嫦娥四号冯·卡门撞击坑着陆区地形及月面遮挡分析

嫦娥四号任务实现了人类首次月球背面软着陆.在任务设计阶段,为制定着陆器动力下降控制策略和设计月面工作程序,根据嫦娥二号、LRO等月球卫星探测得到的图像、激光测高等数据,对冯·卡门撞击坑着陆区的高程起伏、坡度、撞击坑和石块分布密度,以及着陆区内地形对光照和中继链路遮挡进行了详细分析.本文对嫦娥四号冯·卡门撞击坑着陆区的地形地貌情况进行了总结,对地形地貌及遮挡分析所使用的方法进行了详细说明,同时将嫦娥四号着陆区同嫦娥三号虹湾着陆区的地形地貌进行了对比分析,最后对实际在轨着陆点进行了精确定位并分析了着陆点周围地形的遮挡情况.所形成的系统性分析方法在轨得到了全面验证,并为后续月球及深空探测软着陆任务奠定了坚实的基础.     

嫦娥四号着陆器在轨实践总结与评估

嫦娥四号着陆器于2019年1月3日着陆月球背面,实现了人类首次月球背面软着陆.与着陆月球正面的任务相比,嫦娥四号着陆区选择在月球背面南极-艾特肯盆地内,地形崎岖,无法直接与地球通信,嫦娥四号着陆器飞行控制过程需对月球背面复杂地形环境和中继通信带来的约束进行针对性设计.实际在轨飞行结果表明,飞行和月面工作正常,实现了预期的精确变轨,在稳定的中继链路支持下完成了动力下降并开展月面工作,月夜温度采集器和有效载荷均在轨开机并持续获取探测数据.本文利用着陆前后的遥测数据,对接近月面过程中的发动机羽流与月面的相互作用效果、着陆缓冲情况进行了评估,并与嫦娥三号相关数据进行了对比.嫦娥四号着陆器的在轨数据挖掘与分析,可用于进一步完善地面仿真分析模型,优化设计,为月球背面环境的科学研究提供工程技术基础.     

嫦娥四号着陆器制导导航与控制系统

嫦娥四号着陆器实现了人类首次月球背面软着陆任务,着陆器的制导、导航与控制(GNC)系统是最重要的分系统之一.针对嫦娥四号着陆器月球背面软着陆的任务特点,本文提出了月球背面着陆轨迹设计、前后台并行容错导航、自主故障诊断和处理策略.实际在轨飞行结果表明,这些算法合理可行,着陆器成功着陆在预定着陆区,着陆姿态和速度优于需求,圆满完成了软着陆任务.本文介绍了嫦娥四号着陆器GNC系统的要求、组成、部分算法以及在轨飞行结果.     

嫦娥四号中继星任务轨道设计与实践

嫦娥四号中继星作为嫦娥四号任务的重要组成部分,肩负着为月背面着陆任务提供中继通信的使命.本文详细介绍了嫦娥四号中继星的任务轨道设计过程,首先,针对任务需求和约束给出了使命轨道方案的选择和设计结果;其次,针对转移轨道的任务关键参数、轨控策略及速度增量预算等方面进行了说明;最后,将在轨飞行实践情况与轨道设计结果进行了对比.飞行数据表明,中继星任务轨道设计结果正确,策略设计合理,可以满足中继任务要求.     

嫦娥四号月球探测器定时定点着月控制

嫦娥四号探测器预选着陆点在月球背面冯·卡门撞击坑,着陆区域较小,且要求定时定点着陆控制,同时着陆前的飞行时间长、阶段控制多,因而精确控制难度较大.针对该问题,基于轨道偏差随摄动的演化特性,结合解析法和数值法优点,提出了动力学控制参数的半解析求解方法.首先,通过对着月点和动力下降点位置的分析,得到了着月点和动力下降点位置的解析关系.同时,分析得到了着陆点经度偏差与轨道平面偏差的解析关系.其次,研究了轨道控制策略,按飞行阶段给出了轨道平面偏差到偏航角的转换方法和着月时间到目标半长轴的调整方法.最后,给出了本方法在嫦娥四号工程中的实际应用情况,基于对实际任务结果的分析可见,实现了着月控制参数的快速精确求解.     

