嫦娥五號探測器GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭永潔， 王澤國

北京控制工程研究所， 北京 100094

0 引 言

中國探月工程按照“繞、落、回”三步走計(jì)劃實(shí)施[1]，而探月三期嫦娥五號任務(wù)的圓滿成功標(biāo)志著三步走計(jì)劃的成功實(shí)現(xiàn).嫦娥五號任務(wù)的主要目的是采集月球樣品并將樣品安全送至地面.

嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器和上升器4個(gè)部分組成，各自承擔(dān)一定工作，以接力的方式完成月球樣品無人采樣返回任務(wù)[2].四器以組合體形式發(fā)射，環(huán)月后四器分離為著陸上升組合體(以下簡稱著上組合體)和軌道器返回器組合體(以下簡稱軌返組合體)，著上組合體實(shí)施月球軟著陸和月面上升起飛，軌返組合體環(huán)月等待，實(shí)施月球軌道交會對接，待樣品轉(zhuǎn)移后，軌返組合體與上升器分離，攜月壤月地轉(zhuǎn)移，在距離地球表面約5 000 km時(shí)，軌返分離，返回器攜月壤以二次再入方式，返回內(nèi)蒙古四子王旗著陸區(qū).

歷史上月球樣品采集并返回地球只有美國和前蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)過.而前蘇聯(lián)Luna探測器采用直接返回方式，并未實(shí)施月球軌道交會對接；美國Apollo探測器借助宇航員操作實(shí)現(xiàn)了月面起飛上升和月球軌道交會對接.嫦娥五號探測器GNC系統(tǒng)由作為探測器的核心分系統(tǒng)，完成全過程飛行控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了世界上首次無人月球軌道自主交會對接、高精度自適應(yīng)月面起飛入軌等任務(wù)[3-6].本文給出嫦娥五號探測器GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果以及在軌飛行結(jié)果.

1 任務(wù)要求

嫦娥五號探測器主要飛行階段包括[2]：

(1)發(fā)射入軌段：從運(yùn)載火箭起飛，至器箭分離.

(2)地月轉(zhuǎn)移段：從探測器與火箭分離，至到達(dá)近月制動(dòng)點(diǎn).

(3)近月制動(dòng)段：從近月制動(dòng)點(diǎn)到進(jìn)入目標(biāo)環(huán)月飛行軌道.

(4)環(huán)月飛行段：從探測器進(jìn)入環(huán)月圓軌道，至著陸上升組合體運(yùn)行至動(dòng)力下降起始點(diǎn).

(5)著陸下降段：從著陸器距月面15 km動(dòng)力下降起始點(diǎn)，至軟著陸到月面.

(6)月面工作段：從著陸上升組合體著陸在月面，至上升器點(diǎn)火起飛.

(7)月面上升段：從上升器點(diǎn)火起飛，至進(jìn)入15 km×180 km的目標(biāo)軌道.

(8)交會對接與樣品轉(zhuǎn)移段：從上升器進(jìn)入15 km×180 km軌道，至上升器與軌道器完成對接并分離.

(9)環(huán)月等待段：從軌返組合體與上升器分離，至月地入射點(diǎn)并且軌返組合體完成點(diǎn)火離月準(zhǔn)備.

(10)月地轉(zhuǎn)移段：從軌返組合體加速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，至到達(dá)軌返分離點(diǎn)(地面高度5 000 km).

(11)再入回收段：從返回器與軌道器分離，至返回器安全著陸.

各飛行階段GNC分系統(tǒng)主要任務(wù)要求如下：

(1)在地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月飛行段、環(huán)月等待段、月地轉(zhuǎn)移段，實(shí)現(xiàn)探測器(含分離狀態(tài)的各器)對日定向、慣性姿態(tài)機(jī)動(dòng)及定向控制，消除器箭、器間分離干擾，并依據(jù)地面指令進(jìn)行軌道控制.

(2)在著陸下降段，控制著上組合體進(jìn)行動(dòng)力下降并實(shí)現(xiàn)月球表面軟著陸，目標(biāo)著陸區(qū)域?yàn)樵虑蛘骘L(fēng)暴洋地區(qū).觸月時(shí)水平速度、垂直速度、三軸角速度以及姿態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)滿足要求，同時(shí)著陸器具備一定程度上的安全著陸區(qū)域自主優(yōu)選和自主避障能力[3].

(3)在月面上升段，控制上升器以著陸器為平臺進(jìn)行起飛上升.起飛前進(jìn)行自主定位和對準(zhǔn)，自主完成起飛達(dá)到上升目標(biāo)軌道，滿足軌道共面度、半長軸誤差、偏心率誤差等關(guān)鍵指標(biāo)要求.

