嫦娥四號著陸器有效載荷任務設計與驗證

徐海濤 薛長斌 劉鵬 楊眉 李飛 陳麗平 紀奕才 張珅毅

(1 中國科學院國家空間科學中心，北京 100190)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

(3 中國科學院電子學研究所，北京 100190)

月球正面與背面的地質特征存在巨大差異，其成因是月球科學研究的重大難題之一。著陸區的高分辨地形地貌探測，將識別探測區域的各種地質構造特征，進而劃分不同的地質構造單元[1]。月球背面屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發射，被認為是開展低頻射電天文學觀測的絕佳地點[2]。另外，對月球表面復合輻射場劑量率的時間變化和線性能量傳遞(LET)譜[3]的探測，為未來的載人登月輻射防護提供依據，并能夠確定月球背面粒子通量及其時間變化，用于研究和理解粒子在日球層的加速和傳輸過程。在以往人類歷史上從未有過在月球背面進行低頻射電就位探測，盡管月球背面是低頻射電天文學觀測的絕佳地點，但著陸器本身電子設備工作又帶來了電磁干擾[4]。

嫦娥四號是探月四期首戰任務，在本次任務中，創新性的使用了短天線進行了近場噪聲抵消，并且在月面工作程序中專門設計天線展開前的噪聲定標，大幅度提高了探測靈敏度。同時，由于探測器攜帶的核源給月球表面輻射場劑量率測量帶來了誤差，在月面工作程序中專門設計兩器分離前核源劑量測試和巡視器在月面不同位置進行核源劑量測試，以此計算巡視器核源在探測面的等效劑量，也大幅度降低了核源劑量的影響。著陸器探測任務配置的降落相機、地形地貌相機、低頻射電頻譜儀和月球中子及輻射劑量探測儀在探測器軟著陸前后陸續開機工作[5]。

本文提出了著陸器載荷月面工作程序與探測器工作程序交叉設計的問題，對有效載荷初態建立和開展就位探測工作的程序設計，以及在軌測試階段的驗證情況進行了介紹。

1 著陸器有效載荷的組成和任務

嫦娥四號探測器有效載荷分系統的主要任務是獲取科學數據并實現科學目標。其中著陸器有效載荷分系統的基本配置為北京空間機電研究所研制的降落相機、中國科學院光電技術研究所研制的地形地貌相機和中國科學院電子所研制的低頻射電頻譜儀。依據工程總體的國際合作項目遴選結果，著陸器還配置有德國基爾大學研制的月球中子及輻射劑量探測儀(見圖1)[6]。

著陸器有效載荷分系統通過載荷電控箱對上述載荷進行供配電、狀態監測、數據處理、健康維護和集中管理，使有效載荷分系統集成后簡化與著陸器平臺的接口。

嫦娥四號著陸器平臺大部分繼承了嫦娥三號的技術狀態，對有效載荷進行了重新配置，其中降落相機、地形地貌相機為完全繼承狀態，而低頻射電頻譜儀和月球中子及輻射劑量探測儀為新增載荷，有效載荷分系統為適應新載荷狀態和探測器接口的繼承狀態，在嫦娥三號的基礎上對載荷電控箱進行了適應性改造，保證了所有載荷能通過電控箱匹配與著陸器平臺接口。

圖1 著陸器有效載荷分系統組成

1)降落相機的主要探測任務

降落相機安置在著陸器的底部艙內，在著陸器降落過程中，獲取著陸區域的光學圖像，用于分析著陸區月表的地形地貌和區域地質情況，圖像可用于巡視器進行路徑規劃，并輔助其他載荷進行科學探測[7]。

降落相機主要指標包括：成像距離4 m～∞，有效像元數量1024×1024，視場角45°×45°，系統靜態調制傳遞函數(MTF)≥0.20。

2)地形地貌相機的主要探測任務

地形地貌相機安裝在著陸器上指向機構頂部，通過指向機構進行方位和俯仰調整，地形地貌相機用于獲取著陸區高分辨率彩色圖像，對于完成著陸區地貌和地質構造調查，月球地質構造解析和綜合研究具有重要意義，地形地貌相機在向人類直觀呈現月球背面的地形地貌方面也有較高的展現能力[8]。

地形地貌相機主要指標包括：成像距離5 m～∞，有效像元數量2352×1728，視場角22.9°×16.9°，系統MTF≥0.20。

3)低頻射電頻譜儀的主要探測任務

低頻射電頻譜儀安裝在著陸器頂板，接收天線A/B/C兩兩垂直，天線A沿著陸器+X方向垂直向上安裝，天線B/C水平安裝。低頻射電頻譜儀的功能是探測太陽爆發產生的低頻電場，給出太陽爆發低頻電場的幅度隨頻率變化的特性[9]，并利用月球電離層對太陽爆發電場的截止特性研究月球電離層的特性，同時監測月表低頻輻射電場的特性。

