备受青睐的火星探测

火星是与地球最相似的行星,因此是目前除地球以外人类研究程度最高的行星。截止到2007年8月8日,人类共发射了38个火星探测器,其中美国18个、苏联17个、俄罗斯1个、日本1个、欧洲1个。总共有18个探测器成功对火星进行了探测,其中5个飞越火星,7个进入火星轨道探测,6个在火星着陆。目前,在火星轨道上有3个探测器在工作,在火星表面有2辆火星车在工作,还有1个火星着陆器正飞往火星。     

2020中美阿火星探测任务分析

2020年为火星探测大年,各国相继赶在发射窗口发射自己的火星探测器,截止目前成功赶上发射窗口的国家,按时间先后分别为阿联酋、中国和美国。本文给出了2020年火星探测发射和到达窗口的“猪排”能量图,在有效载荷、发射窗口、运载火箭、地火转移轨道、火星俘获及着陆、通信等方面,对三个国家发射的探测器进行了对比分析,并给出此次火星探测各环节的相关参数。     

载人火星探测飞行方案

对世界各国载人火星探测的研究情况进行了简要综述,研究了国内外有关载人火星探测飞行方案,提出了载人火星探测方案确定的原则和方案基本思想.给出了一种载人火星探测飞行方案的总体设计,包括飞行轨道方案和载人火星飞船方案等.尤其对轨道设计的重要的两个参数——速度增量和飞行时间进行了详细计算.最后给出了飞行轨道选择、火星飞船从地球到火星和从火星返回地球等的轨道方案和火星飞船各组成部分方案的详细设计结果.     

日本火星探测计划

1背景实施火星探测，美国、俄罗斯为主要核心国，他们共发射了26个火星探测器。从美国的6个（2个着陆装置）和俄罗斯的6个（2个着陆装置）火星探测器已获得了大量的探测数据。探测任务主要是从火星运行轨道进行科学性测定和通过着陆装置进行表土分析、生命探测。尤其是1976年着陆在火星上的海盗一l和2探测器，它们对火星进行了生命探测，但未能确认火星有生命存在。今后世界各国的火星探测计划侧重考虑降低成本：通过从轨道探测器向多种类型／分辨率提高型探测器过渡，进行火星表面及大气测量；通过穿透器进行火星地下的科学探测及水的存在…     

基于B平面的火星探测直接转移轨道设计方法

将轨道设计转化为常微分方程两点边值(TPBVP)问题,采用微分修正法求解该边值问题.将B平面概念同时应用于地球和火星,借助B平面与双曲线轨道的几何关系解析地给出了两点边值问题的边界条件的建立方法,理论上说明了火星探测直接转移轨道存在4组解的原因,同时提出了控制探测器到达相对火星双曲线轨道近火点时刻的准确参数表示方法.最终给出仿真算例,将轨道设计结果代入STK,结果合理.     

K6R4016V1D芯片在低地球轨道发生单粒子效应频次的分析

俄罗斯福布斯-土壤火星探测器于2011年11月9日携带中国首个火星探测器萤火一号进入低地球轨道(LEO),但原定于159min后探测器在轨发动机点火变轨未能实施,最终探测计划失败.俄罗斯航天局研究分析认为,事故最可能是由于宇宙线重离子轰击星载计算机存储器件,导致两台计算机重启所致.但是抗辐射专家对空间辐射粒子会在如此短时间内通过单粒子效应(SEE)导致LEO探测器失效的观点并不认同.本文根据俄罗斯航天局发布的受影响器件信息,通过实验和计算,分析了K6R4016V1D芯片在低地球轨道运行时可能遇到的空间辐射粒子诱发单粒子效应的频次,探讨了单粒子效应导致福布斯-土壤火星探测器失效的可能性.      

图解深空探测史

正火星探测(上)火星是太阳系八大行星中距离太阳第四近的行星,也是距离地球轨道第二近的行星。火星自转轴倾角为25.19°,自转周期为24小时37分,都与地球相近。大约每26个月就会发生一次的火星冲日,是将探测器送往火星的绝佳时机,此时地火距离通常只有不到1亿公里,而在火星大冲时,这一距离甚至只有5500万公里。迄今为止,人类发往火星的探测器数量超过40个,是除了月球之外人类探测最多的太阳系天体。     

基于B平面算法的火星探测器中途轨道修正

探测器在日心过渡段轨道的轨道修正问题是火星探测工程中需要解决的关键问题.首先,引入B平面坐标系,推导了B平面参数的计算公式,验证了速度修正量与目标参数间存在的线性化关系,给出了算法流程图.其次,在引入合理的速度执行误差与测轨误差的情况下,提出了一个包含三次主修正,一次机动修正,一次备份修正的控制策略,仿真验证了控制策略的可行性.     

