嫦娥二號關(guān)鍵技術(shù)解析：106個(gè)預(yù)案確保飛行受控

　　中新網(wǎng)10月1日電 10月1日，嫦娥二號繞月探測衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，踏上奔月征程。以下是嫦娥二號衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)解析：

　　相對“嫦娥一號”的技術(shù)改進(jìn)和不同點(diǎn)

　　作為二期工程的先導(dǎo)星，嫦娥二號衛(wèi)星在總體設(shè)計(jì)上與嫦娥一號衛(wèi)星相比，技術(shù)上有哪些改進(jìn)？不同點(diǎn)是什么？

　　作為探月工程二期先導(dǎo)星，嫦娥二號衛(wèi)星將試驗(yàn)探月工程二期部分關(guān)鍵技術(shù)，深化月球科學(xué)探測。

　　與嫦娥一號衛(wèi)星相比，嫦娥二號衛(wèi)星將由長征三號丙運(yùn)載火箭發(fā)射至近地點(diǎn)高度200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約400000km的地月轉(zhuǎn)移軌道。衛(wèi)星與火箭分離后，在地面測控支持下，經(jīng)中途修正，在近月點(diǎn)自主實(shí)施制動，實(shí)現(xiàn)月球捕獲，變軌后進(jìn)入100km環(huán)月圓軌道。在環(huán)月運(yùn)行期間，衛(wèi)星將擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動，進(jìn)入100km×15km的橢圓軌道，開展技術(shù)驗(yàn)證和二期工程備選著陸區(qū)成像試驗(yàn)；試驗(yàn)完成后，返回100km環(huán)月圓軌道，開展月球科學(xué)探測。

　　“嫦娥二號”在飛行任務(wù)期間，將開展六大技術(shù)驗(yàn)證：一是配合運(yùn)載火箭驗(yàn)證地月轉(zhuǎn)移軌道直接發(fā)射技術(shù)；二是搭載輕小型化X頻段深空應(yīng)答機(jī)，配合中國新建的X頻段地面測控站，試驗(yàn)X頻段測控技術(shù)；三是驗(yàn)證距月面100km近月制動的月球軌道捕獲技術(shù)；四是驗(yàn)證100km×15km軌道機(jī)動與飛行技術(shù)；五是試驗(yàn)遙測信道低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)編碼技術(shù)，月地高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及降落相機(jī)技術(shù)；六是對備選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像試驗(yàn)。此外，在“嫦娥一號”衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，改進(jìn)有效載荷性能，提高了對月科學(xué)探測精度，完成四類科學(xué)探測，即獲取更高精度月球表面三維影像，分辨率由嫦娥一號衛(wèi)星的120米提高至優(yōu)于10米，同時(shí)還將探測月球物質(zhì)成分、月壤特性以及地月與近月空間環(huán)境。

　　首次使用X波段深空應(yīng)答機(jī)技術(shù)

　　“嫦娥二號”首次使用的X頻段，與“嫦娥一號”使用的S頻段相比，它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是什么？

　　探月二期工程將采用X波段測控體制，嫦娥二號衛(wèi)星對此體制將進(jìn)行先期驗(yàn)證。目前，國內(nèi)型號中尚無星地X波段測控體制應(yīng)用的實(shí)踐，X波段深空應(yīng)答機(jī)的研制涉及設(shè)計(jì)、器件和工藝等一系列難點(diǎn)，將重點(diǎn)解決低信噪比的載波捕獲與跟蹤以及在解調(diào)損耗緊張、低信噪比條件下保持較高的靈敏度等關(guān)鍵技術(shù)。其難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：一是低信噪比下的載波捕獲跟蹤算法，二是小型化、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。為此，設(shè)計(jì)人員采取了以下措施進(jìn)行解決，一是進(jìn)行低信噪比下的載波捕獲數(shù)字處理算法的仿真驗(yàn)證，采用數(shù)字基帶處理技術(shù)，采用FPGA+DSP的框架，在保證精簡電路同時(shí)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性；二是單機(jī)、分系統(tǒng)聯(lián)試及星地對接試驗(yàn)全面驗(yàn)證。

　　嫦娥二號衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的四點(diǎn)變化

　　在軌道設(shè)計(jì)上，嫦娥二號與嫦娥一號有何不同？

　　與嫦娥一號衛(wèi)星相比，嫦娥二號衛(wèi)星在軌道設(shè)計(jì)方面存在四點(diǎn)不同。一是嫦娥一號衛(wèi)星是由運(yùn)載火箭送入環(huán)繞地球的橢圓軌道，再利用衛(wèi)星自身推力進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，而嫦娥二號衛(wèi)星則是由運(yùn)載火箭直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道；二是近月制動點(diǎn)軌道高度由嫦娥一號衛(wèi)星的200公里變?yōu)殒隙鸲�號衛(wèi)星的100公里；三是環(huán)月軌道由嫦娥一號衛(wèi)星的200公里變?yōu)殒隙鸲�號衛(wèi)星的100公里；四是嫦娥二號將把軌道高度降低至100kmX15km，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像。

