火星探测UHF频段原位通信关键技术研究

火星是人类探索太阳系的下一个里程碑,由于地球和火星之间的距离非常遥远（最远距离约4亿千米,光行时约22min）,为了最大限度地完成火星车和地球之间的高效通信,火星车和火星环绕器之间的器间原位中继通信技术就显得尤为重要。针对大椭圆轨道下器间通信信噪比低、信号参数变化快、全自主要求高及质量功耗约束极为严苛等难点,提出了一种UHF频段器间原位通信技术,主要包括超高灵敏度高动态自适应信号解调、高精度多普勒测量、基于CCSDS Proximity-1的协议一体化集成融合和面向火星复杂环境的高集成度高收发隔离产品工程化设计,实现了捕获灵敏度优于-141dBm、解调灵敏度（1kbit/s）优于-134dBm、频率动态范围优于±26kHz、多普勒测量精度优于10mHz、收发隔离大于180dB、弧段内全自主高可靠高吞吐率通信及基于架构统型的系统/单机极限优化,相关指标优于美国系列火星探测器中的“Electra”。经祝融号火星车和天问一号火星环绕器、ESA“Mars Express”火星轨道器在轨实际测试,测试数据符合预期,为中国首次火星探测的圆满成功做出了重要贡献。     

三床机载制氧系统性能仿真及影响因素分析

建立了三床机载分子筛制氧系统的数学模型,对系统性能进行仿真.仿真结果与实验值进行了对比,两者吻合较好,验证了模型和求解的正确性.在此基础上,对不同飞行高度和工作条件下系统的性能进行仿真预测,研究了产品气流量、吸附压力、冲洗定径孔大小和循环时间对系统工作性能的影响,为三床机载分子筛制氧系统的设计和优化提供了依据.      

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.     

火星表面风沙物理过程及沙尘暴的起动风速

通过建立风吹动地表沙粒运动的模型并根据大气湍流边界层风速廓线规律,计算了火星上沙尘暴的起动风速和沙尘暴发生时空中悬浮沙尘粒径的大小,并对沙粒从地面跳起进入气流的方式进行了验证.发现当大气为中性层结时,火星沙尘暴的起动需要离地面2m高处的风速达到28.7m·s^-1.在起动临界风速下,地表沙粒需要滚动一个粒径的距离才能跳起,沙尘暴发生后,火星大气中悬浮沙尘的粒径小于30μm.     

三床型机载制氧系统控制设计与实验验证

为解决两床型机载制氧系统在实际应用过程中出现的输出压力波动大及低空氧浓度偏高等问题,需研制与开发三床型机载制氧系统。为此,依据系统控制逻辑,采用电磁阀驱动电控气动阀循环工作的控制模式,开展了三床型机载制氧系统的控制设计,提出了高低空分段调节循环周期的控制方法,并在不同输入压力、流量条件下,对三床型机载制氧系统进行了循环周期实验,探索了产品气氧浓度随循环周期时间的变化规律。研究结果表明:当采用高空循环周期为6 s,低空循环周期为9 s,高低空分段高度为3.5 km等控制参数时,系统控制设计可适用于三床型机载制氧系统,并满足三床型机载制氧系统控制设计的需求。      

卫星表面原子氧通量和遭遇量的计算及讨论

建立了一个较为理想情况下卫星表面原子氧通量和遭遇量的计算模式。在此基础上,着重讨论了轨道高度、太阳活动、飞行攻角及轨道倾角等因素对原子氧通量和遭遇量的影响。     

火星尘埃与探测

火星表面尘埃与太阳辐射、热辐射的相互作用直接影响火星大气的结构、热平衡和动力学过程,并会产生改变火星表面反照率和火星地貌的长期效应.火星尘埃环境还对登陆于火星表面的着陆器能源系统和光学载荷等系统构成影响.为此需开展火星大气尘埃的直接就位探测.在介绍了火星的尘埃特性与主要探测方法基础上,提出了采用微质量计技术开展火星表面尘埃就位探测的综合探测器方案.探测器包含3种传感器.尘埃累积传感器通过设置其敏感晶体表面朝上,可以探测火星表面尘埃的沉积质量与速率;荷电尘埃传感器通过加置不同极性的偏置电压,可以探测荷正电尘埃和荷负电尘埃的累积特性;磁尘传感器通过在敏感晶体后加设小型永久磁铁,可以探测磁性尘埃的累积特性.传感器感测质量范围为10^-11~10^-4g.火星尘埃综合探测器可应用于未来的火星着陆探测计划.     

