嫦娥四號(hào)著陸器定向中繼鏈路指向及盲捕策略

張婷 趙洋 楊眉 李飛

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

嫦娥四號(hào)任務(wù)是人類首次月球背面軟著陸的探測(cè)任務(wù)[1-2]，嫦娥四號(hào)探測(cè)器與中繼衛(wèi)星之間的中繼鏈路是任務(wù)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星位于地月L2點(diǎn)的平動(dòng)點(diǎn)軌道，著陸于月球背面的著陸器與巡視器，由于受到月球遮擋，對(duì)地球處于不可見狀態(tài)。上行遙控及下行遙測(cè)(科學(xué)數(shù)據(jù))無法對(duì)地直接傳輸，只能通過與中繼衛(wèi)星之間的前/返向測(cè)控?cái)?shù)傳鏈路進(jìn)行傳輸，與地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。早在20世紀(jì)70年代，F(xiàn)arqubar[3]就提出了發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星至地月L2點(diǎn)Halo軌道以支持月球背面載人任務(wù)的設(shè)想；2011年，美國(guó)Artemis任務(wù)的兩個(gè)航天器首次進(jìn)入L1/L2平動(dòng)點(diǎn)軌道進(jìn)行探測(cè)；近年來，我國(guó)也分別在2011年的嫦娥二號(hào)擴(kuò)展任務(wù)中和2014年的嫦娥五號(hào)試驗(yàn)星中，開展了日地系L2點(diǎn)和地月系L2點(diǎn)軌道試驗(yàn)。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)等航天機(jī)構(gòu)也在近年開展了很多以月球或其他天體為探測(cè)目標(biāo)的中繼通信衛(wèi)星相關(guān)工作。

中繼定向通信鏈路是嫦娥四號(hào)著陸器對(duì)“鵲橋”中繼衛(wèi)星通信的關(guān)鍵通信鏈路，承擔(dān)著著陸器著陸月球背面后，對(duì)中繼衛(wèi)星的返向數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。如何保證著陸器上定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星的精確指向，以確保定向通信鏈路的可靠不丟失，是嫦娥四號(hào)定向中繼鏈路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問題。本文結(jié)合嫦娥四號(hào)月背中繼通信任務(wù)需求，對(duì)中繼定向通信鏈路天線指向控制策略及鏈路丟失后盲捕方案的設(shè)計(jì)和在軌驗(yàn)證情況進(jìn)行了介紹。

1 任務(wù)分析及特點(diǎn)

嫦娥四號(hào)任務(wù)中，探測(cè)器著陸于月球背面，不能直接對(duì)地球通信，只能通過與“鵲橋”中繼衛(wèi)星之間的通信鏈路，間接實(shí)現(xiàn)與地球測(cè)控站的通信。著陸月球背面后，著陸器、中繼衛(wèi)星及地面站之間的中繼通信鏈路規(guī)劃如圖1所示[4]。

圖1 嫦娥四號(hào)著陸器中繼通信鏈路規(guī)劃

在月面工作期間，著陸器通過器上全向天線接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的前向遙控信號(hào)；著陸器的返向數(shù)傳信號(hào)(含遙測(cè)及科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù))通過著陸器的全向天線及定向天線發(fā)送，中繼衛(wèi)星通過星載4.2 m大口徑天線接收和發(fā)送。

在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，著陸器在月球正面著陸后，定向天線展開后即指向地球。定向天線對(duì)地指向的控制由地面根據(jù)測(cè)定軌結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，通過地面站指令或數(shù)據(jù)注入，開環(huán)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以使地面站能夠迅速捕獲著陸器下行鏈路。如在對(duì)地指向過程中出現(xiàn)故障，則由地面結(jié)合著陸器遙測(cè)參數(shù)及地面站接收到的衛(wèi)星下行信號(hào)，進(jìn)行判別，并進(jìn)入盲捕程序。對(duì)于盲捕過程的判定及相關(guān)操作，在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，主要依賴于地面站頻譜儀、基帶等設(shè)備以及地面站操作人員進(jìn)行監(jiān)視及初步定位，配合進(jìn)行對(duì)探測(cè)器信號(hào)的搜索捕獲。

