北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

自1966年蘇聯(lián)的月球9號(hào)(Luna 9)至2013年中國(guó)的嫦娥三號(hào)，人類共計(jì)有20個(gè)航天器實(shí)現(xiàn)月球軟著陸(包括6次載人的阿波羅任務(wù))[1]。在歷次月球著陸任務(wù)中，蘇聯(lián)、美國(guó)和中國(guó)均將著陸點(diǎn)選取在月球正面的中低緯度區(qū)域，尚未有探測(cè)器選擇在月球背面著陸。月球正面地形地貌以月海為主，其地勢(shì)寬闊平坦便于探測(cè)器著陸，而背面高地居多。嫦娥四號(hào)著陸區(qū)位于月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)，其中撞擊坑較大且分布密集[2-4]，周圍高山較多。盡管經(jīng)過(guò)多輪篩選后，選擇了相對(duì)平坦的著陸區(qū)域作為目標(biāo)，但區(qū)域內(nèi)仍無(wú)法完全規(guī)避凹坑和局部地形突起?；阪隙鹑?hào)著陸任務(wù)的成功基礎(chǔ)，在對(duì)嫦娥四號(hào)進(jìn)行任務(wù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比嫦娥三號(hào)任務(wù)，除月面背面無(wú)法與地球通信需引入中繼鏈路這一重大變化外[5]，月球背面的復(fù)雜地形對(duì)著陸安全的影響，著陸后帶來(lái)的光照和測(cè)控遮擋給月面工作安全開(kāi)展帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]，均是相對(duì)嫦娥三號(hào)任務(wù)需求的重要變化，是影響嫦娥四號(hào)任務(wù)成敗的關(guān)鍵，嫦娥四號(hào)著陸器在方案設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮。

嫦娥四號(hào)是人類首次著陸月球背面任務(wù)，已完成的歷次月球著陸任務(wù)因?yàn)橹憛^(qū)選擇較平坦，所以從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)外月球探測(cè)器的方案設(shè)計(jì)并未將著陸后的地形遮擋納入方案設(shè)計(jì)的考慮因素，所以不能為嫦娥四號(hào)著陸器的方案設(shè)計(jì)提高參考。針對(duì)這一問(wèn)題，嫦娥四號(hào)著陸器在方案設(shè)計(jì)時(shí)展開(kāi)了充分的著陸區(qū)測(cè)控和通信遮擋分析，獲取準(zhǔn)確的遮擋情況，然后基于工程能力用最小資源代價(jià)設(shè)計(jì)了應(yīng)對(duì)方案，來(lái)降低月面工作期間發(fā)生遮擋的風(fēng)險(xiǎn)，提高任務(wù)成功率。

1 著陸區(qū)測(cè)控和光照遮擋分析

1.1 著陸區(qū)遮擋角

遮擋分析主要是指地形的高低起伏對(duì)目標(biāo)著陸點(diǎn)所造成的地形遮擋情況的分析。為準(zhǔn)確地描述著陸點(diǎn)的遮擋情況，本文引入了“遮擋角”作為度量指標(biāo)，定義為對(duì)某一目標(biāo)著陸點(diǎn)(或目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn))沿某一方位的最大遮擋角，如圖1所示。遮擋角越大，說(shuō)明著陸點(diǎn)與附近地形存在較大高度差，著陸點(diǎn)發(fā)生測(cè)控和光照遮擋的風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖1 遮擋角定義示意Fig.1 Shielding angle definition

在工程任務(wù)中，一方面要采取措施確保風(fēng)險(xiǎn)降到最低，但也要兼顧所采取措施對(duì)工程資源的消耗，二者相互牽制。這首先要求風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果盡量準(zhǔn)確，不能過(guò)于放大。遮擋角作為評(píng)估著陸區(qū)域地形遮擋情況的關(guān)鍵指標(biāo)，為提高其可信度，開(kāi)展了如下兩方面的工作。

(1)選取高精度的月球數(shù)字地形模型

通過(guò)調(diào)研比較，SLDEM2015是目前可公開(kāi)獲取的精度最高的月球數(shù)字地形模型[8]。SLDEM2015的有效分辨率為512像素/(°)，在赤道處約為60 m/像素，在嫦娥四號(hào)著陸區(qū)約為50 m/像素，高程方向精度為3～4 m。

