火星车绝对定位方法选择

针对火星巡视探测任务,提出3种火星车绝对定位方法:无线电测控定位、图像匹配定位、位置圆定位。无线电测控方法首先确定环绕器的轨道,然后利用环绕器和火星车的器间通信定位确定火星车的绝对位置;图像匹配方法利用着陆过程中的降落图像与带地理信息的着陆区地形图进行匹配,实现火星车的位置确定;位置圆方法通过敏感器在多个时刻测量阳光矢量方向和重力矢量方向,结合星历信息求解火星车的位置。对3种方法进行分析比较,根据定位精度、使用约束等因素,给出在轨使用建议:位置圆定位为基本方法,无线电测控定位作为校验手段,图像匹配定位作为修正手段,以满足火星车快速、高精度的定位需求。     

天问一号探测器进入环火轨道

正2021年2月10日,我国首个火星探测器天问一号终于飞抵火星,并成功实施捕获制动,精准进入环火轨道,正式开启了环绕火星阶段的探测任务。2020年7月23日,天问一号探测器在文昌航天发射场成功发射,由长征五号运载火箭直接送入地火转移轨道。历经202天的太空航行,天问一号抵达火星时飞行里程约4.75×10~8km,距离地球约1.92×10~8km,器地通信单向时延约10.7min,各系统状态良好。     

火星车的研制试验

正1引言2020年7月23日,我国天问一号火星探测任务实施,目标是实现火星环绕和着陆巡视探测,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器到达火星表面后释放火星车。     

火星车磁通门磁强计技术

火星磁场测量是国际火星探测任务的焦点之一,中国首次火星磁测任务通过在巡视器(即火星车)和环绕器上同时搭载磁强计,实现对火星磁场的火–空联合观测。巡视器磁强计载荷选用双探头三轴磁通门磁强计,采用亥姆霍兹补偿线圈型探头技术和全数字闭环反馈电路技术,实现空间磁场的高精度同点测量。单机在设计上考虑了可靠性安全性设计和空间环境适应性设计。经地面标定,单机量程可达到±6.5万nT,噪声水平优于0.01 nT/√Hz,分辨率达到了0.01 nT。     

天问一号进入下降着陆过程GNC关键技术

正1引言我国首次火星探测任务天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器(包括进入舱和祝融号火星车)组成,通过一次任务实现了火星环绕、着陆和巡视三大目标[1]。天问一号探测器于2020年7月23日成功发射,2021年2月10日进入火星环绕轨道,2021年5月15日7时18分,着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选区,标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。     

欧阳自远:我国火星探测应高起点发展

根据"第五届国防科技工业试验与测试技术发展战略高层论坛"消息,我国有望在2020年采用搭乘长征五号直接转移方式首次发射火星环绕器和火星车。本刊针对读者关心的问题,采访了我国绕月探测工程首席科学家、长期系统开展各类地外物质(陨石、宇宙尘、月岩)、比较行星学、天体化学与地球化学的研究的中国科学院欧阳自远院士,请他点评火星探测的最新进展和中国探测火星的科学目标着眼点。     

基于太阳敏感器的静止轨道卫星轨道估计方法研究

为解决目前通过星上配置敏感器进行地球同步轨道卫星自主轨道估计的问题,利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息进行轨道估计．根据地球静止轨道的特点,结合Hill方程,利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息以及轨道的摄动特性,建立导航系统的状态方程和测量方程．数学仿真结果表明,该方法可以较准确地估计出卫星的经度漂移,是一种可行的地球同步轨道卫星自主导航方法．     

关于2030年前火星采样返回科学任务的展望

火星采样返回对于认知类地行星起源和生命宜居性、奠定未来载人登火基础具有重大意义，是下一代火星探测任务的重点目标。目前美、日、中均已公布火星采样返回任务的计划或相关设想。美国火星采样返回任务预计时间跨度逾10年，将与欧洲空间局合作研制发射样品返回着陆器、样品收集火星车和返回地球轨道器等，将毅力号火星车采集的样品带回地球。日本计划开展火卫一采样返回任务。分析国际采样返回任务方案，有助于中国火星任务的科学目标凝练和工程方案设计。      

基于脉冲星和紫外敏感器的自主定轨定姿授时研究

为提高深空探测器的自主导航能力, 利用脉冲星导航的脉冲到达时间和脉冲星 角位置测量值、紫外敏感器中心天体质心相对于探测器的方向矢量和距离测量 值以及紫外敏感器输出的航天器姿态角, 以探测器在惯性坐标系下的位置和速度、 探测器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角、星载时钟钟差为系统状态变量, 通过联邦扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统的系统状态, 并利用火星环绕段 轨道数据进行仿真实验. 仿真结果表明, 该组合导航方法能够使火星轨道器 在环绕段飞行中同时进行定轨、定姿和授时, 且具有较高的导航精度和授时能力.      

