嫦娥二號關鍵技術解析：106個預案確保飛行受控

　　中新網10月1日電 10月1日，嫦娥二號繞月探測衛星在西昌衛星發射中心發射升空，踏上奔月征程。以下是嫦娥二號衛星的關鍵技術解析：

　　相對“嫦娥一號”的技術改進和不同點

　　作為二期工程的先導星，嫦娥二號衛星在總體設計上與嫦娥一號衛星相比，技術上有哪些改進？不同點是什么？

　　作為探月工程二期先導星，嫦娥二號衛星將試驗探月工程二期部分關鍵技術，深化月球科學探測。

　　與嫦娥一號衛星相比，嫦娥二號衛星將由長征三號丙運載火箭發射至近地點高度200km、遠地點高度約400000km的地月轉移軌道。衛星與火箭分離后，在地面測控支持下，經中途修正，在近月點自主實施制動，實現月球捕獲，變軌后進入100km環月圓軌道。在環月運行期間，衛星將擇機實施軌道機動，進入100km×15km的橢圓軌道，開展技術驗證和二期工程備選著陸區成像試驗；試驗完成后，返回100km環月圓軌道，開展月球科學探測。

　　“嫦娥二號”在飛行任務期間，將開展六大技術驗證：一是配合運載火箭驗證地月轉移軌道直接發射技術；二是搭載輕小型化X頻段深空應答機，配合中國新建的X頻段地面測控站，試驗X頻段測控技術；三是驗證距月面100km近月制動的月球軌道捕獲技術；四是驗證100km×15km軌道機動與飛行技術；五是試驗遙測信道低密度奇偶校驗碼(LDPC)編碼技術，月地高速數據傳輸技術及降落相機技術；六是對備選著陸區進行高分辨率成像試驗。此外，在“嫦娥一號”衛星的基礎上，改進有效載荷性能，提高了對月科學探測精度，完成四類科學探測，即獲取更高精度月球表面三維影像，分辨率由嫦娥一號衛星的120米提高至優于10米，同時還將探測月球物質成分、月壤特性以及地月與近月空間環境。

　　首次使用X波段深空應答機技術

　　“嫦娥二號”首次使用的X頻段，與“嫦娥一號”使用的S頻段相比，它的特點和優點是什么？

　　探月二期工程將采用X波段測控體制，嫦娥二號衛星對此體制將進行先期驗證。目前，國內型號中尚無星地X波段測控體制應用的實踐，X波段深空應答機的研制涉及設計、器件和工藝等一系列難點，將重點解決低信噪比的載波捕獲與跟蹤以及在解調損耗緊張、低信噪比條件下保持較高的靈敏度等關鍵技術。其難點主要有兩個方面：一是低信噪比下的載波捕獲跟蹤算法，二是小型化、低功耗設計技術。為此，設計人員采取了以下措施進行解決，一是進行低信噪比下的載波捕獲數字處理算法的仿真驗證，采用數字基帶處理技術，采用FPGA+DSP的框架，在保證精簡電路同時，提高系統設計靈活性；二是單機、分系統聯試及星地對接試驗全面驗證。

　　嫦娥二號衛星軌道設計的四點變化

　　在軌道設計上，嫦娥二號與嫦娥一號有何不同？

　　與嫦娥一號衛星相比，嫦娥二號衛星在軌道設計方面存在四點不同。一是嫦娥一號衛星是由運載火箭送入環繞地球的橢圓軌道，再利用衛星自身推力進入地月轉移軌道，而嫦娥二號衛星則是由運載火箭直接送入地月轉移軌道；二是近月制動點軌道高度由嫦娥一號衛星的200公里變為嫦娥二號衛星的100公里；三是環月軌道由嫦娥一號衛星的200公里變為嫦娥二號衛星的100公里；四是嫦娥二號將把軌道高度降低至100kmX15km，對目標區域進行成像。

　　軌道變化將給衛星帶來什么影響？

　　嫦娥一號的軌道高度是200公里，而嫦娥二號是100公里和100X15公里，這個變化過程有哪些難點和風險點？

　　與嫦娥一號衛星200km×200km軌道不同，嫦娥二號衛星的環月軌道調整為100km圓軌道、100km×15km橢圓軌道。

　　這一軌道變化對衛星總體設計、各分系統適應性方面將帶來全局性影響。相比200km×200km軌道，低軌道飛行會帶來更大的紅外熱流和月球攝動影響，對軌道預報、軌道控制、測定軌精度提出了更高的要求，也對星上熱控、GNC、供配電等分系統帶來影響。在系統總體設計方面需調整飛行程序，協調與運載火箭系統、測控系統、地面應用系統間的接口。在適應性修改方面，需適應性調整熱控設計、擴大紫外敏感器視場、設計飛行程序，核算功率平衡、定向天線指向和傳輸時間等。

　　針對軌道變化帶來的一系列難點和風險，嫦娥二號衛星在設計和驗證環節主要采取了五方面措施加以保證：一是模飛驗證及星地無線聯試；二是軌道設計專題控制；三是軌道第三方復核；四是系統充分協調溝通；五是飛行程序分階段安排4次評審。

　　“動靜相宜”的四臺小相機

　　嫦娥二號衛星上面安裝了四個微小相機的作用是什么？

　　嫦娥二號衛星安裝了三臺監視相機與一臺降落相機。三臺監視相機即490N發動機監視相機、定向天線監視相機及太陽翼監視相機。

　　490N發動機用于衛星姿軌控，490N發動機監視相機可以監視其工作狀態，獲得發動機點火工作時的視頻圖像，并可在衛星發射后從太空中拍攝地球圖像。

　　在衛星繞月飛行過程中，定向天線通過旋轉對準地球，傳輸各種數據信號，是衛星與地面連接的紐帶，定向天線監視相機拍攝的圖像可以監視其工作狀態，由于定向天線360度旋轉，活動半徑大，距相機安裝位置較近，此相機采用了短焦距超廣角鏡頭。