(2)建立準(zhǔn)確、全面的計(jì)算模型

為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，遮擋分析時(shí)要求搜索的范圍較大，這時(shí)必須考慮由月面曲率對(duì)距離與角度的計(jì)算造成的影響，否則分析結(jié)果會(huì)過(guò)于嚴(yán)苛，用于支持著陸器在月面工作期間應(yīng)對(duì)遮擋策略設(shè)計(jì)，將浪費(fèi)不必要的資源。因此，遮擋角分析需要在月心地理坐標(biāo)系下來(lái)進(jìn)行。為方便計(jì)算，本文的遮擋角分析結(jié)果均利用了測(cè)地線的概念，測(cè)地線即空間中局部最短的連接兩點(diǎn)的曲線，它在圓球面上為大圓弧，在平面上就是直線。經(jīng)分析，在考慮月面曲率影響的情況下，著陸區(qū)周圍遮擋山體距離目標(biāo)點(diǎn)大于150 km時(shí)，只要高度差值不超過(guò)6.5 km，那么該山體位于目標(biāo)點(diǎn)的水平面下，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)不構(gòu)成遮擋，如圖2所示。嫦娥四號(hào)主著陸區(qū)位于馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑?xùn)|南部，范圍約50 km×30 km。馮·卡門撞擊坑直徑約190 km，深度約5 km，其坑底直徑約140 km，如圖3中方框所示。備選著陸區(qū)位于主著陸區(qū)西側(cè)，在克雷蒂安(Chrétien)撞擊坑內(nèi)，范圍約為50×30 km?？死椎侔沧矒艨拥闹睆郊s140 km，深度約1.8 km，如圖4所示。主著陸區(qū)撞擊坑的邊緣最大高差約為6 km，備著陸區(qū)撞擊坑的邊緣最大高差約為2.5 km，所以主、備著陸區(qū)的遮擋角分析只需在著陸區(qū)域周圍150 km的半徑內(nèi)開(kāi)展。

圖2 月面曲率影響示意Fig.2 Lunar curvature effect

圖3 主著陸區(qū)高程分布Fig.3 Elevation distribution of main landing area

圖4 備著陸區(qū)高程分布Fig.4 Elevation distribution of candidate landing area

此外，為保證分析結(jié)果的覆蓋性，針對(duì)嫦娥四號(hào)的主、備著陸區(qū)全區(qū)域，以150 km的搜索半徑，50 m的搜索步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于著陸區(qū)內(nèi)任一分析點(diǎn)，要求在四周360°以1°的方位角間隔進(jìn)行遮擋角分析，如圖5所示。

圖5 遮擋角分析方位示意Fig.5 Azimuth distribution of shielding angle analysis

按上述分析方法，嫦娥四號(hào)主、備著陸區(qū)生成的遮擋角統(tǒng)計(jì)如表1所示，遮擋角分布如圖6和圖7所示。從圖6、圖7中可以看出，主著陸區(qū)西北大部分區(qū)域地形遮擋角在2°～4°，東南部分及東北角由于靠近外圍大型撞擊坑的邊緣，遮擋角度逐漸變大到4°～6°，6°～8°，直至8°～10°。地形遮擋角最大的區(qū)域(圖中紅色或褐色區(qū)域)在小型撞擊坑的內(nèi)部，這是由小型撞擊坑自身地形造成的遮擋。在著陸區(qū)中部往北及西北角的谷起地帶，局部地形隆起造成的遮擋角超過(guò)10°，部分區(qū)域的遮擋角甚至更大。備選著陸區(qū)大部分區(qū)域地形遮擋角在2°～4°，整體遮擋角度從撞擊坑中心0°～2°向坑的東西邊緣逐漸變大到4°～6°，6°～8°，直至8°～10°。地形遮擋角最大的區(qū)域(圖中紅色或褐色區(qū)域)在小型撞擊坑的內(nèi)部。

