双月球探测器相对定位的同波束VLBI技术研究

针对着陆器和月球车数传信号无法在同一通道内记录的问题,提出利用射电源观测修正不同通道装置内部时延的同波束甚长基线干涉测量（VLBI）方法,解算含微小偏移量的差分相时延。利用嫦娥二号两个X波段VLBI信号观测数据和上海、昆明、乌鲁木齐三个台站的同波束VLBI器地对接数据验证了提出的方法。结果表明解算的含微小偏移量差分相时延形式误差在皮秒量级,系统误差在0.5ns(纳秒)左右,有望把月球车的相对定位精度提高至数十米。     

环月探测器短弧定轨精度的仿真结果分析

以我国正在实施的探月计划嫦娥一号月球探测器飞行测控需求为背景,利用数值仿真的方法,考虑现有USB卫星测控网和中国科学院VLBI射电天文观测网分布,在观测弧段受到限制的前提下,探讨了环月探测器测轨手段和测控弧段的选择及其相应的定轨精度。     

萤火一号火星轨道器开环追踪技术

中国首个火星探测器萤火一号计划于2009年10月和俄罗斯的火卫一采样探测器一道发射升空。萤火一号将探测火星的空间环境,并验证深空导航测控与通信技术。与常规的火星探测任务不同,该探测器的轨道与位置测量主要利用天文甚长基线干涉测量技术、开环跟踪测量技术、差分单程测距测速技术、同波束干涉测量技术以及单程Doppler测速技术承担。     

MARK5B帧格式解析及相关处理软件的设计与实现

为验证VLBI MARK5B数据记录回放系统的有效性,利用MATLAB软件设计实现一种MARK5B帧格式解析及相关处理软件。通过对MARK5B数据帧格式的解析,以及对解析后各通道数据FX相关处理得到的群时延的分析,验证系统数据记录通道的正确性。首先介绍VLBI系统组成和数据记录回放系统的国内外现状,然后详细描述MARK5B数据格式和FX相关处理方法等内容,最后说明软件的设计分析步骤,并对本地记录的MARK5B测控扩频信号数据进行帧格式解析和零基线FX相关处理。最终结论表明软件处理结果正确,具有一定的实用价值。     

同波束VLBI技术用于月球双探测器精密定轨及重力场解算

同波束VLBI通过同时观测两个探测器的多点频信号,可以得到两个探测器之间高精度的差分相位时延,日本月球探测计划SELENE充分体现了这一技术在月球探测器精密定轨中的贡献。本文针对采样返回的月球探测任务中,轨道器和返回器同时绕月飞行期间,研究利用同波束VLBI跟踪数据在探测器精密定轨和月球重力场仿真解算中的贡献。结果表明,加入同波束VLBI跟踪数据之后,探测器定轨精度有显著提高,改进超过一个量级。综合同波束VLBI跟踪数据解算得到的重力场模型相比于传统的USB双程测距测速数据,中低阶次位系数精度有明显改进,并且定轨精度有望能达到米级。
     

基于我国VLBI网航天器定位归算仿真分析

结合我国VLBI观测网现状,通过仿真计算分析了观测时延噪声与系统差、预报轨道偏差和测距误差等对航天器定位归算的影响。结果表明,仅利用VLBI跟踪时附加飞行器地心距约束有利于压制定位点的弥散。 3站 VLBI跟踪的定位解是有偏估计,4站跟踪时要求所加约束的误差应与预报轨道偏差相当,若过大将起不到压制定位点弥散的良好效果,若过小则会在定位结果中引入系统偏差。时延与测距的观测噪声主要引起定位点序列的弥散。若观测量存在系统差则将引起定位结果的系统性偏差,而且定位点序列会发生渐近线性趋势跳变。同时,这也可以作为观测量是否存在系统差的判据。另外,若某时刻前后VLBI跟踪站存在3、4站变更,定位点序列有时发生趋势变化。分析结论对于我国后续探月和萤火计划等工程实践具有借鉴意义。     

深空探测器被动式高精度多普勒测量方法与应用

针对深空探测器的单程多普勒测量需求,研究了被动式高精度多普勒测量方法及其实现技术。该方法基于探测器测控信标残留载波等点频信号和VLBI测站高精度氢原子钟频标,构造出与实际接收信号频率接近的参考信号;再通过本地相关处理,完成高精度开环多普勒测量。其特色在于完全不需要精确的先验轨道模型。所开发的专用被动式多普勒测量设备,在国内第一次成功用于欧空局环火星探测器“MEX”的多普勒测定轨试验。探测器X频段信号5s积分的单程多普勒测量精度达到 0.2mm/s ,与欧空局测量水平相当。采用该多普勒测量数据的MEX定轨结果与欧空局精密轨道在数百米至千米量级一致。     

