嫦娥五号任务再入返回段测控总体设计与实现

胡 浩，董光亮，裴照宇，李海涛，黄 磊，任俊杰，葛 平，陈少伍，樊 敏

(1. 探月与航天工程中心，北京 100190；2. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

0 引 言

按照中国探月工程“绕落回”三步走的策略,三期工程的核心任务是“月面采样返回”。为了完成这一目标,在嫦娥五号任务中,通过视觉测量技术快速获取了采样区域的地形地貌数据信息[1],通过视觉伺服方法解决了月面采样机械臂精确夹持样品容器的技术难题[2],通过采用月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案完成了人类历史上首次无人月球轨道交会对接[3]。

除了上面提到的与月面采样、月球轨道交会对接相关的技术挑战外,月地高速再入返回段测控也是任务的重点和难点之一。中国之前曾成功实施过多次返回式卫星任务和载人航天返回任务,这些任务均采用一次再入的方式,再入速度约为7.8 km/s(接近第一宇宙速度);而嫦娥五号返回器的返回则与之不同,返回器采用半弹道跳跃式二次再入的方式,以约11 km/s(接近第二宇宙速度)的速度返回地球,涉及到气动力、气动热、制导导航与控制(GNC)、测控通信等诸多方面关键技术的突破[4-5],需要探测器系统和测控系统共同配合,确保返回器返回内蒙古四子王旗预定着陆区。

本文以“嫦娥五号”任务再入返回段为背景,对该阶段的测控任务开展了需求分析,梳理出轨返分离点测定轨预报、轨返分离前天地校时、初次再入及二次再入关键任务弧段的跟踪测控等主要技术难题,给出了相应的解决方案,并完成了再入返回段测控总体方案的设计工作。任务实践表明,测控系统的方案稳妥可靠,有效确保了任务的圆满成功,并可为后续开展小行星采样返回、火星采样返回等任务提供重要技术参考。

1 再入返回段测控任务需求分析

1.1 轨返分离点测定轨预报精度需求

为了确保返回器能够进入返回走廊,并最终精确返回预定着陆区,需要再入角精度达到5.8°±0.2°。再入角的定义是再入时速度方向与当地水平线的夹角,该角度的大小直接影响到返回器的机动能力和气动力、气动热情况,关乎着任务成败。再入角精度由轨控误差、轨控前后调姿误差以及测定轨预报精度共同来保证。具体到任务实施上,前两项由探测器系统GNC来确保,而测定轨预报精度需要由测控系统确保[6]。对该精度的具体指标要求为:在轨道器与返回器分离(轨返分离)前定轨并预报1 h至分离点,径向、切向和法向(RTN)三个方向上的位置精度均优于1 000 m(3σ),速度精度均优于0.5 m/s(3σ)。

1.2 轨返分离前天地校时精度要求

按照任务飞行程序,在轨返分离前,需要测控系统通过地面测控站进行返回器轨道参数注入和返回器GNC制导参数注入。在进行上述参数注入时,需同时上注历元时刻,如果返回器器上时钟与地面时钟存在较大误差,则相当于额外引入了定轨预报误差,这会对返回器再入返回过程的实施带来严重影响。对该精度的具体指标要求为:天地校时精度优于1 ms。

1.3 返回段跟踪测控要求

测控系统依托S频段统一测控(USB)设备、雷达设备和光学设备,承担着返回器再入返回段的跟踪测控及落点预报任务。嫦娥五号返回器目标小、再入速度快、再入黑障时间长、一次再入出黑障后弹道散布范围大,这些不利因素均给测控系统带来了挑战。为了确保再入返回段关键弧段的测控跟踪,给出较为准确的落点预报,测控系统需要统筹考虑测控资源,通过合理布站来构建出具有较高测控覆盖率的再入返回跟踪测量链,并依靠获取的返回器遥外测数据开展综合解算,及时预报返回器落点。

