主动卸载模式下嫦娥四号中继星轨道确定

针对嫦娥四号中继星主动卸载模式,提出了一种引入姿态信息的卸载力建模与解算方法。分析了主动卸载的原理,嫦娥四号中继星姿控发动机布局、卸载控制方式决定其卸载的速度增量集中在本体系+zb方向;根据姿态信息建立了在惯性系下解算本体系速度增量的数学模型;通过该方法对嫦娥四号中继星跟踪数据进行处理分析。结果表明,提出的方法可以有效改进嫦娥四号中继星halo轨道精度,卸载后1.5 d轨道重建的位置精度小于1 km,速度精度优于4 mm/s;预报2~3 d的位置精度为1.2 km,速度精度优于5 mm/s。

嫦娥四号着陆器测控通信系统设计与验证

嫦娥四号着陆器测控通信系统负责搭建着陆器与地面站、中继卫星之间的测控通信链路,是任务工程目标实现的关键组成部分之一.针对嫦娥四号着陆器任务对测控通信系统任务需求,提出系统方案,给出测控通信系统关键环节的设计方法、实现技术路径、地面验证和在轨工作结果,可为未来的深空探测任务测控通信系统的设计与验证提供参考.

嫦娥四号着陆器月夜热电联供系统设计与验证

为了实现嫦娥四号着陆器在月球表面长期生存并完成月夜阶段温度采集任务,研制了一套高效的月夜热电联供系统.该系统主要由同位素温差电池(RTG)和两相流体回路组成.RTG发电废热在其端面集中排散,两相流体回路通过平板式蒸发器与RTG安装连接,收集热量传输到舱内.通过地面试验对系统功能进行了初步验证,试验中两相流体回路启动、断开正常,运行稳定.在轨飞行结果表明,该系统工作正常,实现了93%以上同位素核热源的热量用于温差发电器产生电能,并且收集了67%的发电废热用于舱内平台设备控温.

嫦娥四号探测器着陆区精确选择与评价系统设计

根据主要的科学探测目标和工程约束条件筛选出了适宜嫦娥四号任务着陆的大范围区域.嫦娥四号探测器的着陆区选择需要兼顾科学探测目标、工程实现的约束以及着陆区的环境、表面特征等等.其中,着陆区的表面特征主要包括坡度、撞击坑及岩石丰度、地形对光照遮挡情况等,直接影响了动力下降过程、着陆安全及月球巡视器的车体移动能力,也是影响着陆区选择的重要因素.基于已有的着陆区遥感测绘数据,对着陆区范围内的关键地形进行了统计分析.并通过模糊推理,建立并应用了着陆区选择及评价模型,在大范围着陆区域中精确筛选出了小范围的着陆区.最后,根据嫦娥四号任务实际在轨飞行过程,对该方法进行了验证.文章所使用的地形确定及筛选方法,可以为后续地外天体软着陆探测任务提供借鉴.

嫦娥四号探测器全级次供应商管理实践

嫦娥四号探测器针对任务创新强、产品状态多、研制模式新等特点,结合实际研制进展情况,在原有外协单位管理模式基础之上,采用了全级次供应商管理模式,对任务相关各级次全部供应商进行有效管理.项目团队组织各参研单位开展全面细致的统计、分析与确认工作,同时根据任务特点采取针对性措施,聚焦关键环节控制,开展长期贮存产品的分析与评价,并对重点单机和特殊产品实施重点管理,保证了各级供应商的产品、服务满足任务要求.文章对嫦娥四号探测器全级次供应商管理的实践经验进行了详细探讨,以期为其他航天器相关工作提供参考.

嫦娥四号着陆器月面工作遮挡应对方案研究

嫦娥四号着陆于月球背面南极-艾特肯盆地内,着陆区周围复杂地形导致测控和通信遮挡风险。针对这一问题,开展了着陆区的测控、光照遮挡分析,提出利用轨道控制策略的精细化设计来提高着陆点精度、优化月面工作程序和增加自主控制功能的设计方法,全方面降低嫦娥四号着陆器在月球背面着陆区的生存风险。该方法已通过嫦娥四号着陆器在轨验证,可以为其他深空探测任务提供参考和借鉴。

嫦娥四号着陆器数据管理系统设计特点与验证

为了解决深空中继链路信道受限情况下复杂密集信息流的高效传输问题,嫦娥四号设计实现了多信道、多模式、多码速率、长短帧相结合的数据传输机制,通过优化组合,充分利用信道资源,满足了不同飞行阶段的数据传输需求.同时通过自主运行策略降低中继链路的使用风险,确保中继链路故障情况下关键事件、关键分系统的安全性与可靠性.通过嫦娥四号飞行试验,验证该设计合理有效,为未来深空数管的设计实现提供了直接而有力的技术支持.