表1 主備著陸區(qū)遮擋角分布百分比

圖6 主著陸區(qū)遮擋角分布Fig.6 Shielding angle distribution of main landing area

圖7 備著陸區(qū)遮擋角分布Fig.7 Shielding angle distribution of candidate landing area

1.2 著陸區(qū)光照遮擋分析

將著陸區(qū)內(nèi)各點(diǎn)在不同方位角的太陽(yáng)高度角與對(duì)應(yīng)的遮擋角進(jìn)行對(duì)比，若太陽(yáng)高度角大于遮擋角，表示不會(huì)有遮擋，反之表示有遮擋。太陽(yáng)高度角小于10°時(shí)，嫦娥四號(hào)著陸器處于休眠狀態(tài)不工作，因此光照遮擋分析時(shí)不考慮太陽(yáng)高度角小于10°的情況。光照遮擋的分析結(jié)果如圖8和圖9所示，其中綠色代表沒(méi)有光照遮擋的區(qū)域，白色代表有遮擋的區(qū)域。統(tǒng)計(jì)得到主著陸區(qū)99.3%的面積不會(huì)發(fā)生光照遮擋，0.7%的面積會(huì)發(fā)生光照遮擋，存在遮擋的區(qū)域一個(gè)月晝約有0.55%-63%的時(shí)間被遮擋；備選著陸區(qū)98.7%的面積沒(méi)有光照遮擋，1.3%的面積會(huì)發(fā)生光照遮擋，存在遮擋的區(qū)域一個(gè)月晝約有0.55%-73.5%的時(shí)間被遮擋。

圖8 主著陸區(qū)太陽(yáng)通視情況分布Fig.8 Solar universal vision distribution of main landing area

圖9 備選著陸區(qū)太陽(yáng)通視情況分布Fig.9 Solar universal vision distribution of candidate landing area

1.3 著陸區(qū)測(cè)控遮擋分析

在月球背面著陸，嫦娥四號(hào)著陸器無(wú)法直接同地球通信，必須采用衛(wèi)星中繼的方式。嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”的使命軌道為地月系L2平動(dòng)點(diǎn)軌道[9]，運(yùn)行周期約14天，地球-月球-著陸器-中繼星的幾何關(guān)系如圖10所示。嫦娥三號(hào)著陸器與地球通信，從著陸點(diǎn)看地球的視角范圍較小，而嫦娥四號(hào)著陸器需與運(yùn)行在地月L2點(diǎn)附近的中繼星通信，受中繼星運(yùn)行軌道的影響，其指向范圍較寬。主著陸區(qū)內(nèi)，著陸器到中繼星指向方位角變化范圍-54°～53°，俯仰角變化范圍20°～63°，備著陸區(qū)內(nèi)著陸器到中繼星指向方位角變化范圍-36°～66°，俯仰角變化范圍15°～62°。

圖10 地-月-著陸器-中繼星幾何關(guān)系Fig.10 Geometric relation of earth-lunar- lander-relay satellite

在不同時(shí)刻，中繼星到達(dá)著陸點(diǎn)周圍同一方位角的俯仰角大小不完全一致，考慮著陸器壽命期6個(gè)月，若逐一比較計(jì)算數(shù)據(jù)量太大，因此做了簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為主著陸區(qū)內(nèi)遮擋仰角小于20°，備著陸區(qū)內(nèi)遮擋仰角小于15°的著陸點(diǎn)均有被遮擋可能。這樣依據(jù)表1獲取分析結(jié)果，主著陸區(qū)內(nèi)遮擋仰角大于20°的區(qū)域有99.82%，0.18%的區(qū)域存在測(cè)控鏈路遮擋的可能性。備著陸區(qū)內(nèi)遮擋仰角小于15°的區(qū)域有98.98%，1.02%的區(qū)域存在測(cè)控鏈路遮擋的可能性，該結(jié)果相對(duì)實(shí)際情況偏保守，但考慮測(cè)控的可靠性對(duì)于著陸器的安全至關(guān)重要，采納了該簡(jiǎn)化的分析結(jié)果。