　　太陽翼是衛星的能量來源，衛星發射時太陽翼處于折疊狀態，星箭分離后打開并在衛星飛行過程中不斷調整方向，使太陽電池對準太陽，為整星工作提供能量，太陽翼監視相機可以拍攝太陽翼展開過程及工作狀態，判斷太陽翼狀態是否正常，在姿軌控配合下還可拍攝地球與月球圖像，為了使獲得的地月圖像較好，該相機采用了一款長焦鏡頭。

　　由于這三臺監視相機拍攝的目標顏色各有不同，還需獲取地球和月球圖像，因此，三臺監視相機設置為彩色相機。

　　降落相機將用于獲取月球表面圖像，相機具備清晰拍攝與快速拍攝兩種工作模式，可根據需要選擇不同的工作模式，由于月面目標均為灰色，此相機為黑白相機。

　　為了實現以上的任務要求，同時盡量使相機做到重量輕、體積小、功耗低，降低衛星發射及在軌運行成本，4臺小相機集成了多種先進技術。在總體方案設計上，采用了CMOS圖像傳感器，它是整個相機的核心元器件，具備集成度高、功耗低等諸多優點，有利于系統集成。為驗證陽光直接照射進視場內對CMOS圖像傳感器有無影響，在地面進行了激光照射試驗，還對其進行了各種抗輻照試驗，確保CMOS圖像傳感器滿足在軌使用要求。

　　降落與監視相機幀頻高，圖像數據量大，為減少整星數傳速率壓力，相機對圖像數據進行了壓縮，實現了先進的全色/彩色圖像壓縮算法，節省了系統資源。復雜圖像經8：1壓縮后的峰值信噪比仍能達到40dB以上。

　　相機具備自動曝光的能力，能夠在復雜深空背景甚至衛星無姿軌控制的情況下識別出有效目標，利用特征提取算法，對視場內的有效物體進行分辨，并用快速收斂方法計算出合適的曝光時間，即使在復雜的環境下，最多只需5幅圖像就可以確定合適的曝光時間。由于拍攝目標多種多樣，亮度差異明顯，要求相機的動態范圍寬，能適應不同的光照條件及目標特性，為實現這一目標，相機設定了較寬的曝光時間范圍，自動曝光算法可自動調整曝光時間至最佳。

　　太空中溫度條件、輻射條件非常惡劣，相機的可靠性安全性設計采用了諸多措施，并在地面進行了各種環境試驗驗證，充分考核了其性能，確保相機在這種惡劣環境下順利完成各項任務。

　　相機通過系統優化設計可做到手掌大小，重量僅三四百克，集成了光、機、電、熱等先進技術，能夠承受衛星發射過程的強烈力學沖擊，并能在惡劣的太空環境下使用。相機集成了自動拍攝、實時圖像壓縮等智能操作，具備“動靜相宜”的拍攝能力，并能做到長壽命，高可靠。

　　嫦娥二號衛星安裝的降落與監視相機，可為其它航天活動的在軌監視提供重要的參考價值。該類型的相機在空間活動監視、深空探測、交會對接等領域有著廣闊的應用前景。

　　嫦娥二號衛星上三臺監視相機與一臺降落相機獲得的圖像，可為整星提供重要的數據資料，并有利于探月工程成果的展示和宣傳，激勵人們了解航天、參與航天、熱愛航天的熱情。

　　嫦娥二號衛星GNC系統三大創新點

　　嫦娥二號衛星GNC系統有何新的變化和技術？難點是什么？

　　嫦娥二號衛星GNC產品在主要繼承嫦娥一號衛星的基礎上，通過軟、硬件的修改，實現了三大技術創新：一是通過紫外敏感器的軟、硬件修改，實現了近月與環月的輔助導航；二是通過GNC軟件升級，實現了更加靈活的軌道控制，可以實現非測控區的軌道控制，并可在變軌后當圈進入對月定向；三是實現了載荷與敏感器互用，紫外敏感器增加了拍圖與傳圖功能，能夠拍攝月球的130米分辨率的紫外圖像，并能覆蓋月面80%以上的區域。

　　106個預案確保在軌飛行受控

　　飛控試驗隊制定了哪些應急預案？

　　嫦娥二號衛星的飛行任務總體上與嫦娥一號衛星任務相似，一個重要特點是工作模式復雜、動作時序性強，尤其是關鍵變軌窗口具有唯一性和短暫性，這對地面飛控能力提出了很高的要求。

　　嫦娥二號任務相比嫦娥一號衛星相比更加復雜，不僅近月捕獲高度由200km降低至100km，特別是新增加了100km×15km近月點成像任務，飛控操作復雜，需衛星系統、地面應用系統和測控系統多方配合。

　　為了確保在軌飛行過程中地面能及時準確地定位故障，并在最短的時間內完成故障應對處理，衛星系統在嫦娥一號衛星故障預案的基礎上開展了嫦娥二號衛星故障預案工作。根據嫦娥二號衛星特點，在嫦娥一號衛星故障預案的基礎上不斷增加或重新修訂，共形成106個故障預案。其中新增典型預案有七個，即100km×15km軌道虹灣成像故障預案；有效載荷分系統故障預案(CCD立體相機和大容量存儲器新研)；技術試驗分系統故障預案(分系統新研)；100km環月飛行太陽翼高溫故障預案；490N發動機長壽命使用故障預案；單粒子事件故障預案；490N發動機高溫預案。(廠文)