嫦娥四号探测器系统组织管理风险识别与控制

对嫦娥四号探测器系统组织管理风险识别与控制的实践经验进行了详细探讨.嫦娥四号探测器系统在组织管理上存在研制模式新、技术难点多、多线并行交叉约束、搭载安全性控制及发射场组织管理难度高等风险.在任务实施过程中,从组织系统策划,多器(星)总体管控模式与运行机制确立,两器一星计划风险协同管控与资源保障,多类型多目标载荷协同研制管理,实施过程动态控制方法的运用等方面入手,采取了切实可行的控制措施,有效地保证了高风险复杂任务的顺利实施.

嫦娥四号着陆器月面定时定点着陆轨道控制策略设计与实施

嫦娥四号着陆器的着陆区范围仅为嫦娥三号着陆区范围的5%.为满足在月球背面狭窄着陆区的高精度着陆需求,在嫦娥三号单层迭代的轨道控制策略基础上,提出了一种基于双层迭代的高精度定时定点月面软着陆轨道控制策略,以环月轨道倾角和环月半长轴为设计变量,设计了多发射窗口的定时定点着陆的标称轨道;再通过在近月制动及后续环月轨道控制中引入面外修正速度增量,逐次缩小轨道控制残差,解决了着陆区范围缩小带来的动力下降初始点的位置和时刻精确瞄准的需求.在轨着陆任务完成时,着陆器在动力下降初始点的落点经度预报偏差优于0.1°,落点时刻预报偏差小于1 min,表明该轨道控制策略满足任务要求.

嫦娥四号巡视器遥操作地面支持系统设计

嫦娥四号巡视器由于其工作环境特点,在任务执行期间需要采用自主导航和地面遥操作控制相结合的工作方式,以确保巡视器的安全和工作效率.文章基于嫦娥四号巡视器的任务执行条件,开展了针对地面支持系统的总体架构和系统设计,并介绍了系统的实现方法.以在轨应用实例和完成既定的在轨支持任务两个方面,证明了该地面支持系统设计的正确性和有效性.

嫦娥四号着陆器构型优化设计与验证

采用多目标约束遍历优化方法,进行了以天线视场、指向等使用需求为目标,载荷的机、电、热、光等接口要求为约束条件,单机设备、结构舱板联合迭代布局的优化设计.针对质量资源紧张进行了以减重为目标的电缆网络最短路径优化设计,电缆质量减轻1 1.4 kg,减轻比例达1 6.9%.进行对称布局优化调整,质心精度提高至0.1 mm,配重比降低至0.1%.经过构型优化设计,满足了任务目标对探测器构型的需求,经过地面试验及在轨飞行,也验证了构型优化设计的正确性.

基于视觉的嫦娥四号探测器着陆点定位方法

针对探测器月球背面着陆点快速高精度定位问题,利用嫦娥四号探测器动力下降过程中的降落相机序列图像以及着陆区高精度地形图,提出了一种基于高精度图像匹配和几何变换的探测器着陆点高精度快速定位方法。考虑到嫦娥四号、三号任务在动力下降阶段的相似性,利用嫦娥三号降落相机相关数据进行了着陆点定位实验与精度验证。其中降落相机序列影像间的匹配精度达到子像素;降落相机变分辨率图像的拼接优于1个像素。该方法将降落相机序列图像进行拼接,有效扩大着陆区域范围,提高匹配成功率与计算效率,实时性较好,已应用于嫦娥四号探测器月面着陆定位。

高冰点热管工作特性实验研究及在“嫦娥四号”探测器上的应用

文章针对月球探测器设备月昼高效传热和月夜阻断传热需求,设计了一种以八氟环丁烷为工质的开关式高冰点槽道热管,对其常温下传热性能及启动特性开展了地面实验研究。结果表明:热管工作温度35~55℃范围内的最大传热量大于40 W;工作在35~55℃温度范围、传热量为25 W时,蒸发段测点与冷凝段测点温差小于5℃;在相同传热量情况下,工作温度越高,传热温差越小;管体与水平面夹角分别为10°、30°两种情况下,热管均能在90 s内正常启动。该热管已在“嫦娥四号”探测器中得到成功应用。探测器地面热平衡试验和在轨数据表明,高冰点热管在月昼高温工况传热效果良好,月夜低温工况热管工质冻结、可以实现设备保温,确保了探测器相关设备在轨的高性能工作。

嫦娥四号巡视器系统设计与验证

介绍了嫦娥四号巡视器的无法与地面直接通信、月面地形崎岖和遮挡等技术特点,论述了根据技术特点相应的总体方案设计,如相对嫦娥三号巡视器的设备调整、在轨问题的完善设计以及系统安全的操控设计,随后开展了中继双向捕获跟踪和信息传输可靠性验证、嫦娥三号巡视器在轨问题解决措施的系统级验证、巡视器驶离性能验证和月面移动性能验证等针对性测试项目,最后介绍了嫦娥四号巡视器在月面的工作情况,其至今在月面工作时间已超过寿命要求,系统可靠运行,性能稳定,说明总体方案合理可行,可为后续我国月球和火星巡视器的研制提供参考.

嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置

嫦娥四号探测器由中继星、着陆器和巡视器组成.其科学目标为:月基低频射电天文观测研究,月球背面巡视区浅层结构探测研究以及月球背面巡视区形貌与矿物组分探测研究.共配置6台有效载荷设备,其中3台载荷设备配置在着陆器上,分别为降落相机、地形地貌相机和低频射电谱仪,其余3台配置在巡视器上,分别为全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪.本文主要论述了嫦娥四号任务的科学目标、着陆区概况、有效载荷配置及系统设计、各有效载荷任务和主要技术指标等.

利用多普勒测量确定嫦娥四号着陆器精密定轨

针对嫦娥四号着陆器环月飞行阶段的轨道,开展基于多普勒测量数据的精密轨道计算与精度分析。首先给出了多普勒测量数据的精确观测建模方法。然后,从着陆器姿控力影响,重叠弧段轨道比较,以及独立轨道比较几个方面开展计算与分析,结果表明:姿控喷气会对探测器产生细微的加速度,对轨道计算产生20~50 m的影响;通过重叠弧段的比较,稳定飞行阶段多普勒数据独立解算轨道的精度优于30 m;与测距与VLBI测量联合解算轨道的比较,轨道之间的差异小于50 m。

嫦娥四号着陆器有效载荷任务设计与验证

嫦娥四号着陆器落月后载荷需进行初始状态建立,载荷初始状态建立过程与探测器两器分离过程交叉,对飞行程序设计提出了挑战.文章针对嫦娥四号有效载荷分系统与探测器总体设计,按照着陆器各载荷的任务要求,结合月面工作的约束条件,从系统的角度对载荷开展探测任务的内容、顺序和时机进行设计和优化,并按照设计的工作流程,开展了着陆区的就位探测,验证了任务设计的合理性和载荷技术状态的正确性,可为后续探测任务中载荷与探测器系统联合飞行程序设计提供参考.

基于嫦娥四号探测器任务特点的产品保证工作实践

分析了嫦娥四号探测器探测任务难、产品状态多、搭载管理模式新的特点,总结了在狠抓风险识别与控制、实施差异化质量管控重点、严格搭载接口安全性控制方面采取的主要产品保证工作措施.上述措施有效确保了探测器的产品质量,可为后续航天器研制过程的产品保证工作提供参考.

嫦娥四号能量中性原子观测揭示太阳风与月面相互作用新特征

与地球不同,月球暴露在太阳风中。太阳风注入到月面,与月壤相互作用,部分太阳风质子以能量中性原子(Energetic Neutral Atom, ENA)的形式被月表散射。另外,月球局部地区的磁异常能阻挡太阳风到达月面,并形成微磁层,成为月面天然的保护屏障。然而以往相关的观测数据都来自轨道器,月面的真实情况无从知晓。嫦娥四号任务搭载的中性原子探测仪首次在月面就位测量ENA,为研究月面和太阳风相互作用提供了新的视角。本文综述了嫦娥四号的ENA探测,重点介绍了一些不同于以往遥感观测的新现象,包括月面ENA反射率较高,ENA通量向低能段聚集,以及除了氢ENA还有其他重成分ENA等。分析上游太阳风观测数据发现,月面对太阳风的作用主要体现在105~523 eV能量段,且在磁异常下游时ENA通量整体偏低。利用全球Hall MHD数值模拟,证明了微磁层是造成ENA通量降低的原因。同时,还发现月球微磁层的形成与太阳风动压以及离子惯性长度有关,微磁层内的静电场使得太阳风减速和偏转,对应的电势差为50~260 V。

基于CLEAN算法的嫦娥四号低频射电频谱仪信号干扰抑制

嫦娥四号低频射电频谱仪(Low Frequency Radio Spectrometer,LFRS)放置在月球背面,观测条件得天独厚。然而,嫦娥四号平台存在约10-15W/(m2·Hz)的强干扰,并且干扰在每道时域数据中存在明显差异,大大削弱了低频射电频谱仪的观测灵敏度。为此,从两组信号的相关性出发,提出基于CLEAN算法,借助互相关功率谱、傅里叶级数等工具,把低频射电频谱仪天线A,B和C的时域观测数据切分为强相关的CLEAN模型信号和部分相关的残余信号。其中,CLEAN模型信号主要由平台干扰信号和可能的低频强射电爆发组成;残余信号由接收机噪声、未扣除的平台干扰信号和常规低频射电信号组成。将该算法应用到实际数据中,结果表明,嫦娥四号低频射电频谱仪的未积分灵敏度可以提高约8个数量级,达到10-23W/(m2·Hz)。在此基础上,基于对平台干扰信号中确定成分和宽带随机成分的分类处理,借助低频射电爆发信号和平台干扰信号在功率谱上的不同表现,以及常规低频射电天文信号受月球自转调制等信息,将来科学分析工作的重点是进一步处理CLEAN模型信号和残余信号,以发现低频强射电天文爆发信号,对全天区进行粗略的成像。