在嫦娥四號(hào)任務(wù)中，著陸器定向天線波束的指向?qū)ο鬄橹欣^衛(wèi)星而非地球，需結(jié)合中繼衛(wèi)星的運(yùn)行軌道及實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)等計(jì)算并控制著陸器天線的實(shí)時(shí)波束指向方向。在定向天線波束的指向過程中，由于著陸器本身著陸位置及姿態(tài)誤差、中繼衛(wèi)星的軌道測(cè)量誤差以及定向天線自身指向控制偏差等問題，都可能導(dǎo)致中繼鏈路的丟失。同時(shí)，由于中繼鏈路時(shí)延大，導(dǎo)致的中繼鏈路捕獲困難、效率低等問題，均需通過盲捕操作來實(shí)現(xiàn)鏈路的重捕獲。與嫦娥三號(hào)任務(wù)中對(duì)地通信不同的是，盲捕過程中，無法及時(shí)通過地面接收設(shè)備等輔助設(shè)備進(jìn)行判別及輔助操作，需通過中繼衛(wèi)星對(duì)定向天線信號(hào)進(jìn)行捕獲和識(shí)別。

2 中繼鏈路指向概述

2.1 著陸器與中繼衛(wèi)星空間位置

嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星“鵲橋”的使命軌道為地月系L2平動(dòng)點(diǎn)軌道。地月系L2平動(dòng)點(diǎn)位于地月連線的延長(zhǎng)線上，距月球距離約6.5～7.9萬千米。由于地月距離是變化的，L2點(diǎn)距離月球的距離也是變化的，變化周期和月球軌道周期一致。圖2為L(zhǎng)2點(diǎn)軌道示意圖。L2平動(dòng)點(diǎn)軌道始終對(duì)準(zhǔn)月球背面，同月球一起圍繞地球公轉(zhuǎn)，中繼軌道約14天運(yùn)行一個(gè)周期，平均角速度約1(°)/h，角速度變化緩慢。

圖2 中繼衛(wèi)星地月L2平動(dòng)點(diǎn)軌道示意圖

2.2 著陸器及中繼衛(wèi)星定向天線指向概述

嫦娥四號(hào)著陸器定向天線在繼承嫦娥三號(hào)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在天線波束設(shè)計(jì)中，充分考慮了對(duì)地球站及中繼衛(wèi)星的覆蓋性[5-6]。在中繼衛(wèi)星發(fā)射前，針對(duì)2018年5月、6月不同發(fā)射窗口的中繼衛(wèi)星軌道，綜合考慮著陸姿態(tài)偏差，以及主、備著陸區(qū)的不同約束后，對(duì)著陸器指向中繼衛(wèi)星的在軌最大指向范圍進(jìn)行了計(jì)算。著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星中繼鏈路的指向范圍最大出現(xiàn)在一個(gè)橢圓范圍內(nèi)，將此范圍定義為定向天線的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。經(jīng)綜合分析，通過一定的指向控制策略，通過地面控制著陸器定向天線定時(shí)間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)確保能夠使天線指向中繼衛(wèi)星。

中繼衛(wèi)星星載定向天線尺寸較大，天線自帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量代價(jià)太大，因此，中繼衛(wèi)星定向天線不配置雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而是通過地面注入的軌道參數(shù)，由星上導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)系統(tǒng)進(jìn)行軌道外推，調(diào)整整星姿態(tài)指向著陸器，在任務(wù)期間，確保中繼衛(wèi)星對(duì)月定向天線能夠?qū)崟r(shí)覆蓋著陸器。同時(shí)也避免了復(fù)雜的定向天線捕跟系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 定向天線概述及指向精度分析

3.1 定向天線概述

嫦娥四號(hào)著陸器定向天線安裝于著陸器上艙頂板，在探測(cè)器發(fā)射段、飛行段及動(dòng)力下降段均處于壓緊狀態(tài)。著陸月球表面后，定向天線完成解鎖并指向中繼衛(wèi)星方向[7-8]。在整個(gè)在軌任務(wù)期間，實(shí)時(shí)完成對(duì)中繼衛(wèi)星的捕獲跟蹤及實(shí)時(shí)指向，以保證期間通信鏈路的正常實(shí)現(xiàn)。

