中国首次火星探测工程有效载荷总体设计

朱岩,白云飞,王连国,沈卫华,张宝明,王蔚,周盛雨,杜庆国,陈春红

（中国科学院 国家空间科学中心,北京 100190）

0 引 言

作为我国深空探测计划的又一个里程碑事件,中国政府于2016年1月对中国首次自主火星探测任务正式批复立项,计划于2020年发射一颗火星探测器,一次性实现“环绕”“着陆”“巡视”3个目标。

中国首次自主火星探测任务的探测器由一个火星环绕器和一个火星着陆巡视器构成。环绕探测科学任务着眼于对火星全球性和综合性的探测；着陆巡视器由进入舱和火星车组成,火星车巡视探测科学任务着眼于火星局部地区的高精度就位探测[1-5]。环绕探测和巡视探测相结合,完成一系列联合探测任务。

我国首次自主火星探测的科学目标包括5个方面的探测和研究：

1）火星形貌与地质构造特征；

2）火星表面土壤特征与水冰分布；

3）火星表面物质组成；

4）火星大气电离层及表面气候与环境特征；

5）火星物理场与内部结构。

1 中国首次自主火星探测有效载荷配置情况

为了实现上述科学目标,火星环绕器配置的有效载荷包括：中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪等7类科学仪器,并配备一台环绕器载荷控制器对载荷进行控制和管理。火星车上配置的有效载荷包括：导航地形相机、多光谱相机、火星车次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪和火星气象测量仪。通过集成一体化设计的载荷控制器对载荷进行控制和管理[6-8]。表1～2分别对火星环绕器和火星着陆车配置的有效载荷进行了归纳。

2 火星环绕器有效载荷分系统总体设计

2.1 火星环绕器有效载荷分系统组成架构

火星环绕器有效载荷分系统的总体设计思路是：以一台独立的载荷控制器为核心设备,通过内部总线网络将有效载荷分系统连接成一个有机整体,同时,载荷控制器为有效载荷分系统提供与卫星平台的综合电子分系统、GNC分系统以及总体电路分系统之间的统一电接口。火星环绕器有效载荷分系统组成与连接关系如图1所示。

有效载荷分系统与卫星平台相关分系统的接口主要包括卫星一次电源输入接口、OC指令接口、PPS对时秒脉冲接口、卫星姿轨参数RS422实时串行接口、卫星1553B总线接口以及有效载荷科学数据LVDS输出接口。

表1 火星环绕器有效载荷配置Table 1 Payloads of MARS-1 orbiter

表2 火星车有效载荷配置Table 2 Payloads of MARS-1 rover

载荷控制器与有效载荷分系统其它载荷之间的接口类型主要包括一次电源配电接口（包括工作电源以及热控电源）、OC遥控接口、模拟量/温度量采集接口、RS422命令与低速数据通讯接口及专用接口、LVDS高速数据通讯接口、有效载荷分系统1553B总线接口等。

2.2 火星环绕器有效载荷分系统供配电与遥测遥控设计

环绕器平台为通过输出一次电源母线至载荷控制器,为有效载荷提供工作电源和热控电源。载荷控制器通过内部配电单元为各有效载荷提供一次电源作为工作和热控电源。载荷控制器的开关机由环绕器平台输出的OC指令控制,各有效载荷工作电源和热控电源的开关由载荷控制器根据经卫星1553B总线转发的数据注入指令或根据自主运行状态输出OC指令控制。

有效载荷的数据指令由载荷控制器通过有效载荷1553B总线或RS422接口发送,产生方式有两种：载荷控制器转发来自卫星平台1553B总线的数据注入,或由自主运行控制产生,这些指令用于启动有效载荷执行各种在轨探测模式以及设置工作参数。

图1 火星环绕器有效载荷分系统连接框图Fig.1 Block diagram of payload system,Mars-1 orbiter

载荷控制器通过有效载荷1553B总线或RS422接口接收来自有效载荷的数字量遥测,组织成工程参数通过LVDS接口发送至卫星平台,同时还将提取关键数字量遥测,通过卫星1553B总线发送至卫星平台。

载荷控制器采集有效载荷的模拟量或温度量遥测,经AD变换,组织成工程参数通过LVDS接口发送至卫星平台；同时提取关键模拟量遥测,通过卫星1553B总线发送至卫星平台。

2.3 火星环绕器有效载荷分系统科学数据处理与传输

火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪等载荷产生的较低速科学数据经由RS422接口,中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪等载荷产生的较高速科学数据经由LVDS接口,发送至载荷控制器。

中分辨率相机和高分辨率相机的图像数据将由载荷控制器的图像压缩单元进行多种可选择模式的压缩处理,并组织成一定的源包格式,连同其它载荷的科学数据,经多路动态复接处理,组织成传输帧格式,通过LVDS接口发送至卫星平台进行存储,并择机传输至地球数据接收站。

2.4 火星环绕器有效载荷分系统主要在轨工作模式及自主运行管理

火星环绕器有效载荷的工作时段主要分为地火转移段以及环火段。地火转移段工作的有效载荷包括环绕器次表层探测雷达的甚低频射电频谱采集单元、火星能量粒子分析仪以及火星离子与中性粒子分析仪,对地火转移的行星际空间环境开展科学探测。环火段轨道为大椭圆轨道,有效载荷分系统的科学探测模式主要分为近火段模式以及远火段模式。空间环境类有效载荷在环火段通常保持连续工作,而中分变率相机、高分辨率相机、火星环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪等载荷主要工作在近火段。