基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法

针对火星接近段导航通信时延大、存在通信盲区、自主导航可用观测信息有限等问题,提出了一种基于一组火卫二相对探测器视线矢量测量的天文自主导航算法,每个导航周期测量一组火卫二视线矢量可得到其中某一时刻探测器的完整轨道信息的估计值,该方法不依赖于轨道渐近线方向等先验信息。考虑到存在火卫二和火星在同一视场的情形,此时结合火星中心视线矢量方向以及火卫二的星历信息可估计出精度较高的探测器轨道半径,作为第一种方法的补充观测量,提高导航精度。最后给出仿真校验,验证了该方法的导航精度和可行性,表明该方案能够满足未来火星探测接近段自主导航需求。     

火星：再次聚焦人类目光

2003年,美国、俄罗斯的数艘火星探测器先后启程,人类的目光再次聚焦太阳系中那颗红色的星球———火星。火星,作为地球的邻居,是太阳系中与地球最相似的一颗行星,也是人类重点探测的星球。长久以来,人类一直推测火星上可能存在着生命,这无疑更增加了探索火星的兴趣。乘坐飞船从地球出发,至少需要几个月的时间才能抵达火星,一次往返约需要一两年的时间,目前的航天技术还无法将人送到这么远的地方。尽管人类现在还不能登上火星,但人类对火星的探测却已经进行了三十多年。1962年11月1日,前苏联发射了“火星1”号探测器,拉开了探测火星的序幕。…     

火星探测微流星体环境模型及风险预测

微流星体是自然存在的微型天体.在太阳系空间范围内,微流星体的主要起源为彗星及小行星.在地球至火星的空间范围内,微流星体的飞行速度范围为24.13~42.2km·-1.高速飞行的微流星体一旦撞击火星探测器,将有可能对探测器造成毁灭性的损害.本文基于太阳神探测器的观测结果及彗星轨道观测统计结果,针对火星探测,分别建立了地火转移段及环火飞行段的微流星体环境模型,并基于有限元离散方法建立了火星探测任务的微流星体碰撞风险预测方法.设计了一个虚拟火星探测器,分别对其在地火转移段及环火飞行段的微流星体撞击通量进行了分析.结果显示,在探测器有效任务期内,探测器正面受微流星撞击次数约为背面的10倍.根据本文模型计算结果,将探测器顶板铝合金蒙皮的厚度增加至0.7mm后,在整个任务周期内可将探测器正面受微流星体撞击出现击穿损伤的风险降低为每平米7次.      

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.      

月球着陆器悬停阶段相对自主导航方法

月球着陆器着陆阶段导航信息分析是实现安全软着陆月面的一个关键.针对悬停阶段导航信息的要求,根据月球着陆器携带的仪器设备及其获取月面信息的特点,利用激光测距仪和光学导航相机进行光学相对导航.首先建立相对导航坐标系;其次根据各个坐标系之间的关系确定各转换矩阵和导航信息,估算着陆器相对月面着陆点的位置和姿态;最后通过仿真实验对该方法进行验证.结果表明,将激光测距仪和光学导航相机在着陆悬停阶段获取的月面信息进行融合,能快速、精确进行相对位置、姿态计算;对我国下一步的探月有重要应用价值,并可应用于火星探测和其他小行星探测的软着陆的近距相对导航.      

地基行星大气掩星观测资料流程和数据整理

在中国火星探测萤火一号(YH-1)计划中, 包括了地基掩星观测反演火星大气的科研任务. 观测资料整理是反演流程的第一步. 本文描述了地基火星大气掩星观测处理软件系统的观测数据流程和观测资料整理模块,并详细介绍了观测资料整理模块的结构和功能, 其中包括时间系统转换、历表插值、坐标系变换、信号时延改正以及掩星平面建立. 利用行星数据系统公布的火星快车无线电科学数据和由SPICE得到的地球、火星历表以及火星快车的轨道数据, 结合本文的算法, 得到了一些实验结果.      

萤火一号火星探测器轨道设计与科学探测事件分析

针对萤火一号火星探测器在2011年发射窗口的轨道进行初步设计.在此基础上,分析了萤火一号火星探测器绕火星飞行的轨道特性,预报其穿越火星弓激波和磁堆积区域、CCD相机拍照时刻,其与深空站进行星-地掩星试验和与俄罗斯Phobos-Grunt火星探测器进行星-星掩星试验的时刻.结果表明,萤火一号火星探测器在与俄罗斯Phobos-Grunt分离后一年的环火飞行时间里,存在大量的科学探测机会.     