月球重力场对“嫦娥一号”近月轨道的影响

2008年12月6日“嫦娥一号”卫星开始了为期半个月的变轨试验,卫星距离月球表面最近处 约为15 km,这在国内尚属首次。试验期间,国内USB和VLBI测控网进行了跟踪测量,获取了 卫星不同飞行高度的测轨资料。通过对变轨试验期间的USB和VLBI测量数据的定轨计算,分 析了月球重力场误差对于绕月低轨卫星的影响,计算表明,尽管目前的月球重力场模型高阶 项由于没有月球背面的测量数据而不准确,但对绕月低轨卫星的定轨精度提高仍然有重要帮 助。分析了VLBI数据对绕月低轨卫星定轨的贡献,比较了USB数据单独定轨以及USB和 VLBI联合定轨两种情况,结果表明VLBI数据的加入可有效提高定轨精度。该工作对于我国后 续月球探测工程具有一定的借鉴意义。
     

USB与VLBI联合确定“嫦娥一号”卫星撞月点的位置

2009年3月1日,“嫦娥一号”卫星成功撞击月球,准确撞击位于月球“丰富海”的预定区域     

月亮女神探月计划及对我国月球与深空探测的思考

日本月亮女神月球探测器在顺利完成各项探测任务后,于北京时间2009年6月11日受控落月.该探月计划在一箭三星组网探测月球背面重力场、有效载荷创新设计、科研活动组织、成果产出、公众参与和科普宣传等方面有许多亮点,对我国探月工程有重要参考价值.文章综合回顾、分析和评述了月亮女神探月计划的任务、探测器、轨道与飞控、重要事件等...     

俄罗斯火星载人探测技术现状

火星探测是人类探索太空的重要组成部分。俄罗斯在火星探测方面具有丰富的经验和大量技术储备。文章扼要介绍了俄罗斯火星载人探测技术的发展过程,重点阐述了俄罗斯现阶段火星探测方案和关键部件的研制现状和技术能力,对该方案的可行性进行了分析,并对火星探测技术可能的国际合作方式提出建议。     

一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。     

“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析

"火星科学实验室"进入、下降与着陆(EDL)技术代表了目前已步入应用阶段的火星探测的最新技术。在分析该方案基础上,对其所应用的升力式进入及进入制导控制技术、基于马赫数的开伞控制技术、"矢量点乘"控制的防热罩分离技术、基于"空中吊车"的动力下降与着陆缓冲技术和"空中吊车"飞离控制技术等进行了分析,可为火星探测研究提供一定的借鉴和参考。     

“火星快车”的三程多普勒观测

利用中国VLBI网无线电天线和数字信号采集系统跟踪测量了欧洲航天局的＂火星快车＂（MEX）探测器,并研发了相应的三程多普勒信号提取算法和软件。对探测器8.4GHz下行载波1s采样的最终结果显示,多普勒数据随机噪声为1mm/s,这些数据已成功应用于对火星探测器的轨道确定。     

一种共轴双旋翼式火星飞行器设计及其试验验证

针对火星飞行器探测需求,提出了一种共轴双旋翼式火星飞行器,基于计算流体力学方法优选了桨叶翼型、平面形状和扭转角等结构参数,基于叶素动量理论建立了旋翼气动力学模型,利用数值模拟方法选择了旋翼转速、旋翼间距和桨叶安装角等飞行参数,设计了原理样机"火星飞鸟-I"的结构与控制系统。构建了火星大气环境模拟器和重力补偿与运动约束装置,开展了模拟火星环境下旋翼式飞行器地面飞行试验,验证了共轴双旋翼式火星飞行器的推进性能,展望了旋翼式火星飞行器技术的发展方向。研究成果对我国开展的火星探测工程具有重要借鉴价值。     

火星探测用金属/CO2燃烧技术研究进展与展望

火星原位资源利用指利用火星当地资源生产火星探测所需原料和能源,减少任务载荷,降低发射成本,是火星探测不可或缺的关键技术。金属和二氧化碳是火星重要的原位资源,部分金属可以在二氧化碳气氛中燃烧,使得金属/CO_2燃烧体系在火星上扮演地球上化石燃料/空气燃烧体系的角色成为可能。从拓展金属/CO_2燃烧技术在火星探测中应用的角度出发,梳理了火星二氧化碳收集方式、火星矿物分布和冶炼、金属/CO_2燃烧技术的主要应用方式(Mg/CO_2火箭发动机和Mg/CO_2金属燃烧器)的研究进展,并对今后的研究进行了展望。     