地火距离造成的无线信号通讯延时较大,信息传输速率较低,有效载荷的在轨工作流程控制不适应于传统的遥科学、遥现场强实时遥控操作方式,因此需要载荷控制器具备较强的在轨自主运行控制能力。载荷控制器通过预存多组载荷在轨工作模式执行序列表,通过地面注入指令或事件表启动这些序列,同时结合GNC信息,尽量减少地面上行注入指令的数据量,实现最大程度的有效载荷自主运行管理与控制。另外载荷控制器预存的执行序列表也可以通过地面数据注入更改,以实现实际运行过程中根据用户需求变化,以及环绕器轨道、能源、有效载荷状态变化情况进行灵活调整。同时,载荷控制器还具备对有效载荷故障模式处理以及应急状态控制功能,表3给出了环绕器有效载荷科学探测基本工作流程。

表3 环绕器有效载荷科学探测基本工作流程Table 3 Major program of orbiter payloads workflow

3 火星车有效载荷分系统总体设计

3.1 火星车有效载荷分系统组成架构

由于火星车平台重量、体积以及火星地表温度环境的约束,火星车有效载荷分系统采用了更高集成度的一体化总体技术方案。该方案最大限度地将各有效载荷电子学控制单元集成于舱内的载荷控制器中。

如图2所示,火星车有效载荷分系统配置在火星舱内的设备包括载荷控制器和表面成分探测仪的光谱仪。载荷控制器是火星车有效载荷分系统核心设备,集成了公共部分的电源单元、计算机与数据处理单元,以及表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪以及次表层探测雷达的主控电子学单元。舱外设备包括两台导航地形相机、多光谱相机以及其它各载荷的探头和天线部件。

图2 火星车有效载荷分系统连接框图Fig.2 Block diagram of payload system,Mars-1 rover

除因地形相机与平台导航相机复用,由GNC系统直接管理,多光谱相机的图像数据接口直接输出至平台系统管理单元之外,火星车载荷控制器统一提供了有效载荷分系统与火星车平台之间的其它各种电接口。

3.2 火星车有效载荷分系统供配电与遥测遥控设计

火星车平台通过一次电源母线至载荷控制器,为有效载荷分系统提供工作电源,载荷控制器的电源单元经过DC/DC变换后,为各载荷提供二次供电电源。其中载荷控制器公共单元的开关机由火星车平台输出的OC指令控制,各载荷的二次供电由载荷控制器公共单元产生的OC指令控制。

载荷控制器内部各载荷电子学控制单元与公共单元间的数据指令通过内部RS422接口传输,产生方式有两种：①公共单元转发来自火星车平台1553B总线的数据注入；②由公共单元自主运行产生。这些指令用于启动有效载荷执行各种在轨探测模式以及设置工作参数。

载荷控制器公共单元通过RS422接口接收来自各有效载荷电子学控制单元的数字量遥测,组织成工程参数并通过LVDS接口发送至卫星平台,同时还将提取关键数字量遥测,通过1553B总线发送至火星车平台。

载荷控制器公共单元采集有效载荷的模拟量或温度量遥测,经AD变换后,组织成工程参数通过LVDS接口发送至火星车平台；同时提取关键模拟量遥测,通过1553B总线发送至火星车平台。

3.3 火星车有效载荷分系统科学数据处理与传输

火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪以及火星车次表层探测雷达的科学数据,经由载荷控制器内部RS422接口发送至公共单元,经公共单元处理、组包、缓存后,根据指令发送至火星车平台,择机经火星环绕器中继传输至地球数据接收站。

导航地形相机、多光谱相机的图像数据经LVDS接口直接发送至火星车平台,经压缩处理后,择机经火星环绕器中继传输至地球数据接收站。

3.4 火星车有效载荷分系统主要在轨工作模式及自主运行管理

火星车各有效载荷在火星表面巡视期间根据光照、温度等气象条件以及火星车能源的具体情况择机工作。导航地形相机、多光谱相机以及火星表面成分探测仪在火星车静止期间工作；次表层探测雷达在火星车移动期间工作；表面磁场探测仪以及气象测量仪在火星车移动和静止期间均可以择机工作。

载荷控制器公共单元同样具有较强的在轨自主运控管理能力。公共单元通过预存多组载荷在轨工作模式执行序列表,通过地面注入指令或事件表启动这些序列,尽量减少地面上行注入指令的数据量,实现最大程度的有效载荷自主运行控制。另外载荷控制器公共单元预存的执行序列表也可以通过地面数据注入更改,以适应实际运行过程中根据用户需求变化,以及火星车姿态、能源、有效载荷状态变化情况进行灵活调整。同时,载荷控制器公共单元还具备对有效载荷故障模式处理以及应急状态控制功能。

4 结 语

自主火星探测工程的启动,是对我国航天技术水平的又一次巨大挑战。火星探测有效载荷将面临更加严苛的测控、通讯、能源条件限制以及复杂运行环境的考验。因此,有效载荷需加强在设计集成化、运行控制智能化、环境适应鲁棒化等方面的创新性研究,为我国后续的深空探测任务开拓更广阔的思路。

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