“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。     

美国“朱诺”木星探测器变轨故障与影响

正"朱诺"(Juno)是美国的木星探测器,是继"伽利略"(Galileo)木星探测器后的全球第二个木星探测器,于2011年8月5日由宇宙神-5(Atlas-5)运载火箭从卡纳维拉尔角发射。任务目标是研究木星的起源与演变,探测木星大气、引力场、磁场以及磁球层,调查木星上是否存在冰岩芯,确定木星上水的含量,并寻找氧气。"朱诺"采用了先进的太阳电池阵技术,是在以往探测过木星的深空探测器中首个使用太阳电池阵的探测器,在采用太阳电池阵的深空探测器中飞行距离最远。此外,"朱诺"探测器还针对木星严苛的辐射环境,首     

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。     

面向"CE-3号"软着陆过程的深空网干涉测量技术

针对"CE-3号"探测器软着陆过程中弹道位置测定的问题,利用中国深空网干涉测量测轨数据,论述并验证了应用深空网干涉测量技术支持探月卫星软着陆过程中弹道位置测定的可行性。针对提取同一时刻观测量的两个核心技术,论述了自适应模型重构算法以及干涉相位解模糊算法,克服了软着陆过程航天器机动不确定性恶化轨道预报精度,进而引起相关引导模型失效的问题;利用跟踪过程中目标干涉相位连续特性递推实现干涉相位解模糊。实测数据的处理分析表明,深空网干涉测量数据处理分析精度在0.3ns量级,对应于约30nrad的角位置精度。     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析

微纳卫星深空探测任务中,通常所分配的测控资源有限,因此有必要对有限测控资源条件下微纳卫星的定轨精度进行分析。以微纳卫星深空探测为背景,采用"龙江2号"微卫星的轨道测量数据对其定轨精度进行了分析。"龙江2号"微卫星只有USB轨道测量数据,且环月段测控资源相对紧张,每天有两站跟踪,共约3～4 h的轨道测量数据。首先介绍了"龙江2号"微卫星飞行任务及其飞行过程中影响测定轨的因素;其次给出了定轨的动力学模型,对微卫星地月转移段的定轨精度进行了分析;最后通过分析摄动力、动量轮卸载以及数据弧段长度的影响,给出了微卫星环月阶段所使用的定轨策略,并通过重叠弧段比较的模式,给出了微卫星环月段的定轨精度。研究结论可以为后续微纳卫星深空探测任务提供有益参考。     

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。     

异地天线组阵站间时延差修正技术研究与验证

异地天线组阵可综合利用现有的天线设施,充分发挥设施资源的综合效能,对于我国未来深空探测任务的测控通信支持,提高测控通信距离,具有特殊的应用前景。介绍了异地天线组阵特点,并对异地天线组阵中关键的站间时延差修正技术进行研究,利用"嫦娥3号"下行数据开展技术试验验证,不仅获得了喀什、青岛、北京、三亚四站间的精确时延差结果,完成四站信号的基带合成和符号流合成,而且优化了软件相关器参数;该技术同时应用到欧空局"金星快车"微弱信号的基带合成处理中,为后续深空探测信号合成的工程化应用奠定了良好基础。     

2022深空探测与探月:多项任务蓄势待发

灵神星探测任务 灵神星探测任务是美国宇航局发现级探测任务中的第14项,和露西探测器研究类似的目标——小行星."露西"已经在2021年底发射,奔赴木星轨道的特洛伊小行星带,而"灵神号"将在2022年8月搭乘猎鹰重型运载火箭发射升空,前往位于火星和木星之间的主小行星带(简称主带),探访和它同名的16号小行星灵神星.     

一种基于探测器下行信号融合处理的无线电干涉测量方法

针对深空探测器常用下行信号体制,结合无线电干涉测量特点,提出了一种基于探测器DOR信标信号和数传信号融合处理的干涉测量方法。该方法首先通过相关处理得到DOR信号和数传信号的差分相位,利用DOR信号进行带宽综合得到时延估计,并构建时延模型;然后,利用时延模型得到DOR信号与数传信号在数传载波处的相位差,并以此对数传信号差分相位进行补偿;最后,利用DOR信号差分相位和补偿后的数传信号差分相位进行带宽综合,实现高精度干涉测量。深空探测网数据处理结果表明融合处理后时延估计随机误差明显降低;但受介质时延误差影响,融合处理对系统时延精度的改善幅度有所减小。该方法仅通过改进干涉测量数据处理方法即实现了时延估计随机误差的改善,不仅提高了信号使用效率,而且增强了航天测控系统的鲁棒性,在应急测控背景下具有特殊意义。     

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。     

中国深空探测任务轨道控制技术综述

深空探测作为人类航天活动的重要方向,是人类探索宇宙奥秘和寻求长久发展的必然途径,也是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。深空探测轨道控制技术作为决定深空探测任务成败的关键技术之一,越来越多地受到关注并得到应用,成为各国深空探测技术研究和发展的热点。以我国探月工程各次任务为脉络,简述了历次任务轨道控制的目标和实施效果,总结了主要技术创新,在此基础上,展望了我国未来深空探测轨道控制的发展趋势。     

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。     

“嫦娥三号”探测器软着陆自主导航与制导技术

"嫦娥三号"探测器首次实现了我国航天器在地外天体软着陆,制导导航与控制技术是软着陆任务成功的关键。针对高安全和高可靠软着陆任务的要求,设计了包含接力避障的软着陆飞行程序,提出了单波束分时修正与多波束融合修正的自主导航方法和自适应动力显式制导、无迭代多项式粗避障制导以及内外环结合的精避障制导等方法。实际在轨飞行结果表明,导航算法提供了高精度的状态估计,制导算法实现了高精度状态控制和有效避障机动,确保了软着陆落月的安全性和可靠性。     

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。     

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。     

基于场理论的“嫦娥4号”着陆区亮温时空分布特征研究

“嫦娥4号”（Chang’e-4）将首次实现在月球背面软着陆,而着陆区初步定为月球背面南极–艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑。利用“嫦娥”微波辐射计穿透性强的特点,针对微波辐射亮温缺乏场分析的问题,从场观点出发利用SVD方法分析冯·卡门撞击坑的亮温时空分布特征。结果表明冯·卡门撞击坑的3 GHz昼夜亮温场和37 GHz昼夜亮温场之间存在显著的耦合模态,同时在撞击坑内的亮温变化趋势相对一致;FeO+TiO₂（FTA）含量高的区域其相关性较高,也是亮温变化的关键区域,但是其等值线密度和FTA含量没有明显相关关系,主要和月表粗糙度相关。最后通过分析冯·卡门撞击坑的亮温时空分布特征综合地形特征、地层单元和物质化学成分等因素,为Chang’e-4着陆区的选择提供了参考。     

一种探月任务多窗口发射轨道设计方法

针对探月任务多窗口发射需求和目标轨道受到明显月球引力摄动的特点,提出一种快速高效的发射轨道设计方法：在星箭分离前的发射段,各发射窗口对应的发射轨道的一、二级飞行段完全相同,仅调整三级工作段程序角和无动力滑行时间,以满足入轨要求;在末级排放段,微调末级速度方向,利用月球摄动抬高末级近地点高度,使之超过GEO受保护区。该方法可统一火箭一、二级飞行段状态,缩小子级残骸落区范围,增强入轨参数设计的灵活性,显著提高星箭入轨参数迭代和相关分析工作的效率,明显改善末级离轨效果,符合空间安全相关要求,可推广应用于其他深空探测任务的多窗口发射轨道设计。     

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。