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编者按:嫦娥再奔月,举国同关注。2010年10月1日18时59分57秒。拖着橘红色火焰的长征三号丙火箭直冲云霄。将嫦娥二号准确送入地月转移轨道。嫦娥二号在举国欢呼声中,带着人们的期盼,飞向茫茫太空。
嫦娥二号是我国发射的第二颗绕月探测卫星,但它绝非嫦娥一号的简单重复。承前启后,继往开来,为未来的嫦娥三号实现“落月”充当先导,这才是嫦娥二号的历史使命。
作为今后嫦娥三号实现月球软着陆的基础,嫦娥二号究竟给我们带来了哪些惊喜,又为我们带来了哪些技术创新与突破,本刊将为您一一呈现。
探月工程总设计师揭秘嫦娥二号:从绕月到落月的桥梁
与三年前首次奔月的嫦娥一号一样,嫦娥二号依然是一颗绕月探测卫星;然而,嫦娥二号绝非嫦娥一号的简单重复。承前启后,继往开来,为未来的嫦娥三号实现“落月”充当先导,这才是嫦娥二号的历史使命。
作为“绕月”与“落月”的桥梁,嫦娥二号将带给人们哪些惊喜?探月工程总设计师吴伟仁为我们揭开了秘密。
记者:与嫦娥一号相比,嫦娥二号任务有何不同?
吴伟仁:二号工程有四个特点:快、近、精、多。“快”就是时间快了,嫦娥一号用了近14天时间才进入工作轨道,嫦娥二号7天以内就可以做到。“近”就是环月的轨道变了,嫦娥一号是200公里,而嫦娥二号是100公里;另外,嫦娥二号还要进行15公里降轨,也就是卫星离月面最近距离只有15公里。“精”就是测量的精度高了,CCD相机对月成像在100公里的时候分辨率优于10米,在15公里的时候达到1.5米,这比嫦娥一号相机120米的分辨率提高了很多。“多”就是试验项目多,包括X频段深空探测试验和一些相机的试验。
记者:嫦娥二号是嫦娥三号的先导星,那么这所谓的先导主要体现在哪几个方面?
吴伟仁:第一,嫦娥二号这次是走直接奔月的轨道,以后嫦娥三号也要走这个轨道;第二,100公里环月技术、15公里降轨技术,也是在为嫦娥三号做准备:第三,我们要对嫦娥三号拟着陆的虹湾地区进行高精度成像。
记者:嫦娥二号哪些设备是新建的?
吴伟仁:新建的不少,比如技术试验系统、X频段测控系统、CCD相机等。另外,这次我们选的火箭也不一样,嫦娥一号用长三甲,这次用长三丙,它带两个助推器,推力更大。
记者:对于老百姓来说。嫦娥二号有哪些看点?
吴伟仁:首先是发射。发射之后,我们准备在奔月的过程中对地球进行成像。其次,在近月制动过后,争取对月球、地球同时成像,但这要经过试验,现在还不能保证。另外还有两个很重要的看点,一个是卫星被月球捕获,再一个就是15公里降轨。
记者:这次运载火箭要直接把卫星送入地月转移轨道,这么做的意义是什么?
吴伟仁:这是嫦娥二号的一大创新。打个比方,嫦娥一号是我们的大姑娘,大姑娘远嫁月球,先围着娘家绕了三圈,走了14天才到月球。嫦娥二号是二姑娘,也要远嫁月球,我们希望她能够走捷径,不再绕了,直接进入38万公里的奔月轨道。这样一方面节省了火箭的推进剂,另一方面可以留出时间在月亮上做更多的试验。
这么做使我们选择发射窗口的自由度小了,必须选择得更准确。另外,火箭的推力必须更大,入轨精度必须更高。
记者:嫦娥二号环月轨道的高度从嫦娥一号的200公里降到了100公里。这里的难度是什么?
吴伟仁:月球上的高山和沟谷与地球大体相似。地球上有珠穆朗玛峰,有很深的海底。月亮上也差不多,按月平面算的话,有10公里的高山,也有10公里左右的沟谷。环月轨道降到100公里,对卫星控制技术和测控技术的要求更高了,因为弄不好就可能撞到月球上去。
记者:嫦娥一号在天上运行494天,嫦娥二号计划半年。为什么缩短?
吴伟仁:现在初步定的是半年寿命,但也可能会延长。定半年是因为在月面上我们要做很多试验,试验项目多,燃料消耗相对就会增多。但估计半年过后,还会工作很长时间。
记者:航天是高风险事业。嫦娥二号哪些环节风险比较大?
吴伟仁:风险比较大的是三个环节。
第一个环节就是火箭把卫星发射到近地点200公里、远地点约38万公里的奔月轨道,能不能精确入轨是这个环节当中我们最关心的问题。
第二个环节是卫星到达月球附近时,能不能被月球捕获。弄得不好,有可能撞击月球,也有可能跑了,月球“抓”不住了。
第三个环节就是15公里降轨。因为我们选择的着陆区在月球的正面,所以我们降轨的时候必须在月球的背面,对背面我们地面测控够不着,完全靠卫星自主控制,这里有难度。
记者:嫦娥二号的研制是独立自主的还是借鉴了国外一些现有的技术成果?
