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.     

嫦娥四号探测器系统任务设计

嫦娥四号任务将实现人类首次月球背面软着陆,开展就位与巡视探测,并通过中继星将探测数据传输回地球.同月球正面着陆任务相比,月球背面具有更重要的科学意义和工程挑战.本文对嫦娥四号的科学目标和工程目标进行了介绍,对探测器系统的组成和飞行任务概貌进行了说明,重点对技术难度较大的复杂月面地形的安全着陆、中继通信、月夜温度采集和有效载荷等四个方面进行了概要设计研究.     

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.     

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.     

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     

嫦娥三号探测器技术进步与推动

嫦娥三号探测器的任务目标是实现我国在地球以外天体的首次软着陆和巡视探测,在探测器研制技术特点分析的基础上,分析了各项关键技术已取得的突破,以及嫦娥三号的技术推动作用．     

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.     

嫦娥三号月球车机械臂探测点定位方法

结合中国嫦娥三号月球车探测的科学应用目标,提出了一种基于投影变换的机械臂探测点定位方法.该方法在总结鱼眼镜头成像模型基础上,建立球面投影与透视投影间的转换关系,求得球面投影中像主点坐标和球半径,利用相关参数将球面投影图像转化为透视投影图像;结合月球车上鱼眼相机的安装位置相对固定,将转换后的透视投影图像重采样生成核线影像.利用相关系数和最小二乘匹配,在鱼眼相机核线影像上实现特征点的亚像素级匹配.通过前方交会计算探测点的三维坐标,并结合探测点邻域点坐标拟合最佳空间平面,获取平面的法向量,即机械臂探测点的定位.采用该方法对仿真图像进行了定位计算,并将计算值与仿真真值进行比较,总误差约为2 mm.实验结果表明,该方法完全能够满足嫦娥三号月球车机械臂探测的定位精度.     

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.     

前言——天问一号火星探测器专题

天问一号任务是我国行星探测工程的首次任务,在国际上首次通过一次任务实现火星"环绕、着陆、巡视"的三步跨越,是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展.天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成,环绕器对火星开展全球性、综合性的环绕探测,着陆巡视器释放火星车在火星表面开展区域巡视探测.2020年7月23日,探测器在海南文昌...     

嫦娥三号巡视器GNC及地面试验技术

嫦娥三号巡视器是我国首个实现地外天体表面巡视探测的航天器,其制导导航控制（GNC）技术与地球卫星和飞船等全然不同.嫦娥三号巡视器GNC系统突破了月面自主导航定姿定位和协调运动控制、基于双目立体视觉的自主环境感知、基于地形通过性量化分析的路径规划、基于主动结构光被动视觉的激光探测避障以及地面试验验证等关键技术.在轨飞行试验结果表明,GNC系统实现了既定任务目标,为未来火星等深空巡视探测任务奠定了技术基础.本文对巡视器GNC系统的任务要求、系统组成、功能实现方案及关键技术、工作模式、地面试验验证及在轨飞行情况等方面进行了系统介绍.     

嫦娥二号卫星多目标多任务设计与经验

嫦娥二号卫星在圆满完成后续工程先导技术验证和科学探测任务后,又相继开展了日-地拉格朗日L2点和飞越Toutatis小行星探测,开创了我国多目标探测的先河,开拓了拉格朗日点和小天体新的探测领域.在剖析以往国际上典型多目标多任务探测器特点后,本文紧扣牵引技术发展主题,提出了以系统创新拓展领域,提升能力,带动技术突破和产品发展的思路,设计了在短周期等约束条件下实现多目标探测的策略与步骤;其次针对设定目标任务和推进技术发展的需求,提出了实现更远距离、更多技术验证的高可靠、高精度和自主运行的设计要点,简述了相关技术突破的情况;基于在轨运行表现,分析、汇总嫦娥二号的实现结果和预期改进目标;最后,梳理总结了嫦娥二号在任务设计、技术突破和实施程序与方法等方面的成功创新经验,可供未来任务借鉴.     

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.     

月面巡视区域地形与巡视器通过性统计分析

在国内外月球地形地貌的研究成果综述的基础上,利用"嫦娥三号"巡视器获得的巡视区域地形信息,对月岩和撞击坑等典型地形特征的分布进行了统计分析,构建了描述分布规律的数学模型.对巡视器的通过性进行了研究,得到了不同通过能力对应的平均自由程等分析结果,作为巡视器路径规划及运动模式选择的基础,也可以作为后续软着陆任务地形特征建模的参考.     

嫦娥四号巡视器天地一体化安全操控设计

嫦娥四号实现了人类首次月背着陆巡视探测,中继通信支持的任务约束以及复杂月背地形给巡视器的月面工作带来了挑战.针对控制结果延时反馈、月背崎岖地形、月背地形遮挡、月面环境不确定性等任务特点,从器上自主控制和地面智能操控两方面构建安全操控架构,着重解决了机构安全控制、可靠释放分离、安全移动、自主热控、休眠唤醒、高效安全工作等关键难题,保障巡视器成功完成了月背巡视探测任务.     

“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。     

嫦娥四号月面巡视器全景相机制图方法

作为嫦娥四号月面巡视器的科学载荷,全景相机不仅承担着探测月面地质的任务,同时可以用于制图和地形重建,直接服务于巡视器的导航规划工作.在试验场选用一种模型方法用于前期标定实验,但为了后期制图工作的方便往往需要选用另一种模型,基于此,本文提出了一种基于畸变模型参数转换的去畸变方法,技巧性地解决了标定模型和制图模型不一致的问题,并融合支持像点(support points)稠密匹配、空间前方交会、最小二乘光束法平差、离散点云生成、德劳内三角化等多项技术,将全景相机影像用于制图工作.基于月面巡视器在LE00210站点拍摄的全景相机影像,在实验室构建控制场对本文提出的畸变模型参数转换方法进行了可行性和精度测试,结果表明畸变模型转换后定位精度优于1.6 cm,相对距离精度优于4%,并成功应用于嫦娥四号巡视器全景相机制图.