圖3為定向天線在著陸器上壓緊安裝位置。圖4為在軌“玉兔二號(hào)”巡視器所拍攝的著陸器，定向天線正在指向中繼衛(wèi)星方向。

圖3 定向天線在著陸器上安裝位置

圖4 定向天線在月球背面指向中繼衛(wèi)星(巡視器拍攝)

3.2 天線指向精度分析

制定天線指向控制策略，必須考慮天線在指向過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差，并分析這些誤差對(duì)指向角度的影響[9]。在計(jì)算嫦娥四號(hào)著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星的指向時(shí)，需結(jié)合兩器位置誤差、對(duì)天線的控制誤差以及各器的時(shí)差誤差等各因素進(jìn)行分析及計(jì)算。著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星的指向精度主要包括：著陸器及中繼衛(wèi)星的位置誤差、測(cè)量誤差、星歷誤差等，定向天線自身由于雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特性及拋物面的熱特性，也存在一定的誤差影響指向精度。結(jié)合本次任務(wù)，對(duì)天線指向精度進(jìn)行分解說明，如圖5所示，根據(jù)圖5可簡(jiǎn)要分析構(gòu)成誤差的各部分因素。

1)測(cè)量誤差對(duì)指向影響

測(cè)量誤差主要包括定向天線的零位基準(zhǔn)誤差δ1(安裝精測(cè)后得到)、著陸器的位置測(cè)量誤差δ2(由動(dòng)力下降段GNC敏感器外推信息及降落相機(jī)拍攝結(jié)果的地形匹配得到)、中繼衛(wèi)星的位置誤差δ3(地面測(cè)定軌測(cè)量誤差)以及著陸器的姿態(tài)誤差δ4(GNC測(cè)量誤差)等。經(jīng)分解，由測(cè)量誤差導(dǎo)致的天線對(duì)中繼衛(wèi)星的指向誤差σ1=δ1+δ2+δ3+δ4≈1.5°。

圖5 定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向誤差分解圖

2)控制誤差對(duì)指向影響

控制誤差引起的天線對(duì)中繼衛(wèi)星的指向誤差主要包括天線單機(jī)的指向精度(含器上安裝精測(cè)誤差)δ1以及數(shù)管對(duì)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的開環(huán)控制誤差δ2。經(jīng)分析，由控制誤差引起的天線對(duì)中繼衛(wèi)星的最大指向誤差σ2=δ1+δ2≈0.5°。

3)器星時(shí)差對(duì)指向影響

著陸器和中繼衛(wèi)星器(星)-地時(shí)間的差異，造成的指向角度誤差主要取決于定向天線轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。結(jié)合著陸器主著陸區(qū)中心點(diǎn)及著陸標(biāo)稱姿態(tài)，對(duì)著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星指向過程中的角速度進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向方位角速度

圖7 天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向俯仰角速度

如圖6,7所示，著陸器相對(duì)中繼衛(wèi)星指向的方位角最大角速度約1.36(°)/h、俯仰角最大角速度約0.31(°)/h；著陸器與中繼衛(wèi)星均由地面進(jìn)行授時(shí)，最大器(星)-地時(shí)差不大于6 s。計(jì)算可得，在最大器(星)-地時(shí)差內(nèi)，中繼衛(wèi)星角度最大變動(dòng)σ3約為0.002°。

由上述分析可知，綜合各種因素，著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向誤差最大約為：σ=σ1+σ2+σ3≈1.5°+0.5°+0.002°=2.002°。即，著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向誤差最大不超過±2.1°。結(jié)合此指向誤差可規(guī)劃天線開環(huán)控制的指向控制策略。

4 定向天線月面工作指向及控制策略

與嫦娥三號(hào)著陸器對(duì)地通信過程不同，嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星軌道為L(zhǎng)2平動(dòng)點(diǎn)軌道，幅值為X向約±1.2萬千米，Y向約±3.7萬千米，Z向約±1.3萬千米。L2平動(dòng)點(diǎn)軌道始終對(duì)準(zhǔn)月球背面，同月球一起圍繞地球公轉(zhuǎn)。嫦娥四號(hào)著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，中繼衛(wèi)星與月球距離不大于8萬千米，中繼衛(wèi)星天線波束對(duì)著陸器和巡視器實(shí)現(xiàn)100%的覆蓋，因此中繼衛(wèi)星與著陸器二者為全時(shí)段可見。在分析中，可將中繼衛(wèi)星視為在L2平動(dòng)點(diǎn)軌道上的地球測(cè)控站或應(yīng)用站。