长征运载火箭发射地火直接转移轨道研究

针对发射场射向范围和低温入轨级在停泊轨道上最长允许滑行时间严格受限下，工程设计火星探测任务发射轨道时，优化保障2~3周发射日期窗口的困难，以及精确设计拼接探测器分离点时刻轨道6根数耗时周期长等问题，提出了加入滑行时间限制再精确双向微分修正的设计算法（有别于传统B平面矢量法）。由地球影响球边界速度直接解出长征运载火箭入轨点轨道根数，将火箭飞行星下点弧段表示成滑行时间的分析式，快速找到满足诸多设计约束的初始发射轨道；并解决了考虑探测器小幅深空机动后火箭发射轨道的深入优化问题。精确力学模型下数值微分改进后，获得高精度计算结果，同等可比条件下运算精度不低于STK软件。实现了从地面起飞到抵达近火点的飞行轨道整体优化，确保了首次探火工程的顺利实施。      

Measuring the economic benefits of a national planetary protection policy to regulate future private space activities between Earth and Mars: Results of a contingent valuation survey in Greece

The emergence of private space actors may soon enable the growth of the novel market segments of space research and exploration, space resources utilization, and human access to space. The interdisciplinary field of Planetary Protection has to keep up with these advances. Planetary Protection is defined as a set of guidelines that aim to prevent the forward contamination of celestial bodies with biological material from Earth and the backward contamination of the terrestrial biosphere with extraterrestrial biological material. As space entrepreneurs acquire and develop the resources and competencies for commercial access to space, significant questions are expected to be raised in the future with respect to potential forward and backward contamination issues, particularly with respect to activities between Earth and Mars. Although such private activities do not seem to pose a serious Planetary Protection threat at the moment, certain preparatory steps need to be taken in order to prudently inform the relevant policy-making procedures. This work describes the application of the Contingent Valuation Method, a useful tool of the environmental economics discipline, with the aim of demonstrating a novel approach to estimate the economic valuation of the external benefits of preventing forward and backward contamination between Earth and Mars. Particularly, via a survey specifically developed for this purpose, a set of questions are used to elicit the perceived economic value that respondents place on the prevention of forward and backward contamination; the survey is administered to a national probability sample in Greece, and the generated data is processed through statistical analysis. The Contingent Valuation Method is a popular and well-established stated preference valuation technique; these techniques are often the more suitable choice for ex-ante valuations of future changes, and are currently the only known approach to capture all the aspects of the economic value of non-market goods. Through an initial proof-of-concept in Greece, the goal of this work is to provide useful insights on the expected external benefits of a national Planetary Protection policy to regulate future private space activities between Earth and Mars, and to encourage a larger-scale application of this tool in other countries around the world.     

火星探测的微波遥感技术

从微波遥感的角度出发,综述目前国际上对火星的探测现状,列出对微波遥感探测有影响的火星表层土壤、岩层的结构、分布及其介电特性等参数的已有研究结果,分析对火星地壳表层水(或冰)存在可能性及其分布状态的研究动向.结合地球表面微波遥感技术的最新进展,提出用主动与被动微波遥感探测火星表面浅层土壤物质状态和分层结构的可行性分析,初步研讨了火星表层是否有水(或冰)存在的探测方案.      

Characteristics of solar particle events at Mars relative to Earth

While not specifically designed to detect solar energetic particle radiation, the Electron Reflectometer onboard Mars Global Surveyor (MGS/ER) collected such data from January 1999 through October 2006. Energetic protons (?25 MeV) and other ions penetrated the MGS/ER shielding and registered counts within the instrument’s electronics. During solar particle events (SPE’s), prolonged enhancements in the particle background were observed at Mars with time intensity profiles similar to Earth based SPE observations. Throughout the lifespan of MGS/ER, 85 distinct SPE’s were observed. Basic characteristics of Mars based SPE observations and the frequency of SPE occurrences at Mars are compared to corresponding Earth based observations. Approximately 22% of SPE’s that occurred during MGS/ER operation were observed at Earth but not Mars. Similarly, 19% of SPE’s were observed at Mars but not Earth. Time intensity profiles at Earth and Mars match predictions provided in the literature, based on the physical location of the detector with respect to the motion of the interplanetary shock wave. Note: The work described herein was largely conducted as part of a doctoral dissertation produced by the author.