嫦娥四號巡視器系統設計與驗證

黨兆龍 李海飛 彭松 溫博 申振榮 賈陽

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

巡視探測是開展月球表面探測活動的主要方式，蘇聯在20世紀70年代利用月球車1號和2號[1]成功進行了巡視探測，獲得了月面地形地貌、月壤力學特性等科學數據。美國在阿波羅15、16和17號飛船中利用載人月球車[2-3]輔助航天員進行月面活動，顯著擴大了航天員的活動范圍。2013年嫦娥三號巡視器與著陸器在月面成功進行兩器互拍，嫦娥三號任務取得圓滿成功，標志著我國探月工程第二步戰略目前全面實現[4-7]。嫦娥四號探測器于2019年1月3日成功著陸在月球背面南極艾特肯盆地的馮卡門撞擊坑，完成了著陸器與巡視器的互相拍照，任務取得了圓滿成功。

嫦娥四號巡視器繼承自嫦娥三號巡視器，借鑒了嫦娥三號巡視器的設計和地面驗證經驗[8-9]，同時在研制過程中針對嫦娥四號在月背無法與地面直接通信、月背地形崎嶇和遮擋等技術特點開展了設計驗證工作，如中繼鏈路雙向捕獲跟蹤和信息傳輸可靠性驗證、針對嫦娥三號巡視器在軌問題完善設計的系統級驗證、巡視器駛離性能驗證和月面移動性能驗證等項目。本文分析了嫦娥四號巡視器技術特點和相對嫦娥三號巡視器方案的區別，論述了嫦娥四號巡視器基于新技術特點的設計方案及地面驗證方法，可為后續巡視器系統設計和驗證提供參考。

1 嫦娥四號巡視器的技術特點

嫦娥四號探測器系統包括著陸器、巡視器和中繼衛星，分兩次發射。第一次，中繼衛星單獨發射，進入地月系L2平動點使命軌道；第二次，著陸器和巡視器組合體一起共同發射，著陸到月球背面南極艾特肯盆地，在中繼衛星中繼鏈路的支持下，開展月面原位和巡視探測。

嫦娥四號巡視器的主要技術特點如下。

1)無法與地面直接通信

需要依靠中繼衛星“鵲橋”實現巡視器與地面站的通信。由于測控數傳產品已于2013年作為嫦娥三號的備份完成了研制，因此嫦娥四號任務中繼鏈路的設計基于嫦娥三號原有硬件基礎，盡可能不改變著陸器/巡視器原有射頻鏈路狀態，中繼衛星可視為位于L2點平動點軌道簡化的地球測控站和應用數據接收站。為了保證著陸器對中繼衛星的指向，要求中繼衛星在使命軌道運行過程中，應處于著陸器全向天線和定向天線的指向范圍內，由此確定了中繼衛星軌道范圍。而巡視器是在著陸月面后加電工作，且全向天線為半空間覆蓋，定向天線在地面控制下指向中繼衛星，可適應中繼衛星軌道的變化。

2)“中繼”引起的機構控制結果延時反饋

對于巡視器的桅桿、太陽翼和移動等機構控制而言容易造成機構安全性問題。一般來說地面發送一條指令并完成執行結果判斷需要3～4 min，這給巡視器的桅桿、太陽翼和移動裝置等機構控制帶來了新的挑戰，一旦機構運動過程中發生故障，地面無法及時判斷和處置，可能會造成機構故障的擴散，甚至造成巡視任務的失敗。

3)月背崎嶇地形

月球背面的崎嶇地形會對巡視器的釋放分離過程和月面移動過程產生嚴重影響。著陸區的地形對著陸器的著陸姿態產生影響，接著會影響轉移機構懸梯在運動過程中的姿態，進而影響巡視器駛離過程的安全性；同時，月背崎嶇的地形對巡視器在月面移動過程中移動電機的電流產生影響，甚至會造成移動電機損壞。

4)月背地形遮擋

嫦娥四號著陸點位于月球背面南極艾特肯盆地撞擊坑內，可能存在周圍地形對巡視器光照和測控的遮擋。光照遮擋對巡視器的能源和熱控有重要影響，一旦發生遮擋就需要地面盡快處理；測控天線遮擋時器上無遙測返回、地面指令無法上行，在特殊時段熱控、休眠喚醒等關鍵環節會危及巡視器安全。所以地形遮擋給自主熱控、休眠喚醒帶來了新的任務需求。

