□ 文 龐丹 攝影 南勇

高靈敏度X波段深空應(yīng)答機(jī)技術(shù)

探月二期工程將采用X波段測控體制，嫦娥二號衛(wèi)星對此體制將進(jìn)行先期驗(yàn)證。目前，國內(nèi)型號中尚無星地X波段測控體制應(yīng)用的實(shí)踐，X波段深空應(yīng)答機(jī)的研制涉及設(shè)計(jì)、器件和工藝等一系列難點(diǎn)，將重點(diǎn)解決低信噪比的載波捕獲與跟蹤以及在解調(diào)損耗緊張、低信噪比條件下保持較高的靈敏度等關(guān)鍵技術(shù)。其難點(diǎn)主要有兩個(gè)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(shè)計(jì)技術(shù)。為此，設(shè)計(jì)人員采取了以下措施進(jìn)行解決，一是進(jìn)行低信噪比下的載波捕獲數(shù)字處理算法的仿真驗(yàn)證，采用數(shù)字基帶處理技術(shù)，在保證精簡電路同時(shí)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性；二是單機(jī)、分系統(tǒng)聯(lián)試及星地對接試驗(yàn)全面驗(yàn)證。

GNC系統(tǒng)三大創(chuàng)新點(diǎn)

嫦娥二號衛(wèi)星制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)產(chǎn)品在主要繼承嫦娥一號衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，通過軟、硬件的修改，實(shí)現(xiàn)了三大技術(shù)創(chuàng)新：一是通過紫外敏感器的軟、硬件修改，實(shí)現(xiàn)了近月與環(huán)月的輔助導(dǎo)航；二是通過GNC軟件升級，實(shí)現(xiàn)了更加靈活的軌道控制，可以實(shí)現(xiàn)非測控區(qū)的軌道控制，并可在變軌后當(dāng)圈進(jìn)入對月定向；三是實(shí)現(xiàn)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(qū)域。

108個(gè)預(yù)案確保在軌飛行受控

為了確保在軌飛行過程中地面能及時(shí)準(zhǔn)確地定位故障，并在最短的時(shí)間內(nèi)完成故障應(yīng)對處理，衛(wèi)星系統(tǒng)在嫦娥一號衛(wèi)星故障預(yù)案的基礎(chǔ)上開展了嫦娥二號衛(wèi)星故障預(yù)案工作。根據(jù)嫦娥二號衛(wèi)星特點(diǎn)，在嫦娥一號衛(wèi)星故障預(yù)案的基礎(chǔ)上不斷增加或重新修訂，共形成108個(gè)故障預(yù)案。其中新增典型預(yù)案有七個(gè)，即100千米×15千米軌道虹灣成像故障預(yù)案；有效載荷分系統(tǒng)故障預(yù)案（CCD立體相機(jī)和大容量存儲器新研）；技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng)故障預(yù)案（分系統(tǒng)新研）；100千米環(huán)月飛行太陽翼高溫故障預(yù)案；490牛發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命使用故障預(yù)案；單粒子事件故障預(yù)案；490牛發(fā)動(dòng)機(jī)高溫預(yù)案。

“動(dòng)靜相宜”的四臺小相機(jī)

嫦娥二號衛(wèi)星安裝了三臺彩色監(jiān)視相機(jī)與一臺黑白降落相機(jī)。

三臺監(jiān)視相機(jī)分別為490牛發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視相機(jī)、定向天線監(jiān)視相機(jī)及太陽翼監(jiān)視相機(jī)。490牛發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視相機(jī)可以監(jiān)視星上發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，獲得姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作時(shí)的視頻圖像，并可在衛(wèi)星發(fā)射后從太空中拍攝地球圖像。定向天線監(jiān)視相機(jī)用來監(jiān)視定向天線工作狀態(tài)。定向天線是衛(wèi)星與地面連接的紐帶，由于定向天線360度旋轉(zhuǎn)，活動(dòng)半徑大，距相機(jī)安裝位置較近，此相機(jī)采用了短焦距超廣角鏡頭。太陽翼監(jiān)視相機(jī)采用長焦鏡頭，可以拍攝太陽翼展開過程及工作狀態(tài)，判斷太陽翼狀態(tài)是否正常，在姿軌控配合下還可拍攝地球與月球圖像。

噪聲試驗(yàn)

紫外月球敏感器標(biāo)定測試試驗(yàn)

發(fā)射場衛(wèi)星測試

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

為了實(shí)現(xiàn)以上的任務(wù)要求，同時(shí)盡量使相機(jī)做到質(zhì)量輕、體積小、功耗低，降低衛(wèi)星發(fā)射及在軌運(yùn)行成本，4臺小相機(jī)集成了多種先進(jìn)技術(shù)。在總體方案設(shè)計(jì)上，采用了CMOS圖像傳感器，它是整個(gè)相機(jī)的核心元器件，具備集成度高、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于系統(tǒng)集成。為驗(yàn)證陽光直接照射進(jìn)視場內(nèi)對CMOS圖像傳感器有無影響，在地面進(jìn)行了激光照射試驗(yàn)，還對其進(jìn)行了各種抗輻照試驗(yàn)，確保CMOS圖像傳感器滿足在軌使用要求。

降落與監(jiān)視相機(jī)幀頻高，圖像數(shù)據(jù)量大，為減少整星數(shù)傳速率壓力，相機(jī)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的全色/彩色圖像壓縮算法，節(jié)省了系統(tǒng)資源。復(fù)雜圖像經(jīng)8∶1壓縮后的峰值信噪比仍能達(dá)到40dB以上。

研制人員正在組裝嫦娥二號衛(wèi)星降落相機(jī)

相機(jī)具備自動(dòng)曝光的能力，能夠在復(fù)雜深空背景甚至衛(wèi)星無姿軌控制的情況下識別出有效目標(biāo)，利用特征提取算法，對視場內(nèi)的有效物體進(jìn)行分辨，并用快速收斂方法計(jì)算出合適的曝光時(shí)間，即使在復(fù)雜的環(huán)境下，最多只需5幅圖像就可以確定合適的曝光時(shí)間。由于拍攝目標(biāo)多種多樣，亮度差異明顯，要求相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍寬，能適應(yīng)不同的光照條件及目標(biāo)特性，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，相機(jī)設(shè)定了較寬的曝光時(shí)間范圍，自動(dòng)曝光算法可自動(dòng)調(diào)整曝光時(shí)間至最佳。

太空中溫度條件、輻射條件非常惡劣，相機(jī)的可靠性安全性設(shè)計(jì)采用了諸多措施，并在地面進(jìn)行了各種環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，充分考核了其性能，確保相機(jī)在這種惡劣環(huán)境下順利完成各項(xiàng)任務(wù)。

相機(jī)通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可做到手掌大小，質(zhì)量僅三四百克，集成了光、機(jī)、電、熱等先進(jìn)技術(shù)，能夠承受衛(wèi)星發(fā)射過程的強(qiáng)烈力學(xué)沖擊，并能在惡劣的太空環(huán)境下使用。相機(jī)集成了自動(dòng)拍攝、實(shí)時(shí)圖像壓縮等智能操作，具備“動(dòng)靜相宜”的拍攝能力，并能做到長壽命，高可靠。

嫦娥二號衛(wèi)星安裝的降落與監(jiān)視相機(jī)，可為其它航天活動(dòng)的在軌監(jiān)視提供重要的參考價(jià)值。該類型的相機(jī)在空間活動(dòng)監(jiān)視、深空探測、交會(huì)對接等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。