此外，考慮著陸后第一天著陸器要完成初始化設(shè)置，著陸器和巡視器分離等一系列確保月面安全工作的操作，狀態(tài)設(shè)置密集，嚴(yán)重的測(cè)控遮擋會(huì)威脅著陸器的安全，對(duì)著陸后第1天的測(cè)控遮擋情況進(jìn)行了重點(diǎn)分析，結(jié)果見(jiàn)圖11。該分析結(jié)果是利用著陸后第一天實(shí)際的中繼星位置與各著陸點(diǎn)的遮擋角對(duì)比而獲得，從結(jié)果來(lái)看，主、備著陸區(qū)均有零星散布的位置在著陸后一天內(nèi)存在測(cè)控遮擋。

2 月面工作期間遮擋應(yīng)對(duì)方案

圖11 主備著陸區(qū)有測(cè)控遮擋的著陸點(diǎn)分布(著陸后1天)Fig.11 Shielding land sites of communication (one day after landing)

從第2節(jié)著陸區(qū)光照和測(cè)控遮擋分析結(jié)果來(lái)看，嫦娥四號(hào)主、備著陸區(qū)存在遮擋的區(qū)域比例較小，但是區(qū)域不集中，在著陸區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)均勻散布的現(xiàn)象。嫦娥三號(hào)和四號(hào)探測(cè)器(包括著陸器和巡視器，下同)動(dòng)力下降段均使用7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，采用的制導(dǎo)律不具備定點(diǎn)著陸能力[10]，所以動(dòng)力下降初始點(diǎn)的位置決定了著陸點(diǎn)的可達(dá)范圍。動(dòng)力下降前的軌控誤差，測(cè)定軌誤差，導(dǎo)航敏感器的測(cè)量誤差和7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏差均會(huì)導(dǎo)致實(shí)際著陸區(qū)域相對(duì)目標(biāo)著陸點(diǎn)存在航向和平面外發(fā)生偏差，如圖12所示。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)誤差的分析及打靶仿真計(jì)算，嫦娥四號(hào)探測(cè)器動(dòng)力下降航向誤差為±15 km，平面外誤差為±23 km，包括如下兩方面：

——近月制動(dòng)和環(huán)月降軌垂直推力方向的速度帶來(lái)的傾角誤差約0.85°，導(dǎo)致動(dòng)力下降的初始點(diǎn)星下點(diǎn)經(jīng)度存在最大±1°的偏差，對(duì)應(yīng)著陸點(diǎn)軌道平面外的偏差約±20 km；

——對(duì)動(dòng)力下降初始點(diǎn)的測(cè)定軌誤差、導(dǎo)航敏感器的測(cè)量誤差和7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏差進(jìn)行仿真打靶，獲得的著陸點(diǎn)偏差±15 km(航向)×±3 km(平面外)，圖13是對(duì)應(yīng)著陸點(diǎn)偏差的打靶散布。

嫦娥四號(hào)的主、備著陸區(qū)的范圍約50 km(經(jīng)度方向)×30 km(緯度方向)，考慮各項(xiàng)誤差的情況下存在一定的概率著陸于光照和測(cè)控遮擋風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。為確保著陸后著陸器可在月面安全展開(kāi)工作，從兩方面開(kāi)展了方案設(shè)計(jì)：

1)環(huán)月軌道精細(xì)化控制。通過(guò)精細(xì)化的軌道設(shè)計(jì)與控制，縮小著陸點(diǎn)散布，實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)、定時(shí)”著陸到預(yù)選的測(cè)控和光照遮擋低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

2)優(yōu)化月面工作程序和增加自主控制功能。

——基于在著陸后任何時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)測(cè)控遮擋的假設(shè)，通過(guò)提前注入延時(shí)指令，調(diào)整在軌操作時(shí)序等措施對(duì)月面工作程序進(jìn)行優(yōu)化，確保在非預(yù)期的遮擋出現(xiàn)時(shí)仍可保持著陸器安全狀態(tài)；