吴伟仁:探月工程是一项和平利用太空的事业,我们希望和有关国家和国际同行在平等互利的前提下开展更多的国际合作。
我们在嫦娥一号和嫦娥二号上也开展了一些国际合作。比如在测控方面,欧洲航天局给了我们一些支持,我们利用他们的一些航天站来作为我们的备份,延长了我们的测控时间。而我们的科学数据也免费提供给他们,实现资源共享。
当然,高科技是买不来的。我们的国情决定了必须依靠自力更生发展高新技术。
记者:嫦娥二号之后,探月工程还有哪些规划?
吴伟仁:二期工程一共有三次任务,包括嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号。三号和四号处于初样研制阶段,现在正在推进,估计2013年前后,我们能够在月面实现软着陆,而且在月面释放出月球车。二期工程之后,我们还要实施三期工程。三期工程目标是要进行无人采样返回,现在已经论证了实施方案,并得到批准,目前我们正在组织实施,计划大致在2020年之前完成这项工程。
记者:大家都很关心的一个问题是,中国人什么时候能登上月球?
吴伟仁:这个必须按步骤走。探月阶段我们制定了“绕、落、回”三步走方案,如果这三步都能顺利实施,那么就具备了人上月球的基本条件,估计是在2020年以后了。
记者:在月球探测成功以后,还有探测其他星球的计划吗?
吴伟仁:我们首先把探月工程搞好。在此基础上,它的一些技术,比如火箭技术、探测技术、控制技术,也可以用到其他星体探测上。在不远的将来,探测火星、金星是完全有可能的,因为这两个星球离地球最近。然后,我们可以再延伸到太阳系的其他星球。
嫦娥二号关键技术解析
相对“嫦娥一号”的技术改进和不同点
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200公里、远地 点高度约400000公里的地月转移轨道。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100公里环月圆轨道。在环月运行期间,卫星将择机实施轨道机动,进入100公里×15公里的椭圆轨道,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100公里环月圆轨道,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100公里近月制动的月球轨道捕获技术;四是验证100公里×15公里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,完成了四类科学探测,即获取更高精度的月球表面三维影像,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。
首用X波段深空应答机技术
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。
“动静相宜”的四台小相机
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,降低卫星发射以及在轨运行成本,4台小相机集成了多种先进技术。在总体方案的设计上,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,以确保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,可为其他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,激发人们了解航天、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
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。
嫦娥二号任务与嫦娥一号卫星相比更加复杂,不仅近月捕获高度由200公里降低至100公里,特别是新增加了100公里×15公里近月点成像任务,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7个,即100公里×15公里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);100公里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。
嫦娥二号是我国发射的第二颗绕月探测卫星,但它绝非嫦娥一号的简单重复。承前启后,继往开来,为未来的嫦娥三号实现“落月”充当先导,这才是嫦娥二号的历史使命。
作为今后嫦娥三号实现月球软着陆的基础,嫦娥二号究竟给我们带来了哪些惊喜,又为我们带来了哪些技术创新与突破,本刊将为您一一呈现。
探月工程总设计师揭秘嫦娥二号:从绕月到落月的桥梁
与三年前首次奔月的嫦娥一号一样,嫦娥二号依然是一颗绕月探测卫星;然而,嫦娥二号绝非嫦娥一号的简单重复。承前启后,继往开来,为未来的嫦娥三号实现“落月”充当先导,这才是嫦娥二号的历史使命。
作为“绕月”与“落月”的桥梁,嫦娥二号将带给人们哪些惊喜?探月工程总设计师吴伟仁为我们揭开了秘密。
记者:与嫦娥一号相比,嫦娥二号任务有何不同?
吴伟仁:二号工程有四个特点:快、近、精、多。“快”就是时间快了,嫦娥一号用了近14天时间才进入工作轨道,嫦娥二号7天以内就可以做到。“近”就是环月的轨道变了,嫦娥一号是200公里,而嫦娥二号是100公里;另外,嫦娥二号还要进行15公里降轨,也就是卫星离月面最近距离只有15公里。“精”就是测量的精度高了,CCD相机对月成像在100公里的时候分辨率优于10米,在15公里的时候达到1.5米,这比嫦娥一号相机120米的分辨率提高了很多。“多”就是试验项目多,包括X频段深空探测试验和一些相机的试验。
记者:嫦娥二号是嫦娥三号的先导星,那么这所谓的先导主要体现在哪几个方面?
吴伟仁:第一,嫦娥二号这次是走直接奔月的轨道,以后嫦娥三号也要走这个轨道;第二,100公里环月技术、15公里降轨技术,也是在为嫦娥三号做准备:第三,我们要对嫦娥三号拟着陆的虹湾地区进行高精度成像。
记者:嫦娥二号哪些设备是新建的?
吴伟仁:新建的不少,比如技术试验系统、X频段测控系统、CCD相机等。另外,这次我们选的火箭也不一样,嫦娥一号用长三甲,这次用长三丙,它带两个助推器,推力更大。
记者:对于老百姓来说。嫦娥二号有哪些看点?