2 嫦娥四號巡視器總體方案

嫦娥四號巡視器的總體方案繼承了嫦娥三號巡視器的方案，也是分為移動、結構與機構、制導導航與控制(GNC)、綜合電子、電源、熱控、測控數傳和有效載荷共8個分系統。巡視器的構型仍為箱板式結構，巡視器移動狀態的構型如圖1所示。

根據嫦娥四號巡視器的技術特點開展了總體方案設計，嫦娥三號巡視器的熱控、電源、結構與機構等多數分系統不需要進行修改，即可滿足嫦娥四號巡視器的任務需求。主要改進內容如下。

1)中繼鏈路設計

由于中繼衛星相比地面測控站功率資源緊張，天線口徑相對較小，實現巡視器與中繼衛星之間最遠8萬千米距離下通信的需求，會花費較大的代價。而嫦娥三號巡視器測控數傳分系統正樣產品的實測值較指標要求還有一定余量，把該部分余量折算到指標中，可以在一定程度上降低中繼衛星的設計難度和代價，因此根據嫦娥三號正樣產品的實測值提高了嫦娥四號產品指標，涉及全向接收天線增益、全向發射天線增益、應答機接收靈敏度等，同時還更改了遙控碼速率和數傳碼速率。

2)嫦娥三號巡視器月面問題的設計改進

嫦娥三號巡視器月面問題的解決措施主要有移動分系統的電纜防護、綜合電子單元驅動控制等，均在嫦娥四號巡視器中落實到位。

3)任務需求引起的設備調整

取消了有效載荷分系統的粒子激發X射線譜儀，相應的也就取消了輔助該設備展開的機械臂，由此帶來的設備布置、電連接器設置等也都進行了調整。增加了一臺瑞典研制的中性原子探測儀，相應增加了安裝接口和熱控措施等。

4)系統層面上加強了安全操控設計

針對嫦娥四號巡視器所面臨的控制結果延時、月背地形崎嶇和遮擋等特點，分解出機構安全控制、可靠釋放分離、安全移動、自主熱控等設計需求，并基于嫦娥三號巡視器現有的設計方案，分別從器上和地面兩種途徑進行改進實現。

(1)對于機構安全控制，采用器上機構多參數控制和地面指令鏈控制來實現。嫦娥三號巡視器的太陽翼、桅桿等機構使用位置閉環控制方式。在機構旋變發生故障時，機構無法正常停止轉動。對于嫦娥四號巡視器任務而言，機構控制的時延會造成地面無法發送停止轉動指令及時干預，可能導致機構連續轉動而造成機構損壞，因此增加了時間參數控制。地面指令鏈控制中增加了機構運動范圍，如桅桿偏航從一端運動至另一端改為兩端向中間運動，保證即使位置旋變發生故障，桅桿偏航也不會超過允許的轉動范圍。

(2)對于可靠釋放分離，采用多方向自主駛離、安全駛離策略來實現。自主駛離方向在嫦娥三號巡視器的直行不避障和直行右轉避障基礎上，增加了直行左轉避障，增強了適應復雜地形的能力。安全駛離策略制定時考慮了著陸器姿態、著陸器對巡視器的測控遮擋等因素。

(3)對于安全移動，采用器上移動電機電流監測、地面多重停車保護來實現。巡視器移動時越障可能導致移動電機堵轉，導致電流異常增大。通過設計移動電機電流監測功能，當電流增加達到一定閾值時，器上會自主發送移動電機斷電指令，等待地面處置。地面多重停車保護是在移動指令中，每間隔一定時間發出整器停車指令，確保巡視器可靠地停止運動。

(4)對于自主熱控，采用器上流體回路控制閥自主控制來實現。月背的地形遮擋可能會造成測控中斷，為此器上設計了流體回路控制閥自主通斷的自主熱控能力，將車體尾部的同位素熱源的熱量及時引入到艙內，調節整器艙內設備溫度。