“天问一号”火星探测器关键任务系统设计

“天问一号”任务是我国行星探测的首次任务,在国际上首次通过一次任务实现了火星“环绕、着陆、巡视”的三步跨越.“天问一号”探测器由中国空间技术研究院负责抓总研制,包括环绕器和着陆巡视器两个组成部分.对“天问一号”探测器的任务特点和概貌进行了介绍,对包括飞行过程、远距离深空通信、火星捕获过程、火星进入下降及着陆过程、火星车解锁驶离和火面工作等关键环节的设计方案进行了描述,对“天问一号”所取得的技术成果与创新进行了总结.     

火星探测VLBI测定轨技术

我国将于2020年首次发射由环绕器和着陆巡视器组成的火星探测器,火星探测器的跟踪及精密测定轨是完成工程任务和科学探测的基础。火星探测器的跟踪和测定轨,目前主要采用基于地面无线电测量的测距、测速和甚长基线干涉VLBI测角3种手段。主要针对VLBI技术予以介绍,主要内容为:△DOR型VLBI技术在国内外的应用情况、火星探测器VLBI测定轨技术分析、基于同波束VLBI的火星车定位技术、火星探测器VLBI观测等。这些内容对我国的火星探测器测定轨有重要的应用价值。     

Development Progress of China's First Mars Exploration Mission: Its Scientific Objectives and Payloads

China's first Mars exploration mission is scheduled to be launched in 2020. It aims not only to conduct global and comprehensive exploration of Mars by use of an orbiter but also to carry out in situ observation of key sites on Mars with a rover. This mission focuses on the following studies:topography, geomorphology, geological structure, soil characteristics, water-ice distribution, material composition, atmosphere and ionosphere, surface climate, environmental characteristics, Mars internal structure, and Martian magnetic field. It is comprised of an orbiter, a lander, and a rover equipped with 13 scientific payloads. This article will give an introduction to the mission including mission plan, scientific objectives, scientific payloads, and its recent development progress.      

Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission

This paper describes the scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first exploration mission to Mars. An orbiter, carrying a lander and a rover, lifted-off in July 2020 for a journey to Mars where it should arrive in February 2021. A suite of 13 scientific payloads, for in-situ and remote sensing, autonomously commanded by integrated payload controllers and mounted on the orbiter and the rover will study the magnetosphere and ionosphere of Mars and the relation with the solar wind, the atmosphere, surface and subsurface of the planet, looking at the topography, composition and structure and in particular for subsurface ice. The mission will also investigate Mars climate history. It is expected that Tianwen-1 will contribute significantly to advance our scientific knowledge of Mars.     

“嫦娥4号”中继星任务分析与系统设计

作为"嫦娥4号"任务的重要组成部分,中继星将为着陆器和巡视器提供中继通信支持。不同于其它月球探测器,中继星首次选择了绕地月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,面临诸多技术挑战。在对中继星任务特点进行分析的基础上,梳理了研制中的技术难题,包括使命轨道的选择、使命轨道的到达和长期维持、中继通信体制选择等,并提出了解决方案。中继星的总体设计方案概述也在文中给出。     

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

火星信道衰落特性对通信链路预算的影响

对火星星体段的信道衰落特性进行研究.通过对近火段自然环境因素的分析,提取影响火星通信性能的因素,重点分析火星的大气、云雾、沙尘对通信信道的衰落作用机理;并以NASA实际火星探测任务为例,针对以上衰落因素对UHF,S,X和Ka频段下的通信链路影响情况进行仿真;结合实际探测数据对地球通信链路预算模型进行修正,提出一种适用于火星通信链路预算的模型;明确火星大气衰落、云雾衰落、沙尘衰落的取值范围.研究结果可作为火星及其他深空探测任务的通信系统设计与链路复核复算的参考.      

“祝融号”火星车反射面天线设计

针对“天问一号”火星探测器“祝融号”火星车的探测通信任务需求，提出了一种X频段轻小型宽频圆极化反射面天线。该反射面天线采用了新型一体化紧凑馈源技术，实现馈源长度和口径减小20%的同时提高了反射面天线的口径效率，抵挡了火星的尘埃影响。经过对馈源进行的仿真优化，最终实测结果表明，该天线在7.1～8.4GHz内口径效率可达62.3%,在深空探测的工作频带范围内具有较好的增益、驻波和圆极化特性，该天线已成功应用于“天问一号”火星探测器“祝融号”火星车。     

“嫦娥4号”中继星应急轨道控制策略设计与分析

"嫦娥4号"中继星作为"嫦娥4号"任务的重要组成部分,不同于其它月球探测器,首次选择绕地月L2平动点运行的Halo轨道以保证为月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务,这面临诸多技术挑战。基于任务需求和工程约束,梳理了中继星全寿命与轨道控制相关的故障类型,制定了多级应急控制目标,给出了分阶段应急轨道控制方案,提出将Lissajous轨道作为应急备选使命轨道,分析了推进剂消耗、中继测控条件和可行性,研究成果直接应用于中继星任务工程实践。