嫦娥二号关键技术解析:106个预案确保飞行受控

2010-10-01 20:46 来源: 中国新闻网
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  10月1日,嫦娥二号绕月探测卫星在西昌卫星发射中心发射升空,踏上奔月征程。以下是嫦娥二号卫星的关键技术解析:

相对“嫦娥一号”的技术改进和不同点

  作为二期工程的先导星,嫦娥二号卫星在总体设计上与嫦娥一号卫星相比,技术上有哪些改进?不同点是什么?

  作为探月工程二期先导星,嫦娥二号卫星将试验探月工程二期部分关键技术,深化月球科学探测。

  与嫦娥一号卫星相比,嫦娥二号卫星将由长征三号丙运载火箭发射至近地点高度200km、远地点高度约400000km的地月转移轨道。卫星与火箭分离后,在地面测控支持下,经中途修正,在近月点自主实施制动,实现月球捕获,变轨后进入100km环月圆轨道。在环月运行期间,卫星将择机实施轨道机动,进入100km×15km的椭圆轨道,开展技术验证和二期工程备选着陆区成像试验;试验完成后,返回100km环月圆轨道,开展月球科学探测。

  “嫦娥二号”在飞行任务期间,将开展六大技术验证:一是配合运载火箭验证地月转移轨道直接发射技术;二是搭载轻小型化X频段深空应答机,配合中国新建的X频段地面测控站,试验X频段测控技术;三是验证距月面100km近月制动的月球轨道捕获技术;四是验证100km×15km轨道机动与飞行技术;五是试验遥测信道低密度奇偶校验码(LDPC)编码技术,月地高速数据传输技术及降落相机技术;六是对备选着陆区进行高分辨率成像试验。此外,在“嫦娥一号”卫星的基础上,改进有效载荷性能,提高了对月科学探测精度,完成四类科学探测,即获取更高精度月球表面三维影像,分辨率由嫦娥一号卫星的120米提高至优于10米,同时还将探测月球物质成分、月壤特性以及地月与近月空间环境。

首次使用X波段深空应答机技术

  “嫦娥二号”首次使用的X频段,与“嫦娥一号”使用的S频段相比,它的特点和优点是什么?

  探月二期工程将采用X波段测控体制,嫦娥二号卫星对此体制将进行先期验证。目前,国内型号中尚无星地X波段测控体制应用的实践,X波段深空应答机的研制涉及设计、器件和工艺等一系列难点,将重点解决低信噪比的载波捕获与跟踪以及在解调损耗紧张、低信噪比条件下保持较高的灵敏度等关键技术。其难点主要有两个方面:一是低信噪比下的载波捕获跟踪算法,二是小型化、低功耗设计技术。为此,设计人员采取了以下措施进行解决,一是进行低信噪比下的载波捕获数字处理算法的仿真验证,采用数字基带处理技术,采用FPGA+DSP的框架,在保证精简电路同时,提高系统设计灵活性;二是单机、分系统联试及星地对接试验全面验证。

嫦娥二号卫星轨道设计的四点变化

  在轨道设计上,嫦娥二号与嫦娥一号有何不同?

  与嫦娥一号卫星相比,嫦娥二号卫星在轨道设计方面存在四点不同。一是嫦娥一号卫星是由运载火箭送入环绕地球的椭圆轨道,再利用卫星自身推力进入地月转移轨道,而嫦娥二号卫星则是由运载火箭直接送入地月转移轨道;二是近月制动点轨道高度由嫦娥一号卫星的200公里变为嫦娥二号卫星的100公里;三是环月轨道由嫦娥一号卫星的200公里变为嫦娥二号卫星的100公里;四是嫦娥二号将把轨道高度降低至100kmX15km,对目标区域进行成像。

  轨道变化将给卫星带来什么影响?

  嫦娥一号的轨道高度是200公里,而嫦娥二号是100公里和100X15公里,这个变化过程有哪些难点和风险点?

  与嫦娥一号卫星200km×200km轨道不同,嫦娥二号卫星的环月轨道调整为100km圆轨道、100km×15km椭圆轨道。

  这一轨道变化对卫星总体设计、各分系统适应性方面将带来全局性影响。相比200km×200km轨道,低轨道飞行会带来更大的红外热流和月球摄动影响,对轨道预报、轨道控制、测定轨精度提出了更高的要求,也对星上热控、GNC、供配电等分系统带来影响。在系统总体设计方面需调整飞行程序,协调与运载火箭系统、测控系统、地面应用系统间的接口。在适应性修改方面,需适应性调整热控设计、扩大紫外敏感器视场、设计飞行程序,核算功率平衡、定向天线指向和传输时间等。

  针对轨道变化带来的一系列难点和风险,嫦娥二号卫星在设计和验证环节主要采取了五方面措施加以保证:一是模飞验证及星地无线联试;二是轨道设计专题控制;三是轨道第三方复核;四是系统充分协调沟通;五是飞行程序分阶段安排4次评审。

“动静相宜”的四台小相机

  嫦娥二号卫星上面安装了四个微小相机的作用是什么?

