“嫦娥3号”月面探测器同波束干涉测量系统的设计与实现

为了提高\"嫦娥3号\"探测器(着陆器和巡视器)的相对定位精度,针对两器信标实际设置情况,设计了同波束干涉测量(same-beam interferometry,SBI)观测方案。利用着陆器和巡视器星地对接数据分析检验了由差分群时延解算含微小系统差的差分相时延的方法,给出了甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)和同波束干涉测量模型及月面定位方法,并仿真分析了巡视器的相对定位精度。最终,把研究的方法实际应用于\"嫦娥3号\"巡视器的精密相对定位。结果表明,利用1h左右的连续观测弧段的着陆器数传信号以及巡视器数传信号(或遥测信号),采用事后处理方式,得到了随机误差约1ps的差分相时延数据。利用此数据,把\"嫦娥3号\"探测器的相对定位精度提高至1m左右。     

高精度VLBI技术在深空探测中的应用

介绍了适合单探测器测定轨的高精度VLBI技术和适合多探测器测定位的同波束VLBI技术的研究进展。利用\"嫦娥3号\"着陆器的ΔDOR型VLBI观测,得到了误差0.67ns的VLBI群时延数据。利用\"嫦娥3号\"着陆器和月球车的同波束VLBI观测,得到了随机误差0.3ps的差分相时延数据,以数厘米的灵敏度监测出月球车的移动、转弯等动作,并把月球车的相对定位精度提高至1m。针对深空探测,提出了使VLBI时延测量精度进一步提高所需要开展的部分研究内容。     

月球轨道交会对接毫米波雷达系统设计与实现

针对中国嫦娥五号无人自主月球轨道交会对接任务特点,设计并实现了一种将单通道干涉仪与转动机构融合的角捕获与跟踪测量、双单程伪码测距与载波测速、TURBO编码扩频通信多功能集于一体的毫米波交会对接雷达体制,并对该新体制雷达系统的具体组成、工作过程、测量与通信方法、设计性能及验证进行了说明。新系统具有多元信息测量与双向通信一体化、宽视场、大距离动态、测量精度高、抗多径能力强以及小型轻量化、低功耗等特点。经地面及实际在轨应用验证,该毫米波雷达系统首次实现了月球轨道无人交会对接全程高精度测量与双向通信,性能稳定,测距动态范围可达0.2 m到397 km,精度可达±0.017 m,测角视场范围可达360°×130°,精度优于±0.07°。该系统可应用于嫦娥六号任务。     

月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析

为分析同波束干涉测量这一高精度相对测角技术对月球交会对接两个航天器的相对位置、速度(状态)影响,文章根据协方差分析理论及各测量量的模型,推导测量量关于相对状态量的信息矩阵,建立了相对状态误差协方差模型;结合月球轨道交会对接仿真轨道,开展测量误差对两个航天器的相对状态误差影响协方差分析。结果表明,在当前测量误差条件下,相对位置、速度误差分别达到米级和厘米每秒级。在分析相对状态误差影响因子的基础上,重点对同波束干涉测量差分相时延整周模糊误差及时延率误差对相对状态影响进行了分析,结果表明整周模糊度误差对相对位置误差影响显著,时延率误差对相对速度误差影响显著。     

基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法研究

随着载人航天和宇宙空间站的不断发展, 航天器自主对接技术显得日趋重要. 在航天器对接的最后逼近阶段, 实时精确测量两航天器间的相对位置姿态参数是对接成功的关键. 针对航天器交会对接中位置姿态参数的测量问题, 研究了三目视觉的非线性测量方法, 阐述三目视觉的测量原理并建立数学模型, 将相对位姿参数求解问题转化为非线性优化问题, 进而利用Levenberg-Marquardt算法求解. 仿真研究表明, 与双目视觉线性方法和三目视觉线性方法相比, 该方法能降低图像匹配误差的影响, 提高特征点的定位精度, 增加测量系统的可靠性.     

基于通用测控信号的多频点同波束干涉测量

提出利用两个深空航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,实现两航天器的高精度相对测量。对差分相位时延进行理论推导,提出了一种针对两航天器测控信号主载波存在频差情况下的差分时延观测量误差的模型修正方法,并对月球轨道上两航天器间同波束干涉测量地面跟踪测量条件进行了分析。仿真结果表明,利用两航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,经误差模型修正后获取了误差小于皮秒量级的差分相位时延,能为深空航天器间相对导航定位提供高精度的观测量信息。     

基于同波束干涉的空间三维相对位置测量研究

针对深空探测器相对位置精确测量需求,建立了空间三维相对位置测量模型,研究了基于单基线同波束干涉测量(Same-beam VLBI,SBI)的空间三维位置最小二乘解算方法。利用\"嫦娥3号\"着陆器的测控天线与定向天线的SBI实测数据,验证了测量模型与解算方法的有效性。结果显示:SBI干涉时延随机误差约0.225 ps(0.07 mm);测控天线与定向天线之间距离误差约0.216 m,方向误差约30.4°。该研究结果有望应用于后续深空探测任务譬如\"嫦娥5号\"器间高精度相对测量中。     