3 巡視器技術方案的地面試驗驗證

嫦娥四號巡視器在研制過程中，對嫦娥四號巡視器的技術方案進行了全面充分的試驗驗證，其中除綜合測試、力學、熱真空等例行大型試驗和專項試驗外，還針對嫦娥四號相對于嫦娥三號的技術改進開展了：中繼雙向捕獲跟蹤和信息傳輸可靠性驗證、嫦娥三號巡視器月面問題解決措施的驗證、駛離性能驗證和月面移動性能驗證等系統級專項試驗。

3.1 中繼雙向捕獲跟蹤和信息傳輸可靠性驗證

巡視器與中繼衛星的中繼雙向捕獲跟蹤和信息傳輸可靠性驗證試驗的目的是檢驗接口設計的正確性，分別開展了中繼通信接口聯試、“兩器一星”聯合測試分系統級和中繼鏈路在軌測試等工作。

(1)中繼通信接口聯試利用巡視器測控數傳鑒定件與中繼衛星進行，包括前向鏈路射頻接口和數據接口測試、返向鏈路射頻接口和數據接口測試、校時測試等，聯試結果均滿足接口控制文件要求。

(2)“兩器一星”聯合測試為嫦娥四號著陸器、巡視器和中繼衛星正樣器(星)進行測試，檢查中繼鏈路接口的正確性和匹配性以及與中繼鏈路有關的飛行程序設計的合理性和正確性。測試分為無線和有效兩種方式，聯試結果均滿足接口控制文件要求。

(3)中繼鏈路在軌測試采用在軌中繼衛星，著陸器和巡視器采用與飛行產品技術狀態一致的中繼相關(兩器測控數傳分系統、著陸器數管分系統和巡視器綜合電子分系統)器上設備，以及地面轉發設備完成中繼鏈路的關鍵功能和性能指標的測試。驗證中繼衛星中繼鏈路相關設備在經過發射、地月轉移及近月制動等階段進入在軌工作空間環境后，前向鏈路和返向鏈路的關鍵功能和性能指標是否正常。

測試結果表明中繼衛星與巡視器之間的中繼通信接口符合設計要求。

3.2 嫦娥三號巡視器月面問題解決措施的系統級驗證

嫦娥三號巡視器月面問題解決措施的系統級驗證的試驗項目：①移動裝置與綜合電子單元在故障情況下的接口匹配性以及移動性能；②移動裝置短路下的局部電性能測試和移動性能測試。

機構短路故障模擬狀態下的電性能測試時移動裝置停放在支架車上，車輪處于離地狀態，利用轉接盒進行短路模擬，測試故障情況下綜合電子單元的控制與驅動組件對移動裝置的控制能力。特定故障情況下的移動性能測試，分為單輪和雙輪兩種情況，測試時車輪處于模擬月壤上，移動裝置搭載模擬車身，測試越障、機動、爬坡等性能。

整個系統級驗證覆蓋了移動裝置驅動組件的霍爾回路、旋變和電機的故障模式，結果表明解決措施有效，故障情況未擴散，在故障情況下仍可確保巡視器具有一定的移動能力。

3.3 巡視器駛離性能的地面驗證

駛離性能驗證的目的是驗證巡視器與著陸器釋放分離過程中在轉移機構懸梯上的穩定性和移動性能。試驗設備布置如圖2所示。對于月球和火星的巡視器地面試驗方法，通常采用的方法是采用低重力模擬裝置進行巡視器整器的減重，然后根據懸架特點進行配重，從而實現車輪所受的載荷與月面或火面的載荷保持一致[10-12]。整器低重力模擬裝置采用平行吊架與巡視器相連，具有跟隨巡視器移動的能力，提供巡視器地球重力的5/6的拉力，使巡視器各個車輪所承受的垂直載荷與巡視器在月面移動時的數值相近。

圖2 低重力模擬裝置下的轉移機構位置

駛離性能驗證包括了靜態穩定性測試和移動駛離測試。靜態穩定性測試巡視器在轉移機構上保持的最大角度。通過比較轉移機構懸梯角度、整器低重力拉力數值等確認駛離試驗設置的一致性；通過比較移動過程中車輪速度、搖臂轉角等參數確認巡視器駛離性能的一致性。在移動駛離過程中，巡視器搖臂轉角、車輪速度等均進行相應的變動。兩側搖臂同向變動，表明轉向機構懸梯向巡視器提供了相同的高度變動，而差動機構轉角幾乎不變，表明巡視器的俯仰角度未發生大的變動，與理論趨勢保持一致。