2 轨返分离前测控总体设计

2.1 三站接力测量

在嫦娥五号轨道器与返回器分离之前,轨返组合体的器下点位置均位于南纬30°附近(如图1所示),且不在国内测控区,可以利用的测控站包括中国在纳米比亚鲸湾建的纳米比亚站和在阿根廷内务肯建的阿根廷深空站。在轨返组合体最后一次中途修正(第六次中途修正)到轨返分离仅有约4.5 h,需要测控系统定轨预报1 h至分离点,RTN三个方向上位置精度均优于1 000 m(3σ),速度精度均优于0.5 m/s(3σ),实际能够用于定轨的测量数据只有3 h。通过测定轨仿真分析,利用纳米比亚站和阿根廷深空站无论采用何种测轨策略都无法满足这一任务要求。为此,测控系统提出了利用与欧空局(ESA)玛斯帕拉玛斯站进行国际联网测控的策略,采用三站三向测量(包括三向测距和三向测速)的方式来提高定轨预报精度[7-8]。玛斯帕拉玛斯站位于北纬30°附近,与纳米比亚站和阿根廷深空站构成“大三角”,有效改善了测量几何。三向测量模式已在嫦娥三号任务的落月过程中得到成功应用[9],数据精度明显优于单站双向测距测速。然而遗憾的是,通过与ESA协调得知,玛斯帕拉玛斯站不具备开展三向测距的能力。针对此情况,测控系统提出了三站接力测量的策略,由阿根廷深空站、玛斯帕拉玛斯站和纳米比亚站分别进行双向测距测速。通过将可用的测控弧段资源均匀分配给上述3个测控站,从而有效改善测量几何,达到定轨预报精度要求[10]。

图1 三站接力测量示意图Fig.1 Schematic diagram ofthe three-station relay measurement

利用三站接力测量模式进行大椭圆轨道短弧定轨预报,特别是近地点的位置、速度,对于观测弧段的选取、动力学模型的选择等存在一定难度。因此测控系统通过与ESA协调,在2014年组织圣地亚哥站(中方在智利圣地亚哥建的测控站)、纳米比亚站和玛斯帕拉玛斯站,利用ESA SAMBA卫星进行测定轨试验,对三站接力测量模式下的定轨预报精度进行验证。SAMBA卫星属于ESA星团(Cluster)计划4颗卫星中的一颗,卫星在过近地点时与嫦娥五号返回器的轨道特性相似,返回器与SAMBA卫星轨道参数比较见表1所示。

表1 嫦娥五号轨返组合体与SAMBA卫星的轨道比较Table 1 Comparison of the orbit of the Chang’e-5 probe and the orbit of SAMBA

从表1中可以看出,SAMBA卫星测定轨试验结果可以为嫦娥五号任务轨返分离点定轨预报精度提供参考。利用SAMBA卫星测定轨的实际结果,对嫦娥五号轨返组合体测定轨精度进行仿真分析,结果(3σ)见表2所示。表中情况1为三站接力测轨时长共计2.5 h,情况2为三站接力测轨时长共计3 h。

表2 嫦娥五号轨返组合体测定轨精度仿真分析结果(3σ)Table 2 Simulation analysis results of the precision of orbit determination of the Chang’e-5 probe (3σ)

从表2中的仿真结果分析看,2.5 h定轨预报1 h 40 min的情况不满足需求(位置RTN三个方向都不满足、速度R方向不满足),3 h定轨预报1 h 10 min的情况可以满足需求。根据上述结论,在任务中采用三站接力测量共3 h的策略,每个站均进行双向测距测速1 h,具体测量时段分配如图2所示。

图2 三站接力测量弧段分配示意图Fig.2 Time distribution of the three-station relay measurement

2.2 境外测控站校时策略

为确保轨返分离前的天地校时精度,需要准确获知轨道器和地面测控站间的器地设备固定时延。器地设备固定时延和器地距离决定着轨道器与地面站的器地时差。

通常情况下,必须将轨道器测控分系统正样件运至测控站进行对接试验,通过示波器获得器地设备固定时延值,这一指标的精度与示波器的分辨率相关,一般优于1 ms。在嫦娥五号任务实施前,开展过测控正样对接试验的测控站仅为国内相关测控站(喀什深空站、佳木斯深空站、青岛站)。然而轨返组合体从喀什深空站出站9 h后才轨返分离,因轨道器未采用高稳定度频率源,若长时间不进行天地校时,器上时间基准会逐步恶化,因此必须想办法采用位于我国境外的纳米比亚站或阿根廷深空站在轨返分离前进行天地校时,从而满足器上时间基准的要求。

为了解决地面测控站无法通过器地对接试验获取器地设备固定时延的问题,测控系统提出了一种全新的技术方案,以便让无条件开展器地对接试验的地面测控站能够开展器地校时。为了达到上述目的,采用的技术方案包括如下步骤。

