“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。

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。

基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

提出了基于萤火一号(YH-1)火星探测器技术的自主火星探测器方案,可携带多种有效载荷在准太阳同步圆轨道上对火星进行科学探测。该方案具有可实现性强、成本低、研制周期短等特点,并能满足火星探测后续工程中的环绕器设计要求,利于我国火星探测的长远发展。利用长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心就可实现2013/2016年的我国自主火星探测。

基于萤火一号技术的自主火星探测方案

基于萤火一号技术的自主火星探测方案，可在准太阳同步轨道对火星探测。方案的可实现性强、成本低、研制周期短、可携带多种有效载荷，能满足火星后续工程中的轨道器设计要求，有利于我国火星探测的长远发展。萤火一号利用长征三号丙运载火箭，可在2013年实现我国自主火星探测。

天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法

由于太阳高度角和地面景物反射率等条件的变化,天问一号火星环绕器光学成像载荷在轨工作期间入瞳辐亮度变化范围很大,为了达到最佳的成像效果,需要光学成像载荷具备在轨自适应调整增益的能力。太阳高度角是设置时间延时积分电荷耦合器件积分级数的重要参数之一,积分级数是调整增益需要调整的主要参数。针对在轨工作期间太阳高度角实时变化、星历表文件较大等问题,本文提出一种基于傅里叶拟合的火星环绕器星下点太阳高度角在轨实时计算方法。首先,基于最小二乘原理采用8阶傅里叶逼近对火星惯性坐标系下太阳矢量的x,y,z坐标进行拟合,获得以时间作为变量的拟合方程。其次,根据制导、导航与控制系统发送的轨道参数获得火星惯性坐标系下环绕器的实时坐标。最后,基于夹角余弦公式即可在轨实时计算星下点太阳高度角。实验结果表明,在协调世界时2021-01-01 00:00:00至2024-01-01 00:00:00期间,采用本文方法获得的星下点太阳高度角实时计算结果最大绝对误差小于0.3°。满足天问一号高分辨率相机时间延时积分电荷耦合器件积分级数设置对太阳高度角计算结果的精度要求。基于该方法,天问一号高分辨率相机获取的火星影像细节丰富,亮度、对比度合理。

天问一号环绕器火星矿物光谱分析仪探测机理与仪器特性

火星矿物光谱分析仪(MMS)是天问一号环绕器载的主要科学载荷之一,具备获取火星表面可见至红外谱段光谱图像的能力,服务于火星表面矿物组成和分布及化学成分与演化历史研究. MMS设计在火星椭圆轨道的远火点定标及近火点探测火星表面的光谱和空间信息,具备多点高光谱模式、多光谱成像模式等多种探测模式.本文重点对MMS的功能性能、探测机理、仪器组成、定标与验证、在轨工作模式与数据特性进行简要介绍,为火星相关科学研究提供参考.

同波束VLBI测量下的天问一号火星车定位及精度分析

针对中国天问一号火星探测任务中的火星车定位问题,进行了相关方法的研究和精度分析。根据现有测控条件,考虑到火星车无地面测距数据,提出了利用轨道器和火星车的同波束甚长基线干涉测量(same-beam very long baseline interferometry,SBI)数据对火星车进行定位的方法。由于利用SBI联合轨道器测距数据无法在定轨定位的同时解算差分相时延模糊度,分析了在固定轨道器的轨道情况下,仅利用SBI数据进行火星车定位。结果表明,火星车定位误差随着轨道器的轨道精度提高而减小,如果轨道器的轨道精度从1 km提升到100 m或10 m,6 h SBI数据可以将火星车定位精度提高到数百米,同时,增加数据弧段可进一步提高定位精度,当对着陆器高程方向进行约束时,定位精度会有明显改善。

天问一号探测器地面验证技术

天问一号的任务特点以及火星进入和火面环境的复杂性对天问一号探测器的地面试验验证工作提出了很高的要求,天问一号探测器的研制过程中,不但要开展常规航天器必做的试验项目,还必须结合任务目标及环境特点开展大量专项试验,地面试验的充分性保证了任务的顺利完成.文章介绍了天问一号地面验证需求及地面验证试验的要求,重点介绍了系统级的专项试验策划、实施情况,以及试验的结果,最后对天问一号地面试验方法与试验技术进行了总结,对未来深空着陆探测器的地面验证试验具有重要的参考价值.

火星探测的“冰与火之歌”

2024年2月10日,是“天问一号”火星环绕器环火3周年纪念日。2021年2月10日19时52分,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”目标的第一步,环绕火星成功。

天问一号任务的技术创新

天问一号在国际上首次通过一次任务实现火星环绕、着陆、巡视的3大目标,突破了多项关键技术。本文介绍了天问一号的任务概况和飞行进展,全面总结了任务取得的8类创新成就和突破的主要关键技术。具体包括:火星环绕、着陆、巡视3大任务强耦合的总体设计、多弹道地球逃逸轨道发射、行星际飞行与火星捕获控制、火星进入下降着陆、火星表面恶劣环境应对、4亿千米远距离测控通信、遥感与巡视探测先进载荷、火星环境建模与地面验证试验。天问一号任务取得圆满成功,使得中国在深空探测领域一举进入世界先进行列。

火星!我们来了!--中国火星车模型制作

2020年7月23日,中国在海南省文昌发射中心使用长征五号遥四运载火箭将“天问一号”火星探测器成功发射,经过202天的长途跋涉,“天问一号”于2021年2月10日到达火星附近,成功被火星引力捕获,进入火星轨道;2021年5~6月,“天问一号”着陆巡视器(火星车)将择机登陆火星,然后在火星上实施巡逻。中国首次自主火星探测任务将一次性实现“绕、落、巡”,这在世界航天史上是绝无仅有的!

在太空“绣”出“中国红”

五星红旗的“中国红”代表着中华民族奋勇争先的精神,有中国人的地方就有“中国红”。中国航天人、广大科技工作者发扬载人航天精神,创造了一个个奇迹。从2003年中国首个载人飞船神舟五号的五星红旗首次太空展示,到嫦娥三号月球探测器上的五星红旗首次亮相月球,再到1亿干米外天问一号火星环绕器上的五星红旗熠熠生辉,五星红旗每一次在太空中的展示,都标志着中国航天科技取得了令世界瞩目的成就。

参会产品介绍

"天问一号"高分辨率相机 2020年7月23日12时41分,中国首次火星探测任务"天问一号"探测器在海南文昌卫星发射中心发射升空。长春光机所研制的火星高分辨率相机作为火星环绕器上的有效载荷之一,随"天问一号"发射升空,主要任务是获取火星表面重点区域精细观测图像。