　　軌道變化將給衛(wèi)星帶來什么影響？

　　嫦娥一號的軌道高度是200公里，而嫦娥二號是100公里和100X15公里，這個(gè)變化過程有哪些難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)？

　　與嫦娥一號衛(wèi)星200km×200km軌道不同，嫦娥二號衛(wèi)星的環(huán)月軌道調(diào)整為100km圓軌道、100km×15km橢圓軌道。

　　這一軌道變化對衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、各分系統(tǒng)適應(yīng)性方面將帶來全局性影響。相比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(yù)報(bào)、軌道控制、測定軌精度提出了更高的要求，也對星上熱控、GNC、供配電等分系統(tǒng)帶來影響。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方面需調(diào)整飛行程序，協(xié)調(diào)與運(yùn)載火箭系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)間的接口。在適應(yīng)性修改方面，需適應(yīng)性調(diào)整熱控設(shè)計(jì)、擴(kuò)大紫外敏感器視場、設(shè)計(jì)飛行程序，核算功率平衡、定向天線指向和傳輸時(shí)間等。

　　針對軌道變化帶來的一系列難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，嫦娥二號衛(wèi)星在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證環(huán)節(jié)主要采取了五方面措施加以保證：一是模飛驗(yàn)證及星地?zé)o線聯(lián)試；二是軌道設(shè)計(jì)專題控制；三是軌道第三方復(fù)核；四是系統(tǒng)充分協(xié)調(diào)溝通；五是飛行程序分階段安排4次評審。

　　“動靜相宜”的四臺小相機(jī)

　　嫦娥二號衛(wèi)星上面安裝了四個(gè)微小相機(jī)的作用是什么？

　　嫦娥二號衛(wèi)星安裝了三臺監(jiān)視相機(jī)與一臺降落相機(jī)。三臺監(jiān)視相機(jī)即490N發(fā)動機(jī)監(jiān)視相機(jī)、定向天線監(jiān)視相機(jī)及太陽翼監(jiān)視相機(jī)。

　　490N發(fā)動機(jī)用于衛(wèi)星姿軌控，490N發(fā)動機(jī)監(jiān)視相機(jī)可以監(jiān)視其工作狀態(tài)，獲得發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作時(shí)的視頻圖像，并可在衛(wèi)星發(fā)射后從太空中拍攝地球圖像。

　　在衛(wèi)星繞月飛行過程中，定向天線通過旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)地球，傳輸各種數(shù)據(jù)信號，是衛(wèi)星與地面連接的紐帶，定向天線監(jiān)視相機(jī)拍攝的圖像可以監(jiān)視其工作狀態(tài)，由于定向天線360度旋轉(zhuǎn)，活動半徑大，距相機(jī)安裝位置較近，此相機(jī)采用了短焦距超廣角鏡頭。

　　太陽翼是衛(wèi)星的能量來源，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)太陽翼處于折疊狀態(tài)，星箭分離后打開并在衛(wèi)星飛行過程中不斷調(diào)整方向，使太陽電池對準(zhǔn)太陽，為整星工作提供能量，太陽翼監(jiān)視相機(jī)可以拍攝太陽翼展開過程及工作狀態(tài)，判斷太陽翼狀態(tài)是否正常，在姿軌控配合下還可拍攝地球與月球圖像，為了使獲得的地月圖像較好，該相機(jī)采用了一款長焦鏡頭。

　　由于這三臺監(jiān)視相機(jī)拍攝的目標(biāo)顏色各有不同，還需獲取地球和月球圖像，因此，三臺監(jiān)視相機(jī)設(shè)置為彩色相機(jī)。

　　降落相機(jī)將用于獲取月球表面圖像，相機(jī)具備清晰拍攝與快速拍攝兩種工作模式，可根據(jù)需要選擇不同的工作模式，由于月面目標(biāo)均為灰色，此相機(jī)為黑白相機(jī)。

　　為了實(shí)現(xiàn)以上的任務(wù)要求，同時(shí)盡量使相機(jī)做到重量輕、體積小、功耗低，降低衛(wèi)星發(fā)射及在軌運(yùn)行成本，4臺小相機(jī)集成了多種先進(jìn)技術(shù)。在總體方案設(shè)計(jì)上，采用了CMOS圖像傳感器，它是整個(gè)相機(jī)的核心元器件，具備集成度高、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于系統(tǒng)集成。為驗(yàn)證陽光直接照射進(jìn)視場內(nèi)對CMOS圖像傳感器有無影響，在地面進(jìn)行了激光照射試驗(yàn)，還對其進(jìn)行了各種抗輻照試驗(yàn)，確保CMOS圖像傳感器滿足在軌使用要求。

　　降落與監(jiān)視相機(jī)幀頻高，圖像數(shù)據(jù)量大，為減少整星數(shù)傳速率壓力，相機(jī)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的全色/彩色圖像壓縮算法，節(jié)省了系統(tǒng)資源。復(fù)雜圖像經(jīng)8：1壓縮后的峰值信噪比仍能達(dá)到40dB以上。

