嫦娥二號關(guān)鍵技術(shù)解析：106個預(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)改進和不同點

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

　　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載火箭發(fā)射至近地點高度200km、遠地點高度約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，在近月點自主實施制動，實現(xiàn)月球捕獲，變軌后進入100km環(huán)月圓軌道。在環(huán)月運行期間，衛(wèi)星將擇機實施軌道機動，進入100km×15km的橢圓軌道，開展技術(shù)驗證和二期工程備選著陸區(qū)成像試驗；試驗完成后，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)驗證：一是配合運載火箭驗證地月轉(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，配合中國新建的X頻段地面測控站，試驗X頻段測控技術(shù)；三是驗證距月面100km近月制動的月球軌道捕獲技術(shù)；四是驗證100km×15km軌道機動與飛行技術(shù)；五是試驗遙測信道低密度奇偶校驗碼(LDPC)編碼技術(shù)，月地高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及降落相機技術(shù)；六是對備選著陸區(qū)進行高分辨率成像試驗。此外，在“嫦娥一號”衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，改進有效載荷性能，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，它的特點和優(yōu)點是什么？

　　探月二期工程將采用X波段測控體制，嫦娥二號衛(wèi)星對此體制將進行先期驗證。目前，國內(nèi)型號中尚無星地X波段測控體制應(yīng)用的實踐，X波段深空應(yīng)答機的研制涉及設(shè)計、器件和工藝等一系列難點，將重點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)。其難點主要有兩個方面：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)計技術(shù)。為此，設(shè)計人員采取了以下措施進行解決，一是進行低信噪比下的載波捕獲數(shù)字處理算法的仿真驗證，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，提高系統(tǒng)設(shè)計靈活性；二是單機、分系統(tǒng)聯(lián)試及星地對接試驗全面驗證。

　　嫦娥二號衛(wèi)星軌道設(shè)計的四點變化

　　在軌道設(shè)計上，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)計方面存在四點不同。一是嫦娥一號衛(wèi)星是由運載火箭送入環(huán)繞地球的橢圓軌道，再利用衛(wèi)星自身推力進入地月轉(zhuǎn)移軌道，而嫦娥二號衛(wèi)星則是由運載火箭直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道；二是近月制動點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，對目標區(qū)域進行成像。

　　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，這個變化過程有哪些難點和風險點？

　　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、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、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)計方面需調(diào)整飛行程序，協(xié)調(diào)與運載火箭系統(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、擴大紫外敏感器視場、設(shè)計飛行程序，核算功率平衡、定向天線指向和傳輸時間等。

　　針對軌道變化帶來的一系列難點和風險，嫦娥二號衛(wèi)星在設(shè)計和驗證環(huán)節(jié)主要采取了五方面措施加以保證：一是模飛驗證及星地無線聯(lián)試；二是軌道設(shè)計專題控制；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

　　嫦娥二號衛(wèi)星上面安裝了四個微小相機的作用是什么？

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

　　490N發(fā)動機用于衛(wèi)星姿軌控，490N發(fā)動機監(jiān)視相機可以監(jiān)視其工作狀態(tài)，獲得發(fā)動機點火工作時的視頻圖像，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，距相機安裝位置較近，此相機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，使太陽電池對準太陽，為整星工作提供能量，太陽翼監(jiān)視相機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，該相機采用了一款長焦鏡頭。

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

　　降落相機將用于獲取月球表面圖像，相機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，由于月面目標均為灰色，此相機為黑白相機。

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

　　降落與監(jiān)視相機幀頻高，圖像數(shù)據(jù)量大，為減少整星數(shù)傳速率壓力，相機對圖像數(shù)據(jù)進行了壓縮，實現(xiàn)了先進的全色/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到40dB以上。

　　相機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，利用特征提取算法，對視場內(nèi)的有效物體進行分辨，并用快速收斂方法計算出合適的曝光時間，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間。由于拍攝目標多種多樣，亮度差異明顯，要求相機的動態(tài)范圍寬，能適應(yīng)不同的光照條件及目標特性，為實現(xiàn)這一目標，相機設(shè)定了較寬的曝光時間范圍，自動曝光算法可自動調(diào)整曝光時間至最佳。

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

　　相機通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計可做到手掌大小，重量僅三四百克，集成了光、機、電、熱等先進技術(shù)，能夠承受衛(wèi)星發(fā)射過程的強烈力學(xué)沖擊，并能在惡劣的太空環(huán)境下使用。相機集成了自動拍攝、實時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，可為其它航天活動的在軌監(jiān)視提供重要的參考價值。該類型的相機在空間活動監(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)視相機與一臺降落相機獲得的圖像，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

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

　　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，實現(xiàn)了更加靈活的軌道控制，可以實現(xiàn)非測控區(qū)的軌道控制，并可在變軌后當圈進入對月定向；三是實現(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個預(yù)案確保在軌飛行受控

　　飛控試驗隊制定了哪些應(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，一個重要特點是工作模式復(fù)雜、動作時序性強，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準確地定位故障，并在最短的時間內(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，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個故障預(yù)案。其中新增典型預(yù)案有七個，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立體相機和大容量存儲器新研)；技術(shù)試驗分系統(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)動機高溫預(yù)案。(廠文)