4.1 月面正常捕獲跟蹤指向控制策略

如取主著陸區(qū)中心點(diǎn)，以標(biāo)稱姿態(tài)為例對(duì)中繼衛(wèi)星指向進(jìn)行一年的指向分析，如圖8所示。

如以上分析，著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星方位角最大變化約28.5(°)/天，俯仰角最大變化約7.5(°)/天。中繼軌道約14天運(yùn)行一個(gè)周期，平均速度約1(°)/h，角速度變化緩慢。著陸器定向天線的波束覆蓋范圍為±3.5°，因此，通過地面控制著陸器定向天線定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以確保其實(shí)時(shí)指向中繼衛(wèi)星。

圖8 定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向角度

探測(cè)器著陸后，著陸器定向天線捕獲跟蹤正常程序如下。

(1)著陸器著陸后，定向天線解鎖，天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成從壓緊點(diǎn)到天線零位的回零操作。

(2)地面站依據(jù)中繼衛(wèi)星下傳的著陸器的實(shí)際著陸點(diǎn)經(jīng)緯度以及著陸器慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算著陸器——中繼衛(wèi)星連接矢量在著陸器機(jī)械坐標(biāo)系的指向，得到定向天線反射面機(jī)械軸相對(duì)中繼衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)，并據(jù)此生成定向天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)注入塊[10]。地面通過數(shù)據(jù)注入發(fā)送給中繼衛(wèi)星并通過中繼衛(wèi)星與著陸器之間的全向通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)后，控制天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)，建立返向通信鏈路。簡(jiǎn)化的計(jì)算過程為：

①結(jié)合時(shí)刻T(UTC)、著陸器機(jī)械坐標(biāo)系相對(duì)著陸點(diǎn)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系關(guān)系、著陸點(diǎn)月理坐標(biāo)以及定向天線當(dāng)前指向位置，計(jì)算出著陸點(diǎn)-中繼衛(wèi)星矢量在月固坐標(biāo)系中位置，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，獲得矢量在機(jī)械坐標(biāo)系中位置，再通過此位置矢量計(jì)算著陸點(diǎn)-中繼衛(wèi)星矢量在著陸器機(jī)械坐標(biāo)系中的方位角A1和高度角E1，從而得到本次天線需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。定向天線指向步數(shù)計(jì)算：轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)=(下次理論角度值-當(dāng)前步數(shù)計(jì)數(shù)器角度值)/0.018° (0.018°為天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步距角)。

②根據(jù)著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向的范圍，考慮定向天線中心波束指向中繼衛(wèi)星時(shí)，半波束可覆蓋的中繼衛(wèi)星軌道范圍進(jìn)行預(yù)算，使得間隔一定時(shí)間控制定向天線波束跟隨中繼衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)動(dòng)，確保波束中心指向著陸器-中繼衛(wèi)星連接矢量方向，保證對(duì)中繼衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤。

③著陸器著陸月球表面后，結(jié)合中繼衛(wèi)星對(duì)地測(cè)控弧段進(jìn)行對(duì)著陸器定向天線指向的調(diào)整。定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向調(diào)整的原則為：依據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)控制天線指向著陸器-中繼衛(wèi)星矢量。由于定向天線的波束張角為±3.5°，則返向鏈路在指向中繼衛(wèi)星時(shí)隨中繼衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)可能丟失。由于著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向誤差最大不超過±2.1°(見前文分析)，因此定義定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向變化超過波束角與指向誤差值的差角1.4°時(shí)，對(duì)定向天線指向進(jìn)行調(diào)整。即定向天線角度指向調(diào)整原則為，地面提前計(jì)算著陸器-中繼衛(wèi)星持續(xù)的矢量變化，如大于1.4°，則進(jìn)行定向天線指向機(jī)構(gòu)的角度調(diào)整，使定向天線波束指向天線調(diào)整時(shí)刻的著陸器-中繼衛(wèi)星矢量指向。

4.2 在軌不同工作時(shí)段天線指向控制策略

根據(jù)以上調(diào)整時(shí)機(jī)及原則，定向天線在著陸初期第一個(gè)連續(xù)測(cè)控弧段以及后續(xù)正常工作期間，角度指向控制策略如下。