——增加器上自主管理功能，提高著陸器在長(zhǎng)時(shí)間因遮擋導(dǎo)致地面不可控情況下的在軌生存能力。

圖12 著陸點(diǎn)偏差示意Fig.12 The drawing of landing precision

圖13 著陸點(diǎn)偏差打靶結(jié)果Fig.13 The monte carlo results of landing precision

2.1 環(huán)月軌道精細(xì)化控制

嫦娥三號(hào)在虹灣的目標(biāo)著陸區(qū)[11]范圍為341 km(經(jīng)度方向)×90 km(緯度方向)，著陸區(qū)平坦，即使考慮最大著陸偏差±15 km(航向)×±23 km(平面外)，仍可安全著陸至目標(biāo)區(qū)域，裕度較大。嫦娥三號(hào)的飛行過(guò)程軌控策略如圖14所示，整個(gè)飛行過(guò)程由地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月飛行段和動(dòng)力下降段組成，在近月制動(dòng)和環(huán)月降軌策略中只實(shí)施了切向變軌來(lái)保證著陸到虹灣區(qū)域，未對(duì)平面外的偏差進(jìn)行控制。

圖14 嫦娥三號(hào)軌控策略Fig.14 Chang’e-3 orbit control strategy flow

然而，嫦娥四號(hào)著陸區(qū)面積只有嫦娥三號(hào)的5%，并且要考慮避開(kāi)遮擋概率較高的區(qū)域，必須采取措施來(lái)減小著陸點(diǎn)偏差。動(dòng)力下降初始點(diǎn)的測(cè)定軌誤差、導(dǎo)航敏感器的測(cè)量誤差和7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏差作為影響著陸點(diǎn)精度的誤差源，均屬于系統(tǒng)固定誤差，消除或減少都需對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行重大調(diào)整，工程代價(jià)較大。在系統(tǒng)方案不變的情況下，通過(guò)軌道設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化來(lái)降低著陸點(diǎn)的偏差，是基于目前工程能力最高效的方式。

針對(duì)這一問(wèn)題和需求，嫦娥四號(hào)設(shè)計(jì)了一種基于雙層迭代的高精度“定時(shí)定點(diǎn)”月面軟著陸軌道控制策略，在近月制動(dòng)和環(huán)月降軌之間增加了兩次環(huán)月修正。以環(huán)月軌道傾角和環(huán)月半長(zhǎng)軸為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)近月制動(dòng)和環(huán)月修正多次應(yīng)用該軌控策略，逐次縮小軌控殘差，滿足著陸區(qū)范圍縮小帶來(lái)的動(dòng)力下降初始點(diǎn)的位置和時(shí)刻精確瞄準(zhǔn)的需求。近月制動(dòng)和環(huán)月修正的目標(biāo)均瞄準(zhǔn)指定的動(dòng)力下降初始點(diǎn)位置和動(dòng)力下降初始點(diǎn)時(shí)刻，具體通過(guò)兩層迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)(軌控策略流程見(jiàn)圖15)。

1)外層迭代的設(shè)計(jì)變量為環(huán)月軌道的傾角、半長(zhǎng)軸，目標(biāo)為動(dòng)力下降初始點(diǎn)時(shí)刻與著陸點(diǎn)經(jīng)度。

2)內(nèi)層迭代包含兩個(gè)控制環(huán)節(jié)：一個(gè)設(shè)計(jì)變量為環(huán)月變軌(包括近月制動(dòng)和環(huán)月修正)的速度增量，目標(biāo)為環(huán)月軌道半長(zhǎng)軸和環(huán)月軌道傾角；另一個(gè)設(shè)計(jì)變量為環(huán)月降軌時(shí)刻及變軌速度增量，目標(biāo)為動(dòng)力下降點(diǎn)高度和緯度。

圖15 嫦娥四號(hào)軌控策略流程Fig.15 Chang’e-4 orbit control strategy flow

調(diào)整后的軌道策略可將動(dòng)力下降初始點(diǎn)的星下點(diǎn)經(jīng)度誤差由±1°縮小至±0.1°，對(duì)應(yīng)著陸點(diǎn)平面外的偏差由±20 km減小至±2 km，結(jié)合動(dòng)力下降初始點(diǎn)的測(cè)定軌誤差、導(dǎo)航敏感器的測(cè)量誤差和7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏差，著陸點(diǎn)精度可提高至±15 km(航向)×±5 km(平面外)。著陸點(diǎn)精度提高后，可在任務(wù)要求的目標(biāo)著陸區(qū)內(nèi)進(jìn)行更細(xì)的篩選，以選擇更為平坦和遮擋概率較小的區(qū)域。