基于嫦娥一号卫星激光测高数据的月球DEM及高程分布特征模型

嫦娥一号卫星激光高度计获取了820多万个有效记录点,为了探索利用嫦娥一号卫星激光测高数据生成高精度的月球数字高程模型,本文提出了层次多结点样条算法,该算法利用一系列从粗糙到精细的多结点样条控制网格来逐步逼近或插值给定的激光测高数据.基于该算法,利用嫦娥一号卫星激光测高数据,生成了空间分辨率为0.0625°×0.0625°的全月球数字高程模型,并将该模型分别与ULCN2005和CLTM-s01及日本"月女神"模型进行了对比.同时,探讨了月面高程分布规律,并建立了嫦娥一号卫星高程的分布特征模型.全月球、月球正面高程呈正偏态、高峰态的正态分布;月球背面高程呈正偏态、低峰态的正态分布.     

嫦娥二号卫星技术成就与中国深空探测展望

嫦娥二号卫星是中国第二颗月球探测卫星,设计主要目标为先期验证后续月球着陆任务的部分关键技术,并深化月球科学探测.圆满完成既定任务后,嫦娥二号飞离月球,进入行星际空间,在国际上首次实现从月球轨道转移日-地拉格朗日L2点.此后,在距地700万千米,实现国际上首次与4179图塔蒂斯小行星近距离交会并获取最高分辨率优于3m的光学图像.本文主要描述了嫦娥二号卫星的主要任务要求、任务特点、研制历程、在轨飞行评价、扩展任务、后续飞行状态和取得的主要技术成就.在分析、对比国内外深空探测现状的基础上,提出未来我国深空探测后续发展的几点建议.     

基于视觉的嫦娥四号探测器着陆点定位

我国于2018年12月8日发射嫦娥四号月球探测器,实施世界上首次月球背面软着陆和巡视探测.探测器着陆点的快速高精度定位是其中的一个重要技术环节,也是着陆器和巡视器开展月面探测工作的重要前提.本文基于高精度图像匹配和几何变换方法,结合实际工程任务需求,首先利用探测器动力下降期间的近实时高压缩比降落序列影像完成了着陆点的快速初始定位;其次利用回放的低压缩比降落影像对该位置进行了精化,最终解算的嫦娥四号探测器着陆点位置为(177.5884°E, 45.4565°S).该定位方法及结果被成功应用于实际工程任务中,为嫦娥四号任务着陆区的地形分析及后续遥操作的任务规划提供了重要支持.     

嫦娥四号任务中继星“鹊桥”技术特点

我国的嫦娥四号任务在世界上首次软着陆于月球背面开展科学探测,中继通信是必须解决的一个关键问题.作为嫦娥四号任务的重要组成部分,中继星"鹊桥"为工作在月球背面的着陆器和巡视器提供中继通信支持.不同于其他月球探测器,鹊桥首次选择了绕地月L2平动点运行的晕(Halo)轨道以保证对月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务,技术状态新,研制难度大,面临诸多技术挑战.本文对嫦娥四号中继星的任务特点进行了分析,梳理了研制中面临的主要技术挑战,包括使命轨道的选择和设计、中继通信系统方案选择、星上设备对低温环境的适应性等,概括介绍了鹊桥的总体技术方案和飞行任务流程,结合在轨飞行结果总结了鹊桥的主要技术特点和创新点,并对月球中继通信卫星的未来发展进行了展望.     