(4)在交會對接段，控制上升器通過遠(yuǎn)程導(dǎo)引軌道機(jī)動(dòng)，進(jìn)入圓形環(huán)月軌道，位于軌返組合體前上方，之后上升器建立對月定向倒飛姿態(tài)，作為目標(biāo)飛行器，等待軌返組合體逐步靠攏[7-9].軌返組合體根據(jù)相對測量敏感器的測量數(shù)據(jù)，自主進(jìn)行軌返組合體和上升器間相對導(dǎo)航.根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果自主規(guī)劃接近過程制導(dǎo)策略，控制軌返組合體完成相對距離50 km至對接飛行全過程，滿足對接相對速度、位置等關(guān)鍵指標(biāo)，并發(fā)出上升器?？刂噶詈捅ёΣ东@指令.上升器接收到?？刂噶詈笸？兀绍壍榔鞅ёκ綄訖C(jī)構(gòu)完成對接.

(5)在再入回收段段，根據(jù)IMU和GPS接收機(jī)的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行組合導(dǎo)航計(jì)算，結(jié)合導(dǎo)航信息進(jìn)行自主制導(dǎo)，并據(jù)此進(jìn)行返回器姿態(tài)控制，完成二次再入飛行，滿足過程峰值過載和開傘點(diǎn)精度指標(biāo)要求[10].

(6)此外，GNC系統(tǒng)還需自主完成各器IMU聯(lián)合標(biāo)定、飛行全過程太陽帆板對日指向控制、定向天線對地指向控制等任務(wù).

2 GNC系統(tǒng)組成

嫦娥五號GNC系統(tǒng)由敏感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，部署于各子飛行器的3個(gè)GNC子系統(tǒng)，通過系統(tǒng)間1553B總線和空空通信連接，共同完成嫦娥五號全過程飛行控制任務(wù)，如圖1所示.

圖1 嫦娥五號GNC系統(tǒng)組成

軌道器GNC子系統(tǒng)的敏感器包括：模擬太陽敏感器、數(shù)字太陽敏感器、星敏感器、陀螺組合件、加速度計(jì)組合件、IMU處理線路、微波雷達(dá)a及應(yīng)答機(jī)、微波雷達(dá)b及應(yīng)答機(jī)、激光雷達(dá)及合作目標(biāo)、交會對接光學(xué)成像敏感器(CRDS)及合作目標(biāo)，其CRDS又分為遠(yuǎn)場CRDS和近場CRDS.執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：動(dòng)量輪、雙組元推進(jìn)系統(tǒng).控制器為中心控制單元(CCU).子系統(tǒng)還包括運(yùn)行在各設(shè)備上的軟件，如圖2所示.

圖2 軌道器GNC子系統(tǒng)組成

返回器GNC子系統(tǒng)的敏感器包括：激光IMU、光纖IMU、GPS接收機(jī).執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：單組元推進(jìn)系統(tǒng)(包括：2臺20N推力器和10臺5N推力器)；控制器為GNC控制器(GNCC).子系統(tǒng)還包括運(yùn)行在各設(shè)備上的軟件，如圖3所示.

圖3 返回器GNC子系統(tǒng)組成

著上組合體GNC子系統(tǒng)的敏感器包括：星敏感器、數(shù)字太陽敏感器、激光慣性測量單元(IMU)、光纖IMU、微波測距測速敏感器、激光測距敏感器、激光測速敏感器、激光三維成像敏感器、光學(xué)成像敏感器、著陸地形敏感器和伽瑪關(guān)機(jī)敏感器，同時(shí)GNC采集足墊上的觸月開關(guān)信號.執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：動(dòng)量輪、星敏防塵機(jī)構(gòu)和推力器(屬推進(jìn)分系統(tǒng)，包括：上升器上的1臺3 000 N推力器、8臺120 N推力器和12臺10 N推力器，著陸器上的1臺7 500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)和16臺150 N推力器).控制器包括：中心控制單元(CCU)和圖像處理單元(IPU).子系統(tǒng)還包括運(yùn)行在各設(shè)備上的軟件，如圖4所示.

圖4 著上組合體GNC系統(tǒng)組成

4 GNC系統(tǒng)工作模式

根據(jù)探測器的飛行過程和飛行任務(wù)，按照軌道器、著上組合體、返回器3個(gè)GNC子系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同工作模式以滿足任務(wù)需要.

軌道器GNC子系統(tǒng)共設(shè)計(jì)5類工作模式：主動(dòng)段模式、恒星定向模式、軌控相關(guān)模式、交全對接相關(guān)模式.各模式轉(zhuǎn)移邏輯如圖5所示.各模式說明如下：

圖5 軌道器GNC子系統(tǒng)工作模式

1)軌道器GNC上電后首先進(jìn)入主動(dòng)段模式，根據(jù)器箭分離信號，轉(zhuǎn)入軸對日模式;

2)在恒星定向模式下，可根據(jù)注入，自主進(jìn)入軌接相關(guān)模式.

3)交全對接相關(guān)模式主要用于從近程自主交會開始.

