本文闡述一些有效的發(fā)展方針。我國(guó)深空探測(cè)的今后發(fā)展需求和實(shí)踐方面由于受到光電技術(shù)的影響，使探測(cè)器性能和功能上受到了一定的制約，所以提高光電技術(shù)就是我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域有效發(fā)展的前提。提高光電技術(shù)首先要從器件入手，突破傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件，研發(fā)新型的、輕質(zhì)的、高性能的光學(xué)部件；其次我國(guó)要進(jìn)一步提高敏感器的設(shè)計(jì)水平和制造水平，在對(duì)GNC設(shè)計(jì)和探測(cè)器的總結(jié)設(shè)計(jì)中，要經(jīng)過(guò)多種方案的權(quán)衡選擇，對(duì)敏感器進(jìn)行最合理的安排，增加系統(tǒng)性能，使器件不受到其他因素的影響。此外，對(duì)光電的有效電荷制造和設(shè)計(jì)水平一定要看作提高光電技術(shù)的重中之重，對(duì)一個(gè)設(shè)備的多種應(yīng)用方法進(jìn)行探索。“嫦娥二號(hào)”就是通過(guò)嘗試紫外敏感器對(duì)敏感器功能和光學(xué)探測(cè)融為一體的方式，使其姿態(tài)確定功能的同時(shí)，又能夠?qū)⒃虑蜃贤庾V段圖像進(jìn)行繪制，除此之外，它還可以在導(dǎo)航中應(yīng)用；最后在中國(guó)深空探測(cè)工作中還要對(duì)可能形成的項(xiàng)目預(yù)言工作建議進(jìn)一步加強(qiáng)，這在一定程度可以使深空探測(cè)事業(yè)得到持續(xù)

發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中國(guó)深空探測(cè)的發(fā)展離不開(kāi)光電技術(shù)的支持。從事光電技術(shù)研發(fā)的技術(shù)人員對(duì)我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)的發(fā)展具有很大程度的貢獻(xiàn)，只有從根本上落實(shí)對(duì)光電技術(shù)的發(fā)展，才能夠找到深空技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的切入點(diǎn)，從根本上為我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)技術(shù)水平做出一定

貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉培建，饒煒.光電技術(shù)在中國(guó)深空探測(cè)中的應(yīng)用

[J].航天返回與遙感，2011，32（2）.

[2] 羅建將，李洪祚，唐雁峰，等.深空探測(cè)激光通信技術(shù)發(fā)展研究[J].航天器工程，2013，22（2）.

[3] 葉培建，彭兢.深空探測(cè)與我國(guó)深空探測(cè)展望[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006，8（10）.

作者簡(jiǎn)介：寇雷雷（1986-），女，吉林四平人，吉林工程職業(yè)學(xué)院助教，碩士，研究方向：光學(xué)工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）