從主、備著陸區(qū)的左上角點(diǎn)起，取水平間隔2 km，共獲得25個(gè)10 km×30 km的子區(qū)域，各子區(qū)域編號(hào)從西至東依次為1～25。以首發(fā)窗口為例，以標(biāo)稱環(huán)月軌道傾角作為傾斜角度(見(jiàn)圖16)，對(duì)各子區(qū)域地形的測(cè)控遮擋、光照遮擋面積、坡度、撞擊坑的密度和石塊的數(shù)量等影響著陸和月面巡視工作安全開(kāi)展的因素進(jìn)行綜合評(píng)分比較，最后篩選主著陸區(qū)的子區(qū)域11(見(jiàn)圖17(a))，備著陸區(qū)的子區(qū)域5(見(jiàn)圖17(b))作為重點(diǎn)著陸區(qū)域，遮擋的比例統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。從結(jié)果來(lái)看，相比于全著陸區(qū)域，主著陸區(qū)優(yōu)選后的子區(qū)域光照遮擋比例為0.32%，測(cè)控遮擋的面積比例已接近0；備著陸區(qū)優(yōu)選后的子區(qū)域光照遮擋比例為0.40%，測(cè)控遮擋的面積比例已接近0.06%。遮擋概率相對(duì)整個(gè)區(qū)域明顯下降，顯著降低了著陸后的遮擋風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 主、備著陸區(qū)各子區(qū)域劃分示意Fig.16 The drawing of subareas division

表2 測(cè)控和光照遮擋區(qū)域占整體的百分比

2.2 優(yōu)化月面工作程序和增加自主控制功能

軌道策略是嫦娥四號(hào)著陸器應(yīng)對(duì)月面遮擋的一個(gè)重要方案調(diào)整，通過(guò)提高著陸精度，規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)遮擋區(qū)域。然而，用于遮擋分析的地形模型本身存在誤差和不確定性，如本文分析遮擋用的SLDEM2015模型分辨率為50 m，50 m范圍內(nèi)的地形無(wú)法獲知，此外SLDEM2015在高程方向精度較高，為3～4 m，但水平方向的偏差在公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中未明確指出。從全面保證著陸后月面工作安全性的角度，仍需考慮月面工作期間發(fā)生非預(yù)期的遮擋的應(yīng)對(duì)方案。

嫦娥四號(hào)著陸器著陸月面后首個(gè)月晝需完成的工作包括月面初始化、著陸器和巡視器分離、兩器互拍、月面探測(cè)及月面休眠設(shè)置等。之后著陸器每個(gè)月的月晝的工作包括喚醒設(shè)置、月面探測(cè)和休眠設(shè)置。在此期間，若發(fā)生遮擋對(duì)著陸器的風(fēng)險(xiǎn)分析如下：

1)光照遮擋風(fēng)險(xiǎn)。月面光照遮擋給著陸器帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)主要是太陽(yáng)翼輸出功率減少導(dǎo)致蓄電池放電，電壓降低。當(dāng)電壓降低到一定閾值時(shí)整器有斷電風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)功率平衡分析，動(dòng)力下降過(guò)程結(jié)束時(shí)著陸器蓄電池已接近安全放電極限，若著陸后即刻發(fā)生光照遮擋，著陸器不能及時(shí)進(jìn)行充電，蓄電池可支撐的時(shí)間不超過(guò)1 h，工程任務(wù)面臨失敗。此外，月球上沒(méi)有大氣，一旦整器進(jìn)入陰影區(qū)，設(shè)備溫度會(huì)迅速下降，若溫度超過(guò)指標(biāo)下限，將影響設(shè)備后續(xù)的正常工作。

2)測(cè)控遮擋風(fēng)險(xiǎn)。非關(guān)鍵弧段的測(cè)控遮擋可等同于測(cè)控弧段外，無(wú)需處理。關(guān)鍵弧段發(fā)生測(cè)控遮擋，如月面初始化、著陸器和巡視器分離，及月面休眠等階段，因著陸器的能源、溫度和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)都處于非穩(wěn)定狀態(tài)，若地面無(wú)法對(duì)著陸器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)器上無(wú)法接收指令，對(duì)任務(wù)有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。