4)月球中子及輻射劑量儀的主要探測任務

月球中子及輻射劑量探測儀(Lunar Lander Neutrons & Dosimetry,LND)安裝在-Y艙內，從-Y艙上面開口并設置活動蓋板，月晝時打開探測，月夜時閉蓋保溫，LND通過開展月表中性粒子和帶電粒子綜合劑量率、LET譜、粒子輻射構成及能譜監測，全面測量月表綜合粒子輻射及其動態變化，為準確評估月表輻射危害，服務于未來人類登月活動安全保障提供必要的支持。同時，為開展日球層科學相關研究做出貢獻。

LND主要指標包括：快中子能譜2～20 MeV，熱中子通量10～104個/分鐘，質子能譜7～30 MeV，電子能譜60～500 keV，α粒子能譜7～20 MeV/n，重離子能譜10～100 MeV/n，LET譜范圍0.1～430 keV/μm。

2 月面工作程序設計

著陸器有效載荷分系統月面工作程序從主減速段開始，執行到月夜休眠，其中第一月晝全部載荷完成開機和探測任務。從第二月晝開始，僅低頻射電頻譜儀和月球中子輻射劑量儀開機工作，其他載荷不再開機工作。電控箱作為載荷工作的支撐設備，同時作為平臺數管1553B總線重要數據備份終端，全程開機工作。

著陸器有效載荷月面工作程序設計如圖2所示，其中圓圈表示探測器動作，方框表示與有效載荷相關的動作。后續每個月晝重復休眠和喚醒，及中間的探測動作。

圖2 著陸器有效載荷月面工作程序設計

1)降落相機工作程序設計

著陸器降落相機程序設計為：在主減速段開機工作，以10幀/秒的幀頻對下降過程動態成像，主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、緩速下降段，直到成功落月后關機。

與嫦娥三號不同，采用中繼通訊的嫦娥四號探測器數據傳輸碼率明顯下降，為適應新的平臺條件，保證在動力下降過程中仍然能夠傳輸直觀畫面到地面，降落相機做了適應性改造設計，即在原有8∶1壓縮比的基礎上，增加64∶1的高壓縮比圖像抽幀功能，將圖像每10幀抽取一張高壓縮比圖像進入實時下傳信道，保證地面每隔6～7 s可以收到一張實時回傳的降落畫面，同時將原始圖像存入平臺存儲器，待落月后回放傳輸到地面。

2)地形地貌相機工作程序設計

同樣考慮中繼鏈路的碼速率，地形地貌相機每幅靜態圖像傳回需要1 min以上，動態圖像每拍攝1 min需要傳輸3 min以上。因此，地形地貌相機在確保完成既定任務的前提下，需要對拍照流程設計進行縮減和優化，以提高信道利用率。

地形地貌相機落月后首先對低頻射電頻譜儀天線展開動作進行動態攝像和展開狀態的靜態拍照，之后對巡視器X點到A點駛離過程進行動態攝像，對巡視器在A→B(B’)→C(C’)→D點靜態拍照，期間根據信道空閑情況對巡視器預定停留點間移動和原地轉彎過程進行動態攝像。在完成對巡視器拍照的基礎上，變換不同俯仰角度，對著陸區環境進行至少5圈環拍，形成360°全景照片。工作期間考慮溫度過高時圖像噪點將增加，需監視相機溫度，適時進行關機避暑。

3)低頻射電頻譜儀工作程序設計

低頻射電頻譜儀使用三根互相垂直的5 m天線進行低頻射電探測，因探測過程受著陸器電子設備發射的低頻電場干擾影響較大，為此專門設計了短天線，對近場噪聲進行測量，進而抵消著陸器本底噪聲。

除此之外，在月面進行天線展開之前，專門設計了5 min低頻三天線模式探測。由于展開前天線處于較短狀態，僅為500 mm左右，其接收到的噪聲信號與5 m天線接收的噪聲信號是成比例關系，利用這種比例關系，可以將收攏狀態接收到的噪聲信號按比例放大，反相后就可以用來消除5 m天線展開后收到的噪聲。

低頻天線展開后，設計10 min內定標模式探測，確認低頻射電頻譜儀接收機各模擬通道的正常狀態，之后即可進入長期探測模式。

4)月球中子及輻射劑量儀工作程序設計

在嫦娥四號著陸器和巡視器上裝載有放射性同位素熱源(RHU)和放射性同位素溫差電池(RTG)為兩器提供熱能和電源。RHU/RTG是具有放射性的核源，會持續不斷的發射中子/伽馬(n/γ)射線。盡管RHU/RTG已經進行了很好的屏蔽，但n/γ射線在物質中具有很強的穿透性，因此RHU/RTG會穿透著陸器的屏蔽結構，入射到月球中子及輻射劑量探測儀LND探測面中，引起LND的本底計數增加，降低LND的在軌的科學數據精度。

核源的安裝時機臨近發射，在塔架上不具備對核源本底測試的時機和條件?；谏鲜鲈?，需要在地面對著陸器核源本底噪聲進行摸底。除此之外，月面工作程序設計在兩器分離前，LND開機工作，近距離測量巡視器核源本底噪聲，在兩器完成分離后，巡視器到達X點，LND再次開機工作，測量相對位置變化時，輻射劑量的變化情況，為后續LND測量的兩器本底噪聲扣除提供依據。