1)在测控站A与B的共视弧段内的t1时刻,利用测控站A,由式(1)获取器地时差ΔTt1并校时:

ΔTt1=TCZ(t1)-(T0+TWX(t1))-ΔTA-ΔtAR(t1)

(1)

因为是测控站A和测控站B的共视弧段,因此不论利用测控站A还是测控站B校时,对器上的校时量是相同的,且测控站A和测控站B的测控站时间相同(由地面测控网时统保证),因此同时满足以下关系:

ΔTt1=TCZ(t1)-(T0+TWX(t1))-ΔTB-ΔtBR(t1)

(2)

2)在测控站A与B的共视弧段内,利用式(2),由式(3)推算测控站B的器地设备固定时延:

ΔTB=TCZ(t1)-(T0+TWX(t1))-ΔTt1-ΔtBR(t1)

(3)

3)在测控站B跟踪弧段内的t2时刻,参照式(1),由式(4)获取t2时刻器地时差并校时:

ΔTt2=TCZ(t2)-(T0+TWX(t2))-ΔTB-ΔtBR(t2)

(4)

4)在测控站B与C共视弧段内,循环步骤2)、3)可获取测控站C器地设备固定时延ΔTC,并在测控站C跟踪弧段内进行相应的校时工作。

上述步骤中:A为有对接试验测控站,在嫦娥五号任务中可指代喀什深空站;B、C为无对接试验测控站,在嫦娥五号任务中可分别指代纳米比亚站和阿根廷深空站;测控站A与B及B与C之间均有共视弧段;ΔTt1为t1时刻器地时差,ΔTt2为t2时刻器地时差(t1时刻测控站A和测控站B双站共视,t2时刻卫星已从测控站A出站,测控站B对卫星可见);TCZ(t1)为t1时刻地面测控站时间,TCZ(t2)为t2时刻地面测控站时间;T0为器上时间起始时刻,TWX(t1)为t1时刻遥测帧中器上时间,TWX(t2)为t2时刻遥测帧中器上时间(相对于器上起始时刻计时,T0+TWX构成了器上时间);ΔTA为测控站A器地设备固定时延,以天地测控正样对接获取的数据为准(已知量),ΔTB为测控站B器地设备固定时延;ΔtAR(t1)为t1时刻测控站A到卫星的空间传输时延,由任务中心计算得到,同理ΔtBR(t1)为t1时刻测控站B到卫星的空间传输时延,ΔtBR(t2)为t2时刻测控站B到卫星的空间传输时延,由任务中心计算得到。

3 再入返回段测控总体设计

3.1 返回弹道特性

返回器与轨道器在距地球约5000 km高度处完成分离,采用半弹道跳跃二次再入方式进入大气层,返回内蒙古四子王旗着陆场。整个返回过程示意图如图3所示。

图3 嫦娥五号返回器返回过程示意图Fig.3 Diagram of the return process of the Chang’e-5 reentry module

3.2 返回段测控总体设计

返回器返回过程中涉及到3个主要阶段,分别是一次入黑障段、一次出黑障后自由飞行段和二次入黑障段。在黑障区内,因受等离子体鞘套影响,测控系统无法通过USB设备完成遥测遥控和双向相干测距测速,仅能通过返回器的RCS特性进行雷达反射式跟踪,以及通过返回器的亮温度特性进行可见光和红外光学成像测量。测控系统需尽最大能力保证返回器实际弹道与标称弹道存在偏差时的跟踪测量及关键弧段的遥测遥控,补充建设再入返回跟踪测量设备[11],确保对返回器工况的监视及位置姿态的确认,并给出落点预报。

返回器第一次再入黑障过程中,再入点位于东非索马里以东海域上空,黑障飞行段位于索马里和也门以东,无地面测控资源可用。为了完成对返回器的状态监视和轨迹测量,测控系统在索马里以东海域布设1艘测量船[12],利用船上雷达设备对返回器第一次再入全过程进行反射式跟踪测量。测量船上同时载有USB设备和光学设备,其中USB设备配有小口径引导天线,有利于在返回器入黑障前尽早发现目标,并为雷达设备提供同船引导。对于测量船船位的选取,需要满足多个约束条件:首先是入黑障前不小于15 s的遥测跟踪,确保在入黑障前对返回器状态进行确认,并有足够时间来引导雷达设备可靠跟踪返回器;其次需要实现过最低点后不小于15 s的外测跟踪,保证对返回器正常拉起过程的测量;再有就是考虑到返回器再入速度快、动态的特性,测量船最高工作仰角应尽量不超过40°。综合上述条件,可以按照文献[13]的方法确定出测量船的布设区域。