连接单元干涉测量技术应用于嫦娥二号卫星测轨实验

为了支持月球、火星等探测任务,我国正在组织开展深空干涉测量信号处理中心的建设工作。在嫦娥二号卫星在轨运行期间,利用连接单元干涉测量系统对卫星下行的数传信号进行采集记录,应用自行开发的数据处理软件获得了清晰的干涉条纹,同时时延计算结果与理论轨道具有较高的一致性,精度优于纳秒级。测轨实验验证了数据处理算法的正确性,证明了应用连接单元干涉技术进行卫星测轨的可行性。文章的分析和结论可为后续深入开展深空干涉测量信号处理中心建设提供技术储备。     

NASA's new Mars Exploration Program: the trajectory of knowledge

NASA's newly restructured Mars Exploration Program (MEP) is finally on the way to Mars with the successful April 7 launch of the 2001 Mars Odyssey Orbiter. In addition, the announcement by the Bush Administration that the exploration of Mars will be a priority within NASA's Office of Space Science further cements the first decade of the new millennium as one of the major thrusts to understand the "new" Mars. Over the course of the past year and a half, an integrated team of managers, scientists, and engineers has crafted a revamped MEP to respond to the scientific as well as management and resource challenges associated with deep space exploration of the Red Planet. This article describes the new program from the perspective of its guiding philosophies, major events, and scientific strategy. It is intended to serve as a roadmap to the next 10-15 years of Mars exploration from the NASA viewpoint. [For further details, see the Mars Exploration Program web site (URL): http://mars.jpl.nasa.gov]. The new MEP will certainly evolve in response to discoveries, to successes, and potentially to setbacks as well. However, the design of the restructured strategy is attentive to risks, and a major attempt to instill resiliency in the program has been adopted. Mars beckons, and the next decade of exploration should provide the impetus for a follow-on decade in which multiple sample returns and other major program directions are executed. Ultimately the vision to consider the first human scientific expeditions to the Red Planet will be enabled. By the end of the first decade of this program, we may know where and how to look for the elusive clues associated with a possible martian biological record, if any was every preserved, even if only as "chemical fossils."     

Enabling technologies for space exploration systems: The STEPS project results and perspectives

The project STEPS (Sistemi e Tecnologie per l'EsPlorazione Spaziale) is a joint development of technologies and systems for Space Exploration supported by Regione Piemonte, the European Regional Development Fund (E.R.D.F.) 2007-2013, Thales Alenia Space Italia (TAS-I), SMEs, Universities and public Research Centres belonging to the network “Comitato Distretto Aerospaziale del Piemonte” the Piedmont Aerospace District (PAD) in Italy. The project first part terminated in May 2012 with a final demonstration event that summarizes the technological results of research activities carried-out during a period the three years and half. The project developed virtual and hardware demonstrators for a range of technologies for the descent, soft landing and surface mobility of robotic and manned equipment for Moon and Mars exploration. The two key hardware demonstrators—a Mars Lander and a Lunar Rover—fit in a context of international cooperation for the exploration of Moon and Mars, as envisaged by Space Agencies worldwide. The STEPS project included also the development and utilization of a system of laboratories equipped for technology validation, teleoperations, concurrent design environments, and virtual reality simulation of the Exploration Systems in typical Moon and Mars environments. This paper presents the reached results in several technology domains like: vision-based GNC for the last portion of Mars Entry, Descent and Landing sequence, Hazard avoidance and complete spacecraft autonomy; Autonomous Rover Navigation, based on the determination of the terrain morphology by a stereo camera; Mobility and Mechanisms providing an Integrated Ground Mobility System, Rendezvous and Docking equipment, and protection from Environment effects; innovative Structures such as Inflatable, Smart and Multifunction Structures, an Active Shock Absorber for safe landing, balance restoring and walking; Composite materials Modelling and Monitoring; Human-machine interface features of a predictive Command and Control System; Energy Management systems based on Regenerative Fuel Cells; aerothermodynamic solutions for Atmospheric Re-entry of Commercial Transportation Systems; novel Design and Development Tools, such as a Rover S/W simulator and prototypes of the DEM viewer and of a S/W Rock Creator/visualizator.The paper also provides perspectives on the proposed STEPS 2 project that will likely continue the development of a subset of the above technologies in view of their possible in-flight validation within next five years.     

DAME: planetary-prototype drilling automation

We describe results from the Drilling Automation for Mars Exploration (DAME) project, including those of the summer 2006 tests from an Arctic analog site. The drill hardware is a hardened, evolved version of the Advanced Deep Drill by Honeybee Robotics. DAME has developed diagnostic and executive software for hands-off surface operations of the evolved version of this drill. The DAME drill automation tested from 2004 through 2006 included adaptively controlled drilling operations and the downhole diagnosis of drilling faults. It also included dynamic recovery capabilities when unexpected failures or drilling conditions were discovered. DAME has developed and tested drill automation software and hardware under stressful operating conditions during its Arctic field testing campaigns at a Mars analog site.