吴伟仁:首先是发射。发射之后,我们准备在奔月的过程中对地球进行成像。其次,在近月制动过后,争取对月球、地球同时成像,但这要经过试验,现在还不能保证。另外还有两个很重要的看点,一个是卫星被月球捕获,再一个就是15公里降轨。
记者:这次运载火箭要直接把卫星送入地月转移轨道,这么做的意义是什么?
吴伟仁:这是嫦娥二号的一大创新。打个比方,嫦娥一号是我们的大姑娘,大姑娘远嫁月球,先围着娘家绕了三圈,走了14天才到月球。嫦娥二号是二姑娘,也要远嫁月球,我们希望她能够走捷径,不再绕了,直接进入38万公里的奔月轨道。这样一方面节省了火箭的推进剂,另一方面可以留出时间在月亮上做更多的试验。
这么做使我们选择发射窗口的自由度小了,必须选择得更准确。另外,火箭的推力必须更大,入轨精度必须更高。
记者:嫦娥二号环月轨道的高度从嫦娥一号的200公里降到了100公里。这里的难度是什么?
吴伟仁:月球上的高山和沟谷与地球大体相似。地球上有珠穆朗玛峰,有很深的海底。月亮上也差不多,按月平面算的话,有10公里的高山,也有10公里左右的沟谷。环月轨道降到100公里,对卫星控制技术和测控技术的要求更高了,因为弄不好就可能撞到月球上去。
记者:嫦娥一号在天上运行494天,嫦娥二号计划半年。为什么缩短?
吴伟仁:现在初步定的是半年寿命,但也可能会延长。定半年是因为在月面上我们要做很多试验,试验项目多,燃料消耗相对就会增多。但估计半年过后,还会工作很长时间。
记者:航天是高风险事业。嫦娥二号哪些环节风险比较大?
吴伟仁:风险比较大的是三个环节。
第一个环节就是火箭把卫星发射到近地点200公里、远地点约38万公里的奔月轨道,能不能精确入轨是这个环节当中我们最关心的问题。
第二个环节是卫星到达月球附近时,能不能被月球捕获。弄得不好,有可能撞击月球,也有可能跑了,月球“抓”不住了。
第三个环节就是15公里降轨。因为我们选择的着陆区在月球的正面,所以我们降轨的时候必须在月球的背面,对背面我们地面测控够不着,完全靠卫星自主控制,这里有难度。
记者:嫦娥二号的研制是独立自主的还是借鉴了国外一些现有的技术成果?
吴伟仁:探月工程是一项和平利用太空的事业,我们希望和有关国家和国际同行在平等互利的前提下开展更多的国际合作。
我们在嫦娥一号和嫦娥二号上也开展了一些国际合作。比如在测控方面,欧洲航天局给了我们一些支持,我们利用他们的一些航天站来作为我们的备份,延长了我们的测控时间。而我们的科学数据也免费提供给他们,实现资源共享。
当然,高科技是买不来的。我们的国情决定了必须依靠自力更生发展高新技术。
记者:嫦娥二号之后,探月工程还有哪些规划?
吴伟仁:二期工程一共有三次任务,包括嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号。三号和四号处于初样研制阶段,现在正在推进,估计2013年前后,我们能够在月面实现软着陆,而且在月面释放出月球车。二期工程之后,我们还要实施三期工程。三期工程目标是要进行无人采样返回,现在已经论证了实施方案,并得到批准,目前我们正在组织实施,计划大致在2020年之前完成这项工程。
记者:大家都很关心的一个问题是,中国人什么时候能登上月球?
吴伟仁:这个必须按步骤走。探月阶段我们制定了“绕、落、回”三步走方案,如果这三步都能顺利实施,那么就具备了人上月球的基本条件,估计是在2020年以后了。
记者:在月球探测成功以后,还有探测其他星球的计划吗?
吴伟仁:我们首先把探月工程搞好。在此基础上,它的一些技术,比如火箭技术、探测技术、控制技术,也可以用到其他星体探测上。在不远的将来,探测火星、金星是完全有可能的,因为这两个星球离地球最近。然后,我们可以再延伸到太阳系的其他星球。
嫦娥二号关键技术解析
相对“嫦娥一号”的技术改进和不同点
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200公里、远地 点高度约400000公里的地月转移轨道。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100公里环月圆轨道。在环月运行期间,卫星将择机实施轨道机动,进入100公里×15公里的椭圆轨道,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100公里环月圆轨道,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100公里近月制动的月球轨道捕获技术;四是验证100公里×15公里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,完成了四类科学探测,即获取更高精度的月球表面三维影像,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。
首用X波段深空应答机技术
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。
“动静相宜”的四台小相机
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,降低卫星发射以及在轨运行成本,4台小相机集成了多种先进技术。在总体方案的设计上,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,以确保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,可为其他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,激发人们了解航天、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
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。
嫦娥二号任务与嫦娥一号卫星相比更加复杂,不仅近月捕获高度由200公里降低至100公里,特别是新增加了100公里×15公里近月点成像任务,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7个,即100公里×15公里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);100公里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。