1)著陸初期第一個(gè)中繼衛(wèi)星對(duì)地弧段

根據(jù)嫦娥四號(hào)著陸器首發(fā)窗口標(biāo)稱著陸時(shí)間，著陸后連續(xù)測(cè)控弧段有將近20 h。期間著陸器定向天線需要調(diào)整約5次。因此，在著陸器著陸后，天線解鎖并指向中繼衛(wèi)星完成中繼鏈路建立后，隨即注入24 h的天線雙軸機(jī)構(gòu)延時(shí)指令數(shù)據(jù)，使天線實(shí)時(shí)指向著陸器-中繼衛(wèi)星矢量位置。

2)探測(cè)器在軌工作段

后續(xù)實(shí)際飛控操作中，天線指向調(diào)整的策略為：每天結(jié)合中繼衛(wèi)星軌道計(jì)算當(dāng)日著陸器-中繼衛(wèi)星矢量，并在每天進(jìn)入中繼衛(wèi)星跟蹤弧段后，地面注入當(dāng)日天線雙軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的所有延時(shí)數(shù)據(jù)注入，對(duì)定向天線角度進(jìn)行調(diào)整，使得天線當(dāng)日在弧段內(nèi)外能夠?qū)崟r(shí)指向著陸器-中繼衛(wèi)星矢量方向。

3)天線指向調(diào)整延時(shí)數(shù)據(jù)注入需求及限制

根據(jù)估算，在著陸器的壽命周期中，著陸器相對(duì)中繼衛(wèi)星指向調(diào)整每日次數(shù)不等，最多一日為每小時(shí)調(diào)整1次，即24 h內(nèi)需調(diào)整指向24次。因此，需考慮到著陸器每日延時(shí)數(shù)據(jù)注入的最大限制，確保延時(shí)指令注入條數(shù)不超過限制。

5 中繼定向鏈路丟失后的盲捕策略

著陸器著陸后，定向天線轉(zhuǎn)動(dòng)到中繼衛(wèi)星位置時(shí)，如中繼衛(wèi)星無法捕獲到天線下傳信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸器數(shù)傳信號(hào)的接收解調(diào)及轉(zhuǎn)發(fā)，排除中繼衛(wèi)星接收問題后，可判斷天線進(jìn)入在軌盲捕模式。出現(xiàn)以上問題的原因主要為以下幾項(xiàng)。

(1)著陸器著陸過程姿態(tài)控制超差，或著陸后GNC系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量設(shè)備等出現(xiàn)故障，無法給出著陸姿態(tài)；

(2)GNC系統(tǒng)給出的姿態(tài)數(shù)據(jù)偏差大，導(dǎo)致定向天線在軌展開后，無法準(zhǔn)確計(jì)算天線軸線與中繼衛(wèi)星相對(duì)位置；

(3)天線角度傳感器出現(xiàn)故障，天線無法歸零或歸零錯(cuò)誤。

5.1 盲捕范圍的確定

盲捕最大范圍取決于固定窗口及已選著陸區(qū)情況下，探測(cè)器著陸后，天線相對(duì)中繼衛(wèi)星的指向最大范圍。月面工作段影響著陸器到中繼衛(wèi)星指向矢量變化的因素包括：工作時(shí)間、著陸點(diǎn)位置、中繼衛(wèi)星位置以及著陸姿態(tài)偏差。

針對(duì)中繼衛(wèi)星確定的發(fā)射窗口，月面工作段著陸器在不同位置以標(biāo)稱姿態(tài)著陸，著陸器到中繼衛(wèi)星指向的方位角和俯仰角(即相對(duì)著陸點(diǎn)天西南坐標(biāo)系)最大包絡(luò)角度變化范圍為：方位角：-54°～+67°；俯仰角：14°～64°，即可規(guī)定在盲捕中，方位角搜索范圍約120°，俯仰角搜索范圍約50°。在此范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，確保返向波束能夠被中繼衛(wèi)星捕獲。

