利用单向多普勒确定“天问一号”轨道

“天问一号”任务中,单向多普勒轨道确定在我国深空探测任务中得到首次实际应用。本文提出了基于单向多普勒的“天问一号”轨道确定方法。首先对单向多普勒进行观测建模和误差理论分析,然后利用“天问一号”中继轨道段的单向多普勒进行定轨计算,最后使用定轨结果与基准轨道的星历进行比较及重叠弧段轨道比较两种方法,分析仅利用单向多普勒的定轨精度,验证了单向多普勒的定轨能力。分析表明,星载频率源的不稳定和太阳相位闪烁噪声是影响单向多普勒测速精度的主要误差源,“天问一号”中继轨道段,仅利用单向多普勒数据可以实现优于1 km的定轨精度,这为未来我国更遥远的深空探测任务实施提供了重要技术存储。

“天问一号”火星环绕器总体设计综述

“天问一号”火星环绕器实现了中国首次自主火星探测任务“绕”的目标,通过携带的遥感探测类载荷实现火星空间环境和表面环境的探测。文章通过与国外火星环绕探测器在探测目标、平台能力等方面的对比分析,介绍了“天问一号”火星环绕器的总体设计方案;同时,通过飞行过程的环境特点与任务剖面分析,给出了“天问一号”火星环绕器设计的技术难点与挑战。最后,进一步对技术特点进行了总结。

“天问一号”着陆中继通信系统设计与验证

“天问一号”火星探测任务是中国通过一次发射,实现对火星“绕、落、巡”的探测任务。火星探测任务的进入、下降及着陆段(Entry,Descent and Landing,EDL)是整个任务过程中最为重要的环节之一。基于该过程中继通信任务特点,介绍了“天问一号”火星探测器为适应EDL段通信任务时序复杂、高自主性、黑障现象以及高动态性等特点的中继通信系统方案及关键技术。同时结合“天问一号”软着陆任务,对EDL段中继通信在轨验证情况进行了总结和分析。提出的中继通信系统方案圆满支持了“天问一号”火星探测EDL段中继通信任务。

基于“天问一号”数据的自主火星重力场构建

“天问一号”是中国首次自主火星探测任务,一次实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测.火星物理场与内部结构研究是“天问一号”任务设定的五大科学目标之一,本文先回顾了国内外在火星重力场方面研究的新进展.为探究“天问一号”当前轨道对火星重力场解算贡献,本文开展了仿真1年的“天问一号”任务轨道跟踪数据对基于3个月300 km圆极轨道跟踪数据解算火星重力场的贡献.结果表明,加入“天问一号”数据对极轨道数据解算的火星重力场方面的改进主要表现在2–10阶次和35–45阶次,另外还发现大偏心率轨道和数据增多有助于降低火星重力场低阶次模型误差.进一步地,本文还处理了“天问一号”近4个月的实际射电跟踪数据(2022年07月至2022年11月),解算得到1个10阶次自主火星重力场模型.这对后续火星基础模型的研究,特别是自主火星重力场的构建,具有一定参考意义.

“天问一号”探测器进度管控方法探究与实践

“天问一号”探测器具有新技术、新试验、新产品、新状态多,制约关系复杂,多线并行,多地并进等特点,进度管控难度较大。在分析“天问一号”探测器研制进度管控形势、特点及难点的基础上,提出基于“抓融合、控变化、重动态”的探测器进度管控方法,总结研制过程中进度管控的经验,并指出不足之处,可为其他航天器项目研制进度管理提供参考。

天问与祝融:中国拥抱火星!

2020年7—8月是火星探测器的发射窗口,它每26个月才会打开一次,美国、中国、阿联酋在此期间都发射了火星探测器。美国"毅力号"火星车成功登陆火星。阿联酋"希望号"正在环绕火星进行遥感探测。2021年5月15日中国"天问一号"成功环绕火星、5月22日"祝融号"火星车驶离着陆平台,到达火星表面开始巡视勘察。

首次火星探测任务遥测帧同步参数设计

针对深空探测任务的遥测帧同步问题,结合深空测控设备帧同步器实际参数结构,推导了平均正确入锁时间解析式。根据深空任务重要阶段中器地通信时长短的特殊需求,提出了采用数据有效处理时间占比的数据有效率定义和计算方法,用于计算帧同步器在不同链路通信时长下的综合性能。分析了平均正确入锁时间和数据有效率两项指标的特点和不足,提出通过设定数据有效率阈值再由平均正确入锁时间选优的参数设计方法。最后,根据首次火星探测“天问一号”任务链路条件,给出了最佳帧同步参数,结果表明参数在我国深空站应用效果良好,方法有效。

面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究

国家火星探测任务是建设航天强国进程中的重大标志性工程,是中国航天走向更远深空的里程碑工程.智能材料这种集材料、结构和功能于一体的先进材料将会对火星探测任务有所助力.形状记忆聚合物及其复合材料作为一种典型的智能材料,可在有效减轻载荷的同时实现自主变形,已经在地球同步轨道航天器的应用中崭露头角.因此有必要研究这种新型环氧基形状记忆聚合物复合材料应用于火星探测工程的可能性.首先,针对“天问一号”火星探测器的任务需求,设计了一个具有自释放功能的着陆平台国旗装置.其中的锁紧释放装置由碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料制成,分别从静态拉伸力学性能、动态热机械性能和形状记忆性能三个角度评估了空间辐照和长期存储对形状记忆聚合物复合材料的影响.其中,空间辐照包括γ射线和紫外射线,辐照剂量分别为5×10^(5)rad和23.6 kCal.长期存储分为低温-196℃、室温25℃和高温85℃存储30天,和低温-196℃存储457天两组实验.最后,从“祝融号”火星车所携带相机拍摄的照片可以看到五星红旗被成功释放,旗面平整、图案清晰.这说明所研究的环氧基形状记忆聚合物复合材料可成功应用于火星探测任务,未来有望以多种结构形式助力我国的火星采样返回乃至其它深空探测任务.

火星环绕器火卫一抵近探测拓展任务设想轨道设计与分析

针对“天问一号”火星环绕器火卫一抵近探测拓展任务设想开展了任务轨道设计与分析,将主任务结束后的状态作为拓展任务的输入,对拓展任务轨道、变轨策略及燃料代价进行设计。通过分析得出,可利用火星摄动力调整近火点幅角使得环绕器轨道与火卫一轨道相交,且相交频率与半长轴和偏心率相关。为提高相交次数需进行降轨,进一步分析了利用火星大气辅助降轨以降低燃料消耗、提高轨道相交次数的可能性,最后通过调相机动的方式使环绕器完成火卫一抵近探测任务。仿真结果表明:所设计的拓展任务轨道及变轨策略的速度增量代价合理可行,可为后续火星环绕探测任务轨道设计提供参考。