  嫦娥二号卫星安装了三台监视相机与一台降落相机。三台监视相机即490N发动机监视相机、定向天线监视相机及太阳翼监视相机。

  490N发动机用于卫星姿轨控,490N发动机监视相机可以监视其工作状态,获得发动机点火工作时的视频图像,并可在卫星发射后从太空中拍摄地球图像。

  在卫星绕月飞行过程中,定向天线通过旋转对准地球,传输各种数据信号,是卫星与地面连接的纽带,定向天线监视相机拍摄的图像可以监视其工作状态,由于定向天线360度旋转,活动半径大,距相机安装位置较近,此相机采用了短焦距超广角镜头。

  太阳翼是卫星的能量来源,卫星发射时太阳翼处于折叠状态,星箭分离后打开并在卫星飞行过程中不断调整方向,使太阳电池对准太阳,为整星工作提供能量,太阳翼监视相机可以拍摄太阳翼展开过程及工作状态,判断太阳翼状态是否正常,在姿轨控配合下还可拍摄地球与月球图像,为了使获得的地月图像较好,该相机采用了一款长焦镜头。

  由于这三台监视相机拍摄的目标颜色各有不同,还需获取地球和月球图像,因此,三台监视相机设置为彩色相机。

  降落相机将用于获取月球表面图像,相机具备清晰拍摄与快速拍摄两种工作模式,可根据需要选择不同的工作模式,由于月面目标均为灰色,此相机为黑白相机。

  为了实现以上的任务要求,同时尽量使相机做到重量轻、体积小、功耗低,降低卫星发射及在轨运行成本,4台小相机集成了多种先进技术。在总体方案设计上,采用了CMOS图像传感器,它是整个相机的核心元器件,具备集成度高、功耗低等诸多优点,有利于系统集成。为验证阳光直接照射进视场内对CMOS图像传感器有无影响,在地面进行了激光照射试验,还对其进行了各种抗辐照试验,确保CMOS图像传感器满足在轨使用要求。

  降落与监视相机帧频高,图像数据量大,为减少整星数传速率压力,相机对图像数据进行了压缩,实现了先进的全色/彩色图像压缩算法,节省了系统资源。复杂图像经8:1压缩后的峰值信噪比仍能达到40dB以上。

  相机具备自动曝光的能力,能够在复杂深空背景甚至卫星无姿轨控制的情况下识别出有效目标,利用特征提取算法,对视场内的有效物体进行分辨,并用快速收敛方法计算出合适的曝光时间,即使在复杂的环境下,最多只需5幅图像就可以确定合适的曝光时间。由于拍摄目标多种多样,亮度差异明显,要求相机的动态范围宽,能适应不同的光照条件及目标特性,为实现这一目标,相机设定了较宽的曝光时间范围,自动曝光算法可自动调整曝光时间至最佳。

  太空中温度条件、辐射条件非常恶劣,相机的可靠性安全性设计采用了诸多措施,并在地面进行了各种环境试验验证,充分考核了其性能,确保相机在这种恶劣环境下顺利完成各项任务。

  相机通过系统优化设计可做到手掌大小,重量仅三四百克,集成了光、机、电、热等先进技术,能够承受卫星发射过程的强烈力学冲击,并能在恶劣的太空环境下使用。相机集成了自动拍摄、实时图像压缩等智能操作,具备“动静相宜”的拍摄能力,并能做到长寿命,高可靠。

  嫦娥二号卫星安装的降落与监视相机,可为其它航天活动的在轨监视提供重要的参考价值。该类型的相机在空间活动监视、深空探测、交会对接等领域有着广阔的应用前景。

  嫦娥二号卫星上三台监视相机与一台降落相机获得的图像,可为整星提供重要的数据资料,并有利于探月工程成果的展示和宣传,激励人们了解航天、参与航天、热爱航天的热情。

嫦娥二号卫星GNC系统三大创新点

  嫦娥二号卫星GNC系统有何新的变化和技术?难点是什么?

  嫦娥二号卫星GNC产品在主要继承嫦娥一号卫星的基础上,通过软、硬件的修改,实现了三大技术创新:一是通过紫外敏感器的软、硬件修改,实现了近月与环月的辅助导航;二是通过GNC软件升级,实现了更加灵活的轨道控制,可以实现非测控区的轨道控制,并可在变轨后当圈进入对月定向;三是实现了载荷与敏感器互用,紫外敏感器增加了拍图与传图功能,能够拍摄月球的130米分辨率的紫外图像,并能覆盖月面80%以上的区域。

106个预案确保在轨飞行受控

  飞控试验队制定了哪些应急预案?

  嫦娥二号卫星的飞行任务总体上与嫦娥一号卫星任务相似,一个重要特点是工作模式复杂、动作时序性强,尤其是关键变轨窗口具有唯一性和短暂性,这对地面飞控能力提出了很高的要求。

  嫦娥二号任务相比嫦娥一号卫星相比更加复杂,不仅近月捕获高度由200km降低至100km,特别是新增加了100km×15km近月点成像任务,飞控操作复杂,需卫星系统、地面应用系统和测控系统多方配合。

  为了确保在轨飞行过程中地面能及时准确地定位故障,并在最短的时间内完成故障应对处理,卫星系统在嫦娥一号卫星故障预案的基础上开展了嫦娥二号卫星故障预案工作。根据嫦娥二号卫星特点,在嫦娥一号卫星故障预案的基础上不断增加或重新修订,共形成106个故障预案。其中新增典型预案有七个,即100km×15km轨道虹湾成像故障预案;有效载荷分系统故障预案(CCD立体相机和大容量存储器新研);技术试验分系统故障预案(分系统新研);100km环月飞行太阳翼高温故障预案;490N发动机长寿命使用故障预案;单粒子事件故障预案;490N发动机高温预案。