嫦娥三号“玉兔号”巡视器遥操作中的关键技术

2013年12月14日,"嫦娥三号"成功地将月面着陆器和"玉兔号"巡视器送抵月球,这标志着我国已完成了探月工程中"落"月的重要阶段.嫦娥三号任务的一个关键组成部分是由地面遥操作中心控制"玉兔号"巡视器在月面非结构化环境中进行巡视和科学探测,而遥操作技术正是该组成部分成功实施的关键."玉兔号"巡视器遥操作技术主要包括巡视器的导航定位、月面地形重构、行驶路径规划和机械臂探测等关键步骤,这些步骤相互支撑与融合,保证了嫦娥三号任务的顺利实施.本文在对上述4个方面关键技术的发展和应用现状进行总结的基础上,阐述了相关的主要技术途径及其应用特点,分析了各种技术在"玉兔号"月面巡视与科学探测任务实施中的发挥的重要作用,并评述了它们的发展潜力和应用前景,对中国探月工程以及后续火星探测工程中的遥操作具有一定的指导意义.     

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．     

面向日地拉格朗日L2点探测的深空遥测数传系统设计与试验

嫦娥二号卫星首次实现从月球轨道飞向日地拉格朗日L2点开展深空探测试验。受当前星地测控设备天线口径限制,遥测数传系统面临作用距离远、接收信号弱的技术难题,为此开展了地面弱信号捕获、低损失数据解调和高效信道译码等新技术探索与试验验证。试验结果表明,地面遥测数传系统成功实现了1 500 000~1 700 000 km的数据接收解调,并具有实现更远距离深空通信的拓展能力。     

深空探测之前沿科学问题探析

深空探测的驱动力源于人类探索未知的天性,是科学研究的前沿领域之一.自二十世纪六七十年代的月球探测高潮以来,人类的深空探测任务已经实现了对太阳系八大行星等主要天体的探测,获得了大量的科学发现,同时也发现了更多未解之谜.进入21世纪以后,人类深空探测迎来了又一次高潮,参与探测的国家和探测任务的数量都有了巨大提升,技术的发展也提高了探测的成功率.从太阳系形成到生命出现并演化到智慧生物,太阳系经历了复杂的演化过程,地球和其他行星环境经历了剧烈变化.要证实和重建这个过程还有大量科学问题有待回答,需要依赖更多精密计划的深空探测任务去寻找线索.太阳系的形成与演化、行星宜居性、地外生命探索等是当前深空探测的核心科学内容.前太阳系物质组成、太阳系的初始状态、行星系统的形成过程是太阳系形成与演化研究的关键科学问题,类地行星沿不同路径演化的原因是行星宜居性研究的重要方面.地外生命探测是深空探测的核心内容之一,生命的起源与演化、地外生命信号识别、地球极端环境类比等是主要的研究内容.针对已经计划和正在论证的深空探测任务,系统梳理其中的前沿科学问题及其研究现状和研究手段,能够为深空探测任务的科学规划提供参考,孕育...     

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.     

嫦娥二号日地拉格朗日L2点探测轨道设计与实施

嫦娥二号在国际上首次成功实现了从月球环绕轨道飞向日-地拉格朗日L2点的飞行任务.本文系统地研究了该任务的轨道设计问题,提出了高精度星历模型下日-地拉格朗日L2点附近Lissajous目标轨道的设计方案;针对复杂日-地-月系统动力学环境,基于非线性动力系统流形等理论,提出了日-地与地-月双三体系统下的低能量转移轨道方案.飞行试验结果证明了嫦娥二号日-地拉格朗日L2点探测轨道设计方案的正确性和可行性.     

行星际小推力转移轨道分层初始设计方法

针对小推力转移轨道设计问题,提出了一种结合切比雪夫多项式拟合和离散脉冲策略的分层初始设计方法.基于曲线拟合思想采用切比雪夫多项式对小推力轨道进行逼近,建立起轨道状态与时间的关系,避免了传统曲线拟合策略中时间约束的解算并舍去了速度方向假设;在全局搜索中利用低阶多项式求解边界约束得到降维解空间中的全局最优解;在此基础上,增加切比雪夫多项式的自由度并局部优化;通过脉冲离散并进一步优化求解出引入路径约束的小推力轨道.以地火交会轨道及地-火-木星借力交会轨道为例对所提方法进行了仿真验证,结果表明此方法可有效地对交会、借力轨道进行快速全局初始设计.     

利用引力辅助的行星际周期轨道间转移研究

三体动力学系统动平衡点附近存在的周期轨道在空间探测任务中有着重要的应用价值.本文研究了流形不相交三体系统周期轨道间的转移问题,提出了一种结合流形和引力辅助技术的转移轨道设计方法.首先通过定义近拱点庞加莱映射搜索周期轨道不变流形的近拱点,然后给出了任意初始状态达到一定双曲超速所需速度增量的计算方法,从而得到了最佳逃逸流形和捕获流形的选择依据,并结合等高线图法与近拱点庞加莱映射分析了周期轨道利用该方式进行逃逸或捕获的性质.在此基础上,基于受摄三体模型建立了流形逃逸点到捕获点转移轨道的优化模型,通过微分修正策略将优化模型化简为仅有两个参数的无约束优化问题,并采用单纯形算法进行了求解.以地球-火星和地球-金星转移为例对所提方法的有效性进行了验证,数值结果表明:结合流形和引力辅助技术可有效降低周期轨道间转移的能量消耗.     

关于建立我国空间核动力源应用安全机制的建议

正由于探测目标与太阳的关系问题,月球与深空探测面临受天体遮挡长期无太阳光照或远距离弱太阳光照,无法满足探测器能源需求的严重问题.空间核动力源(同位素热/电源、反应堆电源/推进系统)由于其自主能源供给,被认为是解决这一问题的最佳途径.与地球表面应用相比,空间核动力源的应用有着特殊的安全要求.与地面核能应用不同的是,空间核能源的使用频次低,而且会因为飞行项目的不同而有所区别,其体     

空间核反应堆电源研究

空间核反应堆电源是自持的核裂变能在空间的应用,能从根本上解决未来航天器大功率需求的瓶颈问题,是大规模开发和利用空间资源的前提.本文在综述国外新型空间核裂变反应堆电源的技术方案、发展规划的基础上,结合未来发展趋势、任务需求和主要技术路线,提出了空间核反应堆电源按照10, 100, 1000 kWe级不同功率等级分阶段滚动发展的设想,以及需重点突破的关键技术、涉核安全性应重点关注的内容,可为未来空间核反应堆电源的研制提供参考.