5.2 不同指向偏差時(shí)的盲捕策略

對(duì)于目的為中繼衛(wèi)星的掃描搜索，其搜索范圍一般應(yīng)結(jié)合中繼衛(wèi)星軌道、深空探測(cè)器位置、姿態(tài)以及深空探測(cè)器和中繼衛(wèi)星的相互位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律等因素來確定。為減小搜索的時(shí)間和實(shí)現(xiàn)地面控制的簡(jiǎn)易性，在進(jìn)行盲捕操作時(shí)，可分為小范圍慢速掃描和大范圍快速掃描模式。這兩種模式主要用于使天線盡快找到中繼衛(wèi)星位置，進(jìn)行著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星的初步定位，完成遙測(cè)及數(shù)傳數(shù)據(jù)下傳。

5.3 小范圍慢速掃描搜捕模式

小范圍掃描模式主要應(yīng)用于著陸器初始著陸姿態(tài)偏差誤差較小，天線指向偏離范圍不大的情況。

考慮到著陸器與中繼衛(wèi)星之間返向鏈路的余量以及天線波束寬度等因素，確定小范圍搜索捕獲的搜索范圍(±θ)。以掃描起始點(diǎn)為中心，在此小范圍內(nèi)進(jìn)行慢速直線掃描，設(shè)定天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度為慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。在搜索捕獲時(shí)，采取“一步一判”的方法，即天線每轉(zhuǎn)動(dòng)掃描1°，控制天線停轉(zhuǎn)，對(duì)中繼衛(wèi)星下行遙測(cè)進(jìn)行判讀。如遙測(cè)顯示，中繼接收機(jī)已鎖定著陸器定向天線傳輸?shù)姆迪蛐盘?hào)，則控制天線停掃；如未鎖定，則控制天線繼續(xù)按圖9的路徑圖掃描，直至中繼接收機(jī)鎖定。具體步驟如下。

(1)根據(jù)實(shí)際著陸點(diǎn)位置、著陸時(shí)刻、標(biāo)稱著陸姿態(tài)，計(jì)算標(biāo)稱的定向天線指向目標(biāo)方位角ATX，目標(biāo)俯仰角ETX。

(2)定向天線按正常工作程序完成解鎖并首次歸零后，指向目標(biāo)方位角ATX，目標(biāo)俯仰角ETX。

(3)以方位角ATX，俯仰角ETX為中心，在方位角ATX-θ～ATX+θ，俯仰角ETX-θ～ETX+θ的范圍內(nèi)進(jìn)行粗捕。粗捕路徑及過程描述為：①控制天線從位置(ATX，ETX)開始轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX+1°，ETX)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為慢速；②天線停轉(zhuǎn)后，監(jiān)視中繼衛(wèi)星中繼接收機(jī)鎖定遙測(cè)：如遙測(cè)值顯示信號(hào)已捕獲，即中繼衛(wèi)星接收機(jī)已實(shí)現(xiàn)載波鎖定及幀同步，可以正常接收定向天線下傳的遙測(cè)及數(shù)傳數(shù)據(jù)。此時(shí)可以停止盲捕流程，進(jìn)入正常工作模式；③重復(fù)上述步驟①～②，天線從位置(ATX，ETX)開始轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX+θ，ETX)，轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX+θ，ETX+1°)如圖9中虛線所示；④重復(fù)上述路徑，本次粗搜索轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX-θ，ETX-θ)結(jié)束。

如采用小范圍掃描模式無法搜索到著陸器下行信號(hào)，可通過大范圍快速掃描模式繼續(xù)搜索信號(hào)。

圖9 小范圍慢速掃描模式路徑示意圖

5.4 大范圍快速搜捕模式

大范圍快速搜捕模式的目的主要用于快速發(fā)現(xiàn)著陸器定向天線返向信號(hào)，進(jìn)行天線對(duì)中繼衛(wèi)星的初步定位。此掃描模式主要用于著陸器初始姿態(tài)偏差誤差較大，或在小范圍慢速掃描中未能搜索到目標(biāo)的情況。掃描起始點(diǎn)選擇定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向區(qū)域的中心點(diǎn)位置，天線采用直線路徑方式進(jìn)行搜索。

1) 捕獲策略

控制天線以可實(shí)現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)速，在中繼衛(wèi)星相對(duì)于著陸器指向的可能范圍內(nèi)進(jìn)行快速掃描搜索，由于天線轉(zhuǎn)速較快，因此能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)整個(gè)波束可能覆蓋范圍的掃描。(波束所有可能覆蓋范圍定義為(ΦA(chǔ)，ΦB)，由標(biāo)稱著陸點(diǎn)位置、著陸時(shí)刻，著陸姿態(tài)以及中繼衛(wèi)星在整個(gè)任務(wù)期間的軌道決定)