祝融号火星车科学探测模式设计与验证

受通信能力低、能源不足等限制,祝融号火星车有效载荷科学探测需提高探测效率,以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。祝融号火星车的巡视探测科学任务着眼于火星局部地区,包括火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况。统筹考虑祝融号火星车移动能力、通信能力、能源能力、热控能力等约束,合理划分工程活动和科学探测活动可用的资源,协调使用火星车的桅杆和移动系统,优化组合各载荷工作模式,设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合,解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。祝融号火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务,设计的科学探测模式全部得到在轨验证。结果表明这些模式设计合理有效,满足安全、自主、高效开展科学探测的需求。     

Search for methane on Mars: Observations,interpretation and future work

The detection of methane on Mars has been reported by three different teams in 2004. Two of them used ground-based high-resolution spectroscopy in the near infrared range. The third one used the Planetary Fourier Spectrometer aboard Mars Express. Among the data sets, two of them reported a mean CH₄ mixing ratio of 10 ppb. However, these are marginal detections, which should be considered as tentative. The third (ground-based) data set, unpublished so far, seems to show evidence for strong localized sources of CH₄, corresponding to mixing ratios as high as 250 ppb in some cases. However, the high values reported in 2003 were not confirmed by subsequent observations performed by the PFS instrument in 2004. In the absence of a refereed publication, it is difficult to judge if the high values are indeed correct. Assuming that they are, the lack of their confirmation by the PFS could have several explanations, including, among others, localized transient vents, or time variations in the methane destruction rate. A biogenic source was first suggested for the martian methane. However, later studies showed that an abiotic source such as hydrogeology can be just as effective. Further dedicated observations are obviously needed to firm up the detection and distribution of methane on Mars.     

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.     

中国首次火星探测工程有效载荷总体设计

简要介绍了中国首次火星探测工程的科学目标与有效载荷的配置,有效载荷分系统的总体技术方案,包括有效载荷供配电、遥测遥控、科学数据处理、在轨自主运控,以及有效载荷分系统在轨基本工作流程安排。针对火星环绕器有效载荷功能复杂、安装位置分散等特点,配置了独立的载荷控制器设备,通过总线网络将有效载荷分系统组成有机整体,实现与环绕器平台的统一电接口。针对火星车有效载荷在重量、体积、能源等方面的严格限制,通过最大限度地将各有效载荷主控电子学控制单元集成于一台载荷控制器设备中,实现了对有效载荷的集中控制和管理。     

YingHuo-1——Martian Space Environment Exploration Orbiter

This paper gives a brief introduction of YingHuo-1 (YH-1), a Chinese Martian Space Environment Exploration Orbiter. YH-1 is a micro-satellite developed by Chinese Aerospace Industry,and will be launched together with Russian spacecraft, Phobos-Grunt, to orbit Mars in September,2009. Four payloads are selected for the mission, plasma package, including of electron analyzer, ion energy and mass analyzer; sat-sat occultation receiver; flux-gate magnetometer; and optical monitor.YH-1 mission focus on the investigation of the characteristics and its evolution of the Martian space Environment, and identifying major plasma processes, which provide channels for Martian volatiles escaping.     

YingHuo-1——Martian Space Environment Exploration Orbiter

This paper gives a brief introduction of YingHuo-1 (YH-1), a Chinese Martian Space Environment Exploration Orbiter. YH-1 is a micro-satellite developed by Chinese Aerospace Industry,and will be launched together with Russian spacecraft, Phobos-Grunt, to orbit Mars in September,2009. Four payloads are selected for the mission, plasma package, including of electron analyzer, ion energy and mass analyzer; sat-sat occultation receiver; flux-gate magnetometer; and optical monitor.YH-1 mission focus on the investigation of the characteristics and its evolution of the Martian space Environment, and identifying major plasma processes, which provide channels for Martian volatiles escaping.     

Thermosphere density and wind measurements in the equatorial region using a constellation of drag balance nanospacecraft

A mission for in situ thermosphere density and winds measurement is described, based on nanospacecraft equipped with a drag balance instrument (DBI) and a GPS receiver. The mission is based on nanosatellite clusters deployed in three orbital planes. In this study, clusters of 10 nanospacecraft are considered, leading to a mission based on a total of 30 nanospacecraft. The geometry analyzed is a symmetrical one, including an equatorial orbit and two orbits with the same inclination and opposing ascending nodes. The main idea is that, by combining the accurate information on the satellite inertial position and velocity provided by the GPS receiver and the drag acceleration intensity provided by the DBI, due to the orbits’ geometrical configuration, both atmospheric drag and wind can be resolved in a region close to the orbit nodes. Exploiting the Earth oblateness effect, a complete scan of the equatorial regions can be accomplished in the short mission lifetime typical of very low Earth orbit satellites, even in high solar activity peaks, when the expected nanospacecraft lifetime is about 40 days.     

摄动因素对火星环绕段轨道长期影响研究

针对未来火星探测需要,研究了摄动因素对火星环绕段轨道的长期影响。对各种摄动因子的数量级进行了估计,根据估计结果,对比选取了起主导作用的摄动因子;建立了主要摄动因子的数学模型;通过数值仿真验证,对比分析了火星和地球的相应摄动因素对各自环绕段轨道半长轴和偏心率的影响。仿真结果表明:非球形摄动对火星环绕段轨道的影响具有明显的长周期特征,而相应的地球环绕段短周期效应较明显,这主要是由于质量分布不同造成火星非球形引力位中田谐项的系数基本都比地球的相应值大一个量级,因此在实际轨道设计中应该重点考虑高阶项特别是高阶田谐项对环绕段轨道造成的影响。