嫦娥一号月球卫星缩短阴影时间的分析与实现

通过对“嫦娥一号”月球卫星在2008年2月21日月食期间的卫星阴影时间进行分析, 明确了卫星轨道参数升交点经度和卫星相位与卫星阴影的密切关系, 得出了通过月食前调整卫星相位以缩短卫星阴影时间的方法. “嫦娥一号”卫星利用该方法实施的调相轨道控制, 使卫星阴影时间缩短了约 1.5 h, 有效地保障了月食期间的卫星安全.     

嫦娥一号月面成像的高次函数形变模型匹配及超分辨率重建

分析了起伏地形在星载三线阵像机不同传感器上成像的形变模式. 针对嫦娥一号探月卫星2C级月面成像, 提出了在运动方向上用二次函数表示图像形变的线阵立体像机图像匹配方法. 用该匹配方法与标准相关方法相结合完成了嫦娥一号卫星成像的下视图与前视图、后视图的精确配准, 基于非均匀样本小波插值的超分辨率重建算法实现了嫦娥一号卫星月面图像的超分辨率重建, 增加了图像的可识别目标, 充分挖掘了嫦娥一号卫星的图像信息.     

前言——记嫦娥四号月球探测器专题

<正>嫦娥四号任务实现了人类首次月球背面软着陆和巡视勘察,意义重大,影响深远,举世瞩目.嫦娥四号探测器系统由着陆器、巡视器"玉兔二号"和中继星"鹊桥"组成.嫦娥四号任务分为两次发射:第一次, 2018年5月21日,中继星成功发射, 6月14日顺利进入绕地月L2平动点的Halo使命轨道;第二次, 2018年12月8日,着陆器、巡视器组     

“嫦娥”1号对月球表面微波辐射观测分析及其月壤厚度反演

我国"嫦娥"1号绕月卫星在世界上首次搭载了多通道微波辐射计,测量整个月球表面的微波热辐射,由此用以反演月球表面月壤厚度分布.文中以"嫦娥"1号微波辐射计2007年11月至2008年2月对月表的621轨观测数据为基础,由太阳入射角选取与归组对应的月表辐射亮度温度,按近邻插值方法得到整个月球表面昼夜辐射亮度温度分布.由月尘、月壤、月岩三层微波热辐射模型分析月球表面辐射亮度温度随纬度、频率以及FeO+TiO₂含量的分布特征.首先以Apollo着陆点月壤层参数的实测值为基础,对Apollo着陆点辐射亮度温度的实测值与理论值进行了比较和定标分析。以Apollo着陆点高频通道对物理温度的反演为基础,结合月表面物理温度随纬度变化的经验性结果,由穿透深度较大的3 GHz通道的辐射亮度温度反演出整个月球表面的月壤厚度分布,并与Apollo着陆点月壤厚度的实测值做了比较与验证。     

高精度再入返回轨道控制技术

2014年11月1日,月地高速再入返回飞行器准确着陆在预定着陆区,标志着探月工程三期月地高速再入返回任务取得了圆满成功.其中飞行器服务舱的制导,导航与控制系统以高精度的再入角和准确的返回再入速度将返回器送入返回走廊,是整个飞行任务的关键环节.本文介绍了为实现以11 km/s速度再入返回地球,解决对地球再入角和返回速度的准确度要求高的难题,飞行器服务舱的制导,导航与控制系统所采用的轮控姿态管理,喷气管理和高精度加速度计闭环轨控的组合技术.在轨实施取得了轨道控制精度小于0.009 m/s,再入角控制精度小于0.024°的控制结果,达到了再入返回轨道控制的高水平.     