針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)，嫦娥四號(hào)著陸器在方案設(shè)計(jì)時(shí)從優(yōu)化月面工作程序和增加自主控制功能兩個(gè)角度，制定了如下應(yīng)對(duì)措施：

(1)優(yōu)化月面工作程序

1)著陸后太陽(yáng)翼展開(kāi)，GNC分系統(tǒng)和測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)在月面不使用的設(shè)備斷電都采用延時(shí)指令執(zhí)行，并在動(dòng)力下降前月球正面弧段注入。確保著陸后即使立刻發(fā)生遮擋，著陸器仍然能自主進(jìn)入到最小工作模式，節(jié)省能源，給地面更長(zhǎng)的處置時(shí)間。

2)巡視器在著陸器頂部加電后、太陽(yáng)翼展開(kāi)前若發(fā)生測(cè)控遮擋，巡視器內(nèi)部溫度有超出指標(biāo)上限的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)措施是斷電降溫。針對(duì)這一需求，考慮巡視器在與著陸器臍帶電纜脫落前，著陸器可通過(guò)臍帶電纜與巡視器進(jìn)行通信，因此在巡視器加電前向著陸器注入了給巡視器延時(shí)斷電指令，指令執(zhí)行時(shí)間在巡視器加電后約1.5 h。若巡視器加電后太陽(yáng)翼正常展開(kāi)，則地面發(fā)送指令取消存儲(chǔ)在著陸器的這條延時(shí)指令；否則若因?yàn)闇y(cè)控遮擋導(dǎo)致巡視器太陽(yáng)翼未正常展開(kāi)，則著陸器會(huì)在延時(shí)時(shí)刻向巡視器發(fā)送該斷電指令，保證巡視器在地面不可見(jiàn)情況下的溫度安全。

3)針對(duì)休眠過(guò)程，嫦娥三號(hào)著陸器的休眠流程全部由地面判發(fā)執(zhí)行[12]。若休眠前測(cè)控鏈路發(fā)生遮擋，則休眠流程不能執(zhí)行，著陸器不能進(jìn)入休眠狀態(tài)，導(dǎo)致著陸器不能以安全的狀態(tài)度過(guò)月夜，在工作溫度和功率平衡兩方面都會(huì)對(duì)整器安全產(chǎn)生影響。因此自主休眠方面存在新的自主能力需求，相比嫦娥三號(hào)著陸器，嫦娥四號(hào)著陸器增加了延時(shí)休眠功能。在工作程序中安排著陸后，在中繼鏈路可見(jiàn)弧段注入休眠相關(guān)延時(shí)指令，休眠時(shí)刻到達(dá)后，延時(shí)指令可自主執(zhí)行著陸器休眠。

(2)增加自主控制功能

1)著陸器休眠前需要將兩相流體回路閥門打開(kāi)，引入RHU熱量進(jìn)行月夜期間的艙內(nèi)設(shè)備保溫。進(jìn)入月晝喚醒后，受太陽(yáng)照射的影響，艙內(nèi)設(shè)備溫度逐漸升高，若超過(guò)溫度閾值應(yīng)立刻關(guān)閉對(duì)應(yīng)的兩相流體回路閥門，否則溫度有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。嫦娥三號(hào)通過(guò)將喚醒時(shí)刻控制在地面站可見(jiàn)弧段內(nèi)，在對(duì)遙測(cè)可監(jiān)視的情況下進(jìn)行指令判發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流體回路閥門的控制。嫦娥四號(hào)著陸器需考慮喚醒后的中繼鏈路遮擋風(fēng)險(xiǎn)，因此增加了兩相流體回路自主控制的功能，喚醒后若艙內(nèi)溫度升高過(guò)快，著陸器數(shù)管計(jì)算機(jī)可依據(jù)設(shè)置的溫度閾值自主斷開(kāi)兩相流體回路閥門，確保艙內(nèi)設(shè)備溫度正常。