基于同波束干涉测量的航天器姿态测量研究

基于地基同波束干涉测量,建立了航天器姿态测量数学模型及方程,给出了姿态解算方法,并对方程可解性与解算精度因子进行了分析。通过模拟在轨航天器轨道运行,进行了基于同波束干涉测量的航天器姿态解算数值仿真和误差分析,对解算误差和观测俯仰角的关系进行了分析和验证。结果表明,利用3个地面测站针对航天器上3个下行天线信号开展同波束干涉测量,辅以精度因子约束进行姿态解算,可以获得有效的航天器姿态信息,其精度最高可达0.001°。该方法可以作为在轨航天器姿态测量的备份手段。     

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors,HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors,SWIDs）,进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于10¹¹ cm^-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。     

“嫦娥4号”自主运行任务的设计与实现

从自主运行需求获取、自主运行策略设计、自主运行任务实现3个方面对\"嫦娥4号\"自主运行任务进行研究。通过在轨飞行验证,\"嫦娥4号\"自主运行任务的实现除了完善自我诊断及重构能力,还增强了对未知风险的应对能力,增加核心设备的自主管理能力,保证关键事件完成的可靠性与精准性。不仅总结了重要的工程经验而且为未来深空自主运行任务的设计实现提供了直接而有力的技术支持。     

月球粒子辐射环境探测现状

月球表面没有磁场的保护,粒子辐射是人类在月球活动的重要风险要素。概述了月球的辐射环境以及辐射来源,并介绍了月球探测的现状,特别提及了近年来几个较为典型的月球辐射探测实例及其探测结果;介绍了我国“嫦娥4号”上搭载的月表中子与辐射剂量探测仪（Lunar Lander Neutron&Dosimetry,LND）的科学目标及其技术指标。LND的科学目标主要包括：载人登月辐射剂量的测量、月球南极艾特肯盆地水含量的测量、艾特肯盆地FeO含量的测量,以及为日球层科学的研究提供依据。     

中国探月工程

\"嫦娥4号\"于2019年1月3日成功实现人类航天器首次在月球背面软着陆,\"玉兔2号\"月球车率先在月背刻上了中国足迹。至今,国际月球探测活动共实施126次,期间出现两个探月高潮。20世纪50—70年代,美苏两个航天大国之间的竞争引起第一轮探月高潮。20世纪末至今,各航天国家意识到月球探测的战略意义,纷纷提出月球探测计划并积极实施,月球成为各国争先探测的热点,掀起第二轮探月热潮。中国自2004年首次绕月探测工程立项实施以来,共开展了\"嫦娥1号\"\"嫦娥2号\"\"嫦娥3号\"\"嫦娥4号\"及再入返回飞行试验共5次月球探测任务,实现\"五战五捷\",在空间技术、空间科学与应用、国际合作等方面取得了非凡成就,积累了丰富的经验,后续将继续开展以无人月球科研站为主的月球探测活动。     

从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星

对于停留在日地系统L2的“嫦娥2号”探测器,其后续飞行方案有多个选项,例如主动撞月或重返月球轨道、返回地球轨道或再入大气、飞往地月系统L1/L2或日地系统L1、进入深空飞越近地小行星(最终,“嫦娥2号”于2012年12月13日成功地实现了对Toutatis小行星的近距离飞越)。探讨上述的飞行方案需要对飞行轨道进行初步设计,总的速度脉冲限制在100 m/s以内并且需要考虑探测器同时受到太阳、地球、月球的引力作用。本研究设计了探测器从日地系统L2出发借力月球实现Toutatis小行星飞越的飞行方案,与直接飞越方案相比,借力月球可以进一步节省探测器的燃料消耗,其等效速度脉冲设计值为58.47 m/s。     

一种应用于实时深空干涉测量的电离层时延修正方法

针对\"嫦娥4号\"中继星任务S频段信标信号的高精度实时干涉测量需求,结合深空测控干涉测量系统采用的稀疏标校工作模式,研究验证了一种面向测控模式实时干涉测量的电离层时延修正方法。首先分析了电磁波经电离层传播的延迟机理及特性;基于深空站历史观测数据,通过自相关函数分析验证了天顶向TEC的周日特性;在此基础上,结合深空干涉测量中心数据处理设备软件系统,讨论了电离层时延修正方法;通过任务期间的实测数据处理分析,验证了所提方法可以将实时测量精度提升1～3 ns,对低仰角跟踪弧段,该技术方法优势更为明显。该方法为后续深入推进深空测控干涉测量系统在任务中的实时应用提供了技术储备。     

一种基于星载GPS的月球探测器导航算法

为验证GNSS旁瓣信号对中高轨航天器在轨飞行的导航支持能力,\"嫦娥5号\"飞行试验器搭载了GPS导航接收机。由于目前使用的星载导航解平稳性不够,为此,根据月球探测器不同飞行段落轨道动力学特性,建立了一种基于星载GPS数据的月球探测器实时导航算法。该算法充分考虑了月球探测器不同段落的动力学特性,基于UKF滤波设计,并引入了自适应策略,以降低滤波参数选取的难度。在分析星载GPS数据特点基础上,月地返回段实测数据的处理结果验证了算法的可行性和有效性。     

“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。     

交会对接光学成像敏感器的LD照明系统

以交会对接光学成像敏感器应用为背景,阐述主动式和被动式交会对接光学成像敏感器的区别、照明系统的不同方案,论述LD照明系统的组成和原理,以及LD器件和光纤的选择和特性,解决了交会对接光学成像敏感器大视场远距离均匀照明的难题,克服了空间适应性的困扰,且通过双波长工作模式增强了抗杂光能力.