返回器一次出黑障后,将进入自由飞行段,由于返回器的气动模型不能准确建模,造成的散布范围无法准确估计,仅仅依靠理论弹道引导无法确保地面测控设备的捕获跟踪。为了能够确保捕获目标,测控系统选择在巴基斯坦卡拉奇和西藏阿里按照标称弹道沿迹分别布设了宽波束引导设备和车载多波束设备。卡拉奇宽波束引导设备的捕获范围达到了18°,车载多波束设备的捕获范围达到了20°,均能够覆盖返回器正常弹道偏差下的散布范围。两套设备互为备份提高捕获概率,尽可能减小出黑障后散布误差的影响,增加可靠性,并为后续测控设备提供引导信息。

返回器二次入黑障直至开伞,将由布设在新疆、青海、内蒙等地的多套雷达进行搭接测量,确保对返回器的可靠跟踪,并准确给出返回器的落点预报。

4 嫦娥五号任务实施效果

4.1 轨返分离前

轨返组合体第五次中途修正后,测控系统和探测器系统对修正效果共同进行了评估,满足取消第六次中途修正的条件,因此第六次中途修正不再实施,第五次中途修正至轨返分离前长约16 h的数据均可用于事后精密轨道的确定。在此情况下,不需要三站接力测量即可满足轨返分离点测定轨预报精度需求。境外测控站在轨返分离前按照本文2.2节的校时策略在跟踪过程中开展了校时。12月17日1时13分,轨返正常分离,返回器转单舱滑行。

4.2 轨返分离后

轨返分离初期,纳米比亚站18 m测控设备负责对返回器的测控工作。12月17日01时33分,返回器在测量船跟踪弧段内一次再入,测量船成功监视到了返回器配平攻角建立及一次再入飞行过程,并获取了光学图像,如图4所示。

图4 远望三号船光学设备获取的中波红外图像Fig.4 Medium wave infrared image obtained by optical equipment of the Yuanwang-3 TT&C ship

返回器一次出黑障前后,进入卡拉奇宽波束引导设备的跟踪弧段,因设备捕获初期受到黑障影响,影响了设备的跟踪状态。随后,阿里车载多波束设备正常完成返回器捕获,获取了返回器遥外测数据,并按计划发送了返回器回放启动及安全数据记录器故障处理使能指令。

后续各雷达设备、USB设备开展了接续测量,确保了二次再入段至返回器开伞的全程覆盖,光学设备成功获取了图像数据。

4.3 落点预报

本次任务中,测控系统共进行了6次落点预报,以引导着陆场进行回收,6次落点预报的时机依次为轨返分离前40 min、120 km一次再入、80 km二次再入前、55 km二次出黑障、10 km开伞点以及返回器着陆后。6次落点预报结果与实际落点比较情况如表3所示。

表3 6次落点预报结果与实际落点比较Table 3 Comparison of the 6 predicted points and actual landing points

从预报结果看,预报精度达到了1 km量级。此外,本次任务新增了地基无源定位系统[14],在返回器着陆前3 s给出了最后一帧定位数据,定位结果距实际落点仅相差201 m。

5 结束语

嫦娥五号是中国“复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程”[15],其顺利实施为探月工程“绕落回”三步走画下了一个圆满的句号。在任务的方案设计阶段,测控系统针对再入返回段的实际需求,开展了任务需求分析、技术难点识别、系统方案设计,成功解决了高精度轨返分离点测定轨预报、高精度轨返分离前天地校时、初次再入及二次再入关键任务弧段的跟踪测控等主要技术难题,制定了稳妥可靠的测控总体方案,建立了中国首个行星际返回再入测控走廊,实现了中国首次地外天体采样返回任务的近连续测控支持[16],确保了可靠跟踪、精确测量,并为返回器的快速回收提供了有力支持,使中国成为世界上第三个具备月球采样返回能力的国家,并为后续开展小行星采样返回、火星采样返回等任务提供重要技术参考。