内编队重力场测量卫星全推力姿轨一体化控制研究

内编队重力场测量卫星作为一种新概念的纯引力轨道飞行器,通过精密定轨和相对状态测量实现高精度地球重力场测量.其中对外卫星的控制保持编队内卫星在纯引力轨道上稳定飞行是决定测量水平的关键因素之一.针对稳态工作模式的内编队系统,研究了仅用推力器实现姿态轨道一体化控制的问题,构建了姿态非线性和共用推力器引起的姿态轨道耦合的六自由度平动和转动动力学模型,并基于约束非线性模型预测技术建立了姿轨一体化控制的二次型优化模型.通过仿真实验可知,约束非线性模型预测控制方法计算快速,能克服部分约束条件的非凸性;推力器布局合理,推力消耗低,满足内编队系统任务需求.     

一种环月交会对接航天器的自主导航方法

我国正在进行月球采样返回工程,月球轨道交会对接是采样返回任务中关键环节之一.本文提出了一种新交会过程中目标航天器和追踪航天器自主航方法.该方法综合利用成像敏感器、交会雷达和激光高度计测量信息,结合绝对轨道动力学模型,利用UKF滤波算法设计航滤波器,能够同时估算交会对接过程中追踪航天器和目标航天器绝对轨道参数.在月球阳照区,采用成像敏感器和交会雷达测量信息进行自主航;在月球阴区,则采用交会雷达和激光高度计测量信息进行自主航.通过理论分析和数学仿真,验证了所提出自主航方法有效性.本文所提出方法为月球轨道交会对接工程实现提供了理论参考.     

基于△DOR信号的高精度VLBI技术

在嫦娥二号（CE-2）工程中,我国首次开展了X波段ADOR测量实验,获取了ADOR信号的VLBI时延数据,并用于精密定轨．本文给出了CE-2中ADOR信号的VLBI测量与数据处理方法,结合我国VLBI测量系统对时延数据进行了误差分析及精密定轨分析．结果表明：ADOR信号的VLBI时延精度优于0．5ns,比利用S波段信标的测量精度提高约一个数量级．本研究成果为后续的月球及深空探测高精度测定轨提供了重要的技术手段．     

利用阴影计算建筑物高度的模型比较分析

目前有多种利用高分辨率卫星影像阴影计算建筑物高度的模型,但模型的适用条件却很少讨论.本文对利用单张高分辨率卫星影像提取建筑物高度的模型进行综舍分析,并利用QuickBird影像数据和实测建筑物高度数据对不同的计算模型进行验证分析.结果表明,不同的模型在数据的适用性和参数要求方面存在较大差别,而精准计算模型能够适用于多种成像条件的高分辨率影像,具有较好的实用价值.     

地月中继链路系统设计与验证

嫦娥四号任务由着陆器、巡视器和中继星组成,中继星先于着陆器与巡视器发射,着陆器与巡视器着陆于月球背面开展探测任务.中继链路系统负责搭建地面站与月面探测器之间的通信链路,是其工程实现的关键组成部分之一.本文针对嫦娥四号任务特点,开展中继链路系统任务需求分析,并提出中继链路系统方案.该方案在兼顾任务需求的同时,充分继承了嫦娥三号任务成果,并开展系统级优化设计,降低了嫦娥四号任务工程实现代价.该方案结合嫦娥四号任务实际过程,对动力下降、着陆器与巡视器分离、休眠唤醒等关键过程中的中继链路系统工作模式开展设计.最后,本文对系统验证情况进行了介绍.     

伽玛关机敏感器测距中120°发射锥角的研究

嫦娥三号实现"软着陆"中关键技术之一是精确把握关机高度.伽玛关机敏感器采用发射器向月面发射光子,通过接收器记录的光子数判断航天器与月面距离.利用Geant4对简化的发射器-接收器系统进行仿真,论证锥角发射器优势并证实工况非锥角发射器选用的决定性因素.通过发射器锥角微分分析充分说明伽玛关机敏感器选用120°锥角发射器的必要性和合理性,证实伽玛测距中光子散射分布特性与传统激光测距直线传播镜面反射不同,并展示二者显著差异.在仿真结果基础上并保证完成着陆任务前提下,对样机设计提出改善方案以减少放射性对航天器件的辐射损伤.