在完成落月初始的本底測試工作后，月球中子及輻射劑量探測儀即進入長期探測模式。

3 任務驗證情況

1)降落相機任務驗證情況

北京時間2019年1月3日，嫦娥四號探測器按原計劃進入動力下降過程，降落相機按設計流程開機工作，約10 min后關機。降落相機在軌共拍攝了5441幅完整的有效數據，主要完成了主減速段中期、快速調整段、接近段、懸停段、緩速下降段和落月后對視場范圍內景物的拍照。從圖像中可清晰看出月球輪廓、月表地理特征及月塵被吹起的形態等。如圖3所示，降落相機成像清晰、曝光適度，獲取了既定科學數據。

圖3 降落相機拍照畫面

2)地形地貌相機任務驗證情況

地形地貌相機僅在第一月晝工作，期間共拍攝了421幅靜態圖像，主要包括低頻解鎖、A點兩器互拍、俯仰角0°、-15°、-30°、-45°四個位置環拍、B’點試拍、D’點試拍以及D’點正式兩器互拍。此外，地形地貌相機在軌還進行了動態攝像，主要包括對低頻天線解鎖展開抽樣攝像、監視巡視器X點移動至A點、A到A’點移動攝像以及地形地貌相機拍攝B’點到D’移動過程。從靜態圖像中可以清晰看到月球背面的月壤、從環拍圖像可以看到著陸器周圍的月貌、從兩器互拍圖像可以清晰看到玉兔二號巡視器，五星紅旗閃耀月背。如圖4所示，地形地貌相機成像清晰、曝光適度，獲取了既定科學數據。

3)低頻射電頻譜儀任務驗證情況

2019年1月4日，嫦娥四號低頻射電頻譜儀按設計流程加電，隨后在天線收攏狀態進行了3天線工作模式測試，四通道天線接收到的低頻段和高頻段噪聲信號分別如圖5所示。從圖5中可以看出，四個通道接收到的噪聲信號頻譜分布一致性良好，變化趨勢較為一致，判定各通道工作狀態正常。

隨后按圖2設計流程，在地面指令控制下低頻射電頻譜儀天線A、B、C在月面展開，展開長度約為5 m，展開遙測計數分別為432、433以及438，三天線完全展開。

圖4 地形地貌相機拍照的部分畫面

圖5 收攏狀態三天線模式測量結果

圖6～圖8給出了低頻射電頻譜儀天線展開后收到的噪聲及噪聲對消處理結果。從圖中可以看出采用短天線進行對消降噪后，在100 kHz～40 MHz頻帶噪聲降低約20～30 dB，短天線對消處理方法有效，為低頻射電頻譜儀在月球背面的長期有效探測和數據分析奠定了基礎。

圖6 低頻射電頻譜儀天線A收到的信號及噪聲處理結果

圖7 低頻射電頻譜儀天線B收到的信號及噪聲處理結果

圖8 低頻射電頻譜儀天線C收到的信號及噪聲處理結果

4)月球中子及輻射劑量探測儀任務驗證情況

LND自2019年1月3日開機后，連續獲得月表粒子輻射環境數據，包括熱中子、快中子、輻射劑量、LET譜、帶電粒子等信息，如圖9所示。

通過圖9可以看到LND持續工作，工作狀態正常，各待測物理量的結果符合預期，數據持續有效。

可以看出輻射劑量測量結果在兩器分離前受到了巡視器RTG核源的影響，測量結果中混入了RTG核源的本底貢獻，在巡視器駛離著陸器后，RTG核源的本底影響消失。根據設計的月面程序LND在兩器分立前后分別開機測試，輻射劑量測量結果差為2 μGy/h左右，該值即為巡視器RTG的核源本底，這與地面測試的結果基本一致。開蓋與閉蓋的劑量測量結果基本相同，說明-Y艙蓋的屏蔽對本底的影響可以忽略，這也與月表的粒子輻射主要是高穿透能力的銀河宇宙線的科學認識相符。

在第一月晝休眠前，隨著2019年1月11日19點28分-Y艙兩相流體回路打開，富含氫的流體對中子有了明顯的吸收作用，導致中性粒子劑量測量降低了0.3 μGy/h左右。

上述測量測量結果為LND在月球背面的長期有效劑量探測和數據分析奠定了基礎。

4 結束語

嫦娥四號著陸器有效載荷從動力下降段開始，按照本文設計的工作流程陸續開機工作，降落相機和地形地貌相機完成了大量的拍照任務，通過地面數據處理，及時完整地獲取了著陸區地形地貌圖像數據。月球中子及輻射劑量探測儀和低頻射電頻譜儀通過月面工作程序設計和數據處理有效降低了本底劑量和噪聲影響，為后續科學探測進一步取得豐碩成果奠定基礎。