通過巡視器駛離性能驗證結果表明巡視器從著陸器轉移機構懸梯上駛離的移動能力滿足任務需求。試驗過程中采用了轉移機構懸梯的最大角度，表明巡視器在其余角度時也可順利完成駛離過程。

3.4 巡視器月面移動性能的地面驗證

巡視器月面移動性能驗證的目的是測試巡視器在模擬月面上的移動性能。通過對月面崎嶇地形的分析，分解為斜坡和越障兩種典型地形。在巡視器月面移動性能試驗中通過采用不同地形模塊組裝成一個完成的試驗臺面，巡視器在試驗臺面上完成相應的移動過程，通過外測獲得巡視器的移動速度、轉向角度、越障高度等信息，進而評價巡視器的移動性能。地形模塊除了水平和斜坡模塊外，還有障礙模塊(障礙可拆除)，障礙塊高度為100 mm。地形模塊的擺放如圖3所示。

圖3 地形模塊位置

巡視器的移動方式有兩種，分別為綜合電子單元控制下的多電機移動和導航、制導與控制(GNC)下的移動。多電機控制下進行了前進、越障、原地轉向和爬坡等工況；GNC控制下進行了盲走、原地轉向和直接驅動等工況測試。工況的設置覆蓋了巡視器在月面移動過程中的典型工作場景。在多電機直接控制測試中，通過比較巡視器移動車輪速度、搖臂轉角等遙測數據曲線速度檢驗巡視器的移動性能；在GNC控制測試中，通過比較巡視器航向角變動情況檢驗GNC的運動控制能力。

巡視器月面移動性能驗證結果表明巡視器在多電機直接控制和GNC控制下的移動性能，包括了平地、斜坡和障礙等多地形，滿足指標要求。

4 嫦娥四號巡視器月面工作情況

嫦娥四號探測器于2018年12月8日2時23分在西昌衛星發射中心發射，于2019年1月3日10時26分著陸在月球背面東經177.6°，南緯45.5°附近，隨后開始巡視器釋放分離過程。相比嫦娥三號探測器著陸區，嫦娥四號著陸區的撞擊坑數目明顯偏多，著陸器前方就有一個較大的撞擊坑，對巡視器的移動提出了更高的挑戰。巡視器在兩器釋放分離后月面互拍階段經過的月面地形如圖4所示，可以看到月面的撞擊坑較多。

圖4 巡視器經過的月面地形

巡視器在加電后，對中繼接口、駛離性能和移動性能等均進行了月面的驗證。

(1)在中繼衛星中繼鏈路的支持下，巡視器加電后，太陽翼、桅桿、移動裝置等機構均安全可靠的工作，說明中繼鏈路接口正確。

(2)巡視器以直行不避障方式駛離著陸器，于2019年1月3日22時30分抵達月面X點。釋放分離過程中巡視器的駛離性能經過了檢驗，達到了安全駛離的標準，說明地面試驗有效。

(3)巡視器到達月面后，巡視器采用了原地轉向、行進間轉向以及盲走等多種移動方式，經歷了越障、撞擊坑、斜坡等多種地形，累計行進了254.3 m，說明移動性能的地面驗證合理有效。

嫦娥四號巡視器已在月面工作了7個月，超過了3個月的工作壽命要求。整器上行指令執行正確，下行遙測和數傳正常，移動裝置、+Y太陽翼和桅桿等機構工作正常，整器溫度條件良好。巡視器在軌工作穩定，正常開展巡視探測任務。

5 結束語

嫦娥四號巡視器在嫦娥三號巡視器的基礎上，基于嫦娥四號探測器的技術特點進行了系統設計，并在研制過程中開展了中繼雙向捕獲跟蹤和信息傳輸可靠性驗證、嫦娥三號巡視器月面問題改進措施系統級驗證、駛離性能和月面移動性能驗證等試驗，對嫦娥四號巡視器的功能性能進行了全面的地面驗證。嫦娥四號巡視器在月背已經經歷了7個月晝和月夜的考核，累計移動了254.3 m，超過了工作壽命的要求，表明總體方案可行，地面驗證項目的設計合理，驗證結果有效，可為我國后續月球和火星巡視器的研制提供參考。