　　相機(jī)具備自動曝光的能力，能夠在復(fù)雜深空背景甚至衛(wèi)星無姿軌控制的情況下識別出有效目標(biāo)，利用特征提取算法，對視場內(nèi)的有效物體進(jìn)行分辨，并用快速收斂方法計(jì)算出合適的曝光時(shí)間，即使在復(fù)雜的環(huán)境下，最多只需5幅圖像就可以確定合適的曝光時(shí)間。由于拍攝目標(biāo)多種多樣，亮度差異明顯，要求相機(jī)的動態(tài)范圍寬，能適應(yīng)不同的光照條件及目標(biāo)特性，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，相機(jī)設(shè)定了較寬的曝光時(shí)間范圍，自動曝光算法可自動調(diào)整曝光時(shí)間至最佳。

　　太空中溫度條件、輻射條件非常惡劣，相機(jī)的可靠性安全性設(shè)計(jì)采用了諸多措施，并在地面進(jìn)行了各種環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，充分考核了其性能，確保相機(jī)在這種惡劣環(huán)境下順利完成各項(xiàng)任務(wù)。

　　相機(jī)通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可做到手掌大小，重量僅三四百克，集成了光、機(jī)、電、熱等先進(jìn)技術(shù)，能夠承受衛(wèi)星發(fā)射過程的強(qiáng)烈力學(xué)沖擊，并能在惡劣的太空環(huán)境下使用。相機(jī)集成了自動拍攝、實(shí)時(shí)圖像壓縮等智能操作，具備“動靜相宜”的拍攝能力，并能做到長壽命，高可靠。

　　嫦娥二號衛(wèi)星安裝的降落與監(jiān)視相機(jī)，可為其它航天活動的在軌監(jiān)視提供重要的參考價(jià)值。該類型的相機(jī)在空間活動監(jiān)視、深空探測、交會對接等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　嫦娥二號衛(wèi)星上三臺監(jiān)視相機(jī)與一臺降落相機(jī)獲得的圖像，可為整星提供重要的數(shù)據(jù)資料，并有利于探月工程成果的展示和宣傳，激勵人們了解航天、參與航天、熱愛航天的熱情。

　　嫦娥二號衛(wèi)星GNC系統(tǒng)三大創(chuàng)新點(diǎn)

　　嫦娥二號衛(wèi)星GNC系統(tǒng)有何新的變化和技術(shù)？難點(diǎn)是什么？

　　嫦娥二號衛(wèi)星GNC產(chǎn)品在主要繼承嫦娥一號衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，通過軟、硬件的修改，實(shí)現(xiàn)了三大技術(shù)創(chuàng)新：一是通過紫外敏感器的軟、硬件修改，實(shí)現(xiàn)了近月與環(huán)月的輔助導(dǎo)航；二是通過GNC軟件升級，實(shí)現(xiàn)了更加靈活的軌道控制，可以實(shí)現(xiàn)非測控區(qū)的軌道控制，并可在變軌后當(dāng)圈進(jìn)入對月定向；三是實(shí)現(xiàn)了載荷與敏感器互用，紫外敏感器增加了拍圖與傳圖功能，能夠拍攝月球的130米分辨率的紫外圖像，并能覆蓋月面80%以上的區(qū)域。

　　106個(gè)預(yù)案確保在軌飛行受控

　　飛控試驗(yàn)隊(duì)制定了哪些應(yīng)急預(yù)案？

　　嫦娥二號衛(wèi)星的飛行任務(wù)總體上與嫦娥一號衛(wèi)星任務(wù)相似，一個(gè)重要特點(diǎn)是工作模式復(fù)雜、動作時(shí)序性強(qiáng)，尤其是關(guān)鍵變軌窗口具有唯一性和短暫性，這對地面飛控能力提出了很高的要求。

　　嫦娥二號任務(wù)相比嫦娥一號衛(wèi)星相比更加復(fù)雜，不僅近月捕獲高度由200km降低至100km，特別是新增加了100km×15km近月點(diǎn)成像任務(wù)，飛控操作復(fù)雜，需衛(wèi)星系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)和測控系統(tǒng)多方配合。

　　為了確保在軌飛行過程中地面能及時(shí)準(zhǔn)確地定位故障，并在最短的時(shí)間內(nèi)完成故障應(yīng)對處理，衛(wèi)星系統(tǒng)在嫦娥一號衛(wèi)星故障預(yù)案的基礎(chǔ)上開展了嫦娥二號衛(wèi)星故障預(yù)案工作。根據(jù)嫦娥二號衛(wèi)星特點(diǎn)，在嫦娥一號衛(wèi)星故障預(yù)案的基礎(chǔ)上不斷增加或重新修訂，共形成106個(gè)故障預(yù)案。其中新增典型預(yù)案有七個(gè)，即100km×15km軌道虹灣成像故障預(yù)案；有效載荷分系統(tǒng)故障預(yù)案(CCD立體相機(jī)和大容量存儲器新研)；技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng)故障預(yù)案(分系統(tǒng)新研)；100km環(huán)月飛行太陽翼高溫故障預(yù)案；490N發(fā)動機(jī)長壽命使用故障預(yù)案；單粒子事件故障預(yù)案；490N發(fā)動機(jī)高溫預(yù)案。(廠文)