2)針對(duì)在月面工作超溫風(fēng)險(xiǎn)較高的設(shè)備，嫦娥四號(hào)著陸器增加了設(shè)備溫度超溫自主關(guān)閉功能。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)置上限后，數(shù)管計(jì)算機(jī)自主關(guān)閉該設(shè)備，打開(kāi)備份設(shè)備，避免在測(cè)控遮擋情況下設(shè)備溫度超過(guò)溫度上限。

3)嫦娥四號(hào)著陸器月面工作長(zhǎng)時(shí)間處于定向天線通信鏈路，定向天線波束角窄，靠地面發(fā)指令調(diào)整指向來(lái)維持鏈路。若發(fā)生測(cè)控遮擋且較長(zhǎng)時(shí)間，定向天線因無(wú)法指準(zhǔn)中繼星而發(fā)生鏈路中斷。待遮擋消失后，因鏈路已中斷，地面仍無(wú)法即時(shí)獲知器上狀態(tài)。針對(duì)這一問(wèn)題，著陸器增加自主切全向控制功能，數(shù)管計(jì)算機(jī)設(shè)置3 h內(nèi)無(wú)指令上行則自主將定向天線切換為全向天線，該功能可確保在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)控遮擋消失后，地面可即時(shí)通過(guò)全向鏈路獲知器上狀態(tài)。

3 在軌驗(yàn)證結(jié)果

北京時(shí)間2018年12月08日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器發(fā)射入軌后經(jīng)過(guò)1次中途修正，1次近月制動(dòng)，2次環(huán)月修正，1次環(huán)月降軌，于2019年1月3日10時(shí)26分安全著陸到月面，之后著陸器開(kāi)展月面工作。

遮擋應(yīng)對(duì)方案設(shè)計(jì)的在軌驗(yàn)證情況如下：

(1)定時(shí)定點(diǎn)控制結(jié)果符合預(yù)期

飛控實(shí)施過(guò)程，各次軌控均瞄準(zhǔn)著陸點(diǎn)經(jīng)度177.6°(E)，著陸點(diǎn)緯度45.5°(S)，動(dòng)力下降初始時(shí)刻2019年1月3日10時(shí)15分。從近月制動(dòng)開(kāi)始，每次變軌同時(shí)使用面內(nèi)和面外控制以確保定時(shí)定點(diǎn)的著陸任務(wù)要求，近月制動(dòng)到環(huán)月降軌歷次軌道機(jī)動(dòng)執(zhí)行的軌道面外修正量如表3所示。從飛控實(shí)施結(jié)果來(lái)看，面外控制量越來(lái)越小，這表明通過(guò)多次應(yīng)用雙層迭代的軌控策略，逐次減小了軌控殘差，完全滿足任務(wù)要求。實(shí)際動(dòng)力下降初始點(diǎn)落點(diǎn)經(jīng)度預(yù)報(bào)誤差僅為0.004°，落點(diǎn)時(shí)刻預(yù)報(bào)誤差小于25 s。

表3 飛控實(shí)施軌控策略的面外修正量

(2)實(shí)際著陸點(diǎn)未出現(xiàn)測(cè)控和光照遮擋

嫦娥四號(hào)的實(shí)際著陸點(diǎn)177.59°(E)，45.45°(S)，在3.1節(jié)分析獲得的主著陸區(qū)子區(qū)域11范圍內(nèi)，屬于極低發(fā)生遮擋風(fēng)險(xiǎn)的著陸點(diǎn)。截止至2019年5月11日，著陸器在月面完成了第5次休眠，在軌經(jīng)歷了4個(gè)月球日，均未發(fā)生測(cè)控和光照遮擋。

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決在月球背面著陸，因地形崎嶇可能導(dǎo)致測(cè)控和光照遮擋的問(wèn)題，本文對(duì)應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行了詳細(xì)地設(shè)計(jì)。目前該方案已經(jīng)得到嫦娥四號(hào)的在軌驗(yàn)證，結(jié)果符合預(yù)期，可靠地降低了著陸器在月球背面的生存風(fēng)險(xiǎn)。該方法可以為之后的深空探測(cè)器任務(wù)提供參考和借鑒。