大范圍快速掃描模式的搜索掃描角度覆蓋了著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星指向的所有范圍。在掃描過程中，采用快速掃描模式找到中繼衛(wèi)星大致方向后(中繼接收機(jī)載波鎖定)，需回到慢速掃描模式，直到中繼衛(wèi)星中繼接收機(jī)鎖定，遙測(cè)正常下傳為止。掃描路徑示意如圖10所示。

圖10 大范圍快速掃描路徑示意圖

2) 捕獲流程

(1)定向天線按正常程序完成解鎖并首次歸零后，控制定向天線指向目標(biāo)方位角ATX，目標(biāo)俯仰角ETX。

(2)以方位角ATX，俯仰角ETX為中心，方位角ATX-ΦA(chǔ)～ATX+ΦA(chǔ)，俯仰角ETX-ΦB～ETX+ΦB進(jìn)行粗捕。粗捕路徑及過程如下：①控制天線從位置(ATX，ETX)開始轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX+ΦA(chǔ)，ETX)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為快速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖10中虛線所示；②從(ATX+ΦA(chǔ)，ETX),轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX+ΦA(chǔ)，ETX+S),如圖10中虛線所示；(S為步長(zhǎng)，步長(zhǎng)的選擇可按照掃描范圍確定)；③從(ATX+ΦA(chǔ)，ETX+S),轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX-ΦA(chǔ)，ETX+S)；④重復(fù)上述路徑，本次粗搜索轉(zhuǎn)動(dòng)到(ATX-ΦA(chǔ)，ETX+ΦB)結(jié)束。

(3)在上述天線單次轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，對(duì)中繼衛(wèi)星下行遙測(cè)進(jìn)行監(jiān)視，在發(fā)現(xiàn)接收機(jī)鎖定后，停掃，并判斷粗捕結(jié)束。

與嫦娥三號(hào)著陸器盲捕操作相比，定向通信鏈路由對(duì)地改為對(duì)中繼衛(wèi)星，盲捕過程的實(shí)時(shí)判決缺少地面站的參與，因此需要通過對(duì)中繼衛(wèi)星的相關(guān)遙測(cè)量進(jìn)行判決后再進(jìn)行下一步規(guī)劃，降低了處置的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也增加了盲捕策略的復(fù)雜度。

6 在軌實(shí)際驗(yàn)證情況

嫦娥四號(hào)探測(cè)器于2019年1月3日著陸于月球背面后，定向天線順利完成電爆解鎖釋放，雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成展開歸零，到達(dá)零位后再按照地面控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)到中繼衛(wèi)星方向，建立返向中繼鏈路。從落月后，定向天線雙軸回零，到完成平臺(tái)在軌交付用戶(截止至2019年2月1日20點(diǎn))，根據(jù)本文中所制定的天線指向控制策略，通過指令控制定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星進(jìn)行指向，期間機(jī)構(gòu)最快每隔約3 h左右調(diào)整一次，最慢每隔約5 h左右調(diào)整一次，定向天線雙軸共計(jì)對(duì)中繼衛(wèi)星指向69次，指向準(zhǔn)確，星間鏈路工作正常。完成在軌交付至今的在軌試驗(yàn)中，著陸器定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星指向正常，未出現(xiàn)中繼鏈路丟失現(xiàn)象。

7 結(jié)束語

在首次地月L2點(diǎn)中繼通信任務(wù)中，結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)，制定了嫦娥四號(hào)著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星指向的天線控制策略及盲捕策略。根據(jù)定向天線對(duì)中繼衛(wèi)星的在軌指向結(jié)果及中繼數(shù)傳鏈路的工作狀態(tài)，表明定向天線指向控制方案正確、指向策略合理、驗(yàn)證充分，有效保證了嫦娥四號(hào)著陸器與中繼衛(wèi)星的中繼通信鏈路的暢通，圓滿支持了嫦娥四號(hào)探測(cè)器中繼通信任務(wù)。同時(shí)，本文提出的天線控制策略及盲捕策略也可為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)中天線指向控制策略的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了參考。