對接機(jī)構(gòu)實(shí)施目標(biāo)抓捕.平移靠攏段的相對位置和相對姿態(tài)控制.

返回器GNC子系統(tǒng)共設(shè)計(jì)6類工作模式，包括：上電等待模式、單艙滑行模式、初次再入模式、自由飛行模式、二次再入模式和開傘后控制模式.各模式轉(zhuǎn)移邏輯如圖6所示.各模式說明如下：

圖6 返回器GNC子系統(tǒng)工作模式

1)返回器GNC上電后首先進(jìn)入上電等待模式，軌跡分離后轉(zhuǎn)入單艙滑行模式.

2)當(dāng)高度下降到一定程度時(shí)，返回器進(jìn)入大氣層邊緣，轉(zhuǎn)入初次再入模式，具備升力控制條件，開始利用傾側(cè)角進(jìn)行彈道控制.

3)在初次再入模式中，當(dāng)軸向過載趨于0時(shí)，氣動(dòng)力明顯減弱，轉(zhuǎn)入自由飛行模式.

4)在自由飛行模式中，當(dāng)返回器處于下降飛行進(jìn)入大氣層后，自主進(jìn)入二次再入模式，利用傾側(cè)角進(jìn)行彈道控制.

5)在二次再入模式中，根據(jù)高度，轉(zhuǎn)入開傘后控制模式，進(jìn)行姿態(tài)阻尼和剩余推進(jìn)劑排放.

著上組合體GNC子系統(tǒng)共設(shè)計(jì)8類工作模式：等待模式、建立飛行狀態(tài)和巡航相關(guān)的模式、軌道控制相關(guān)模式、著陸相關(guān)模式、月面工作模式、起飛上升相關(guān)模式、交會對接近程段模式以及安全模式.各模式轉(zhuǎn)移邏輯如圖7所示.各模式說明如下：

圖7 著上組合體GNC子系統(tǒng)工作模式

著上組合體GNC上電后首先進(jìn)入等待模式，等待模式下收到著上組合體與軌返組合體分離信號后，則轉(zhuǎn)入巡航模式.巡航模式設(shè)計(jì)為太陽定向姿態(tài)，保證整器能源.軌控相關(guān)模式主要用于著上組合體的降軌機(jī)動(dòng)和上升器遠(yuǎn)程導(dǎo)引過程.著陸相關(guān)模式用于著陸上升組合體下降并著陸到月面.月面工作模式用于著上組合體停留在月面期間.月面起飛上升模式用于上升器從月面起飛并進(jìn)入環(huán)月軌道.交會對接近程段模式用于交會對接近程導(dǎo)引和對接過程，上升器保持對月姿態(tài)穩(wěn)定.

5 飛行結(jié)果

2020年11月24日凌晨04時(shí)30分，嫦娥五號成功發(fā)射，在其后的23天時(shí)間內(nèi)，先后按既定飛行程序完成近月制動(dòng)、月面軟著陸、月面起飛上升、交會對接、再入返回等任務(wù)，于12月17日02時(shí)，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸，取得圓滿成功.GNC系統(tǒng)出色的完成了月面起飛上升、月球軌道交會對接、攜帶月壤以近第二宇宙速度二次再入返回的3個(gè)首次任務(wù).

12月1日22時(shí)57分，著上組合體GNC子系統(tǒng)控制7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，開始動(dòng)力下降.初始時(shí)刻，著上組合體質(zhì)量為3 735 kg，高度為18 km，速度約為1.6 km/s.動(dòng)力下降過程約830s.主要結(jié)果如表1所示.

表1 嫦娥五號著上組合體動(dòng)力下降結(jié)果

2020年12月3日23時(shí)10分，上升器開始起飛上升，飛行射向100.659 7°，目標(biāo)入軌點(diǎn)為15 km×180 km軌道近月點(diǎn)(參考月面為1 737.4 km).主要結(jié)果如表2所示.

表2 嫦娥五號上升器起飛上升結(jié)果

2020年12月6日2時(shí)，軌返組合體與上升器相距約75 km處，軌返組合體和上升器分別采用輪控調(diào)姿方式轉(zhuǎn)入對月定向姿態(tài)，軌道器GNC子系統(tǒng)相對導(dǎo)航建立，相距約50 km時(shí)，軌返組合體轉(zhuǎn)入交會對接近程段，自主實(shí)施5次制導(dǎo)脈沖成功捕獲5 km停泊點(diǎn)，并進(jìn)行5 km位置保持控制；相繼自主捕獲1 km停泊點(diǎn)和100 m停泊點(diǎn)，并進(jìn)行必要的位置保持控制；轉(zhuǎn)入平移靠攏模式后，采用六自由度控制方式自主完成最后100 m的逼近；在滿足對接抓捕條件后，向上升器GNC發(fā)出?？刂噶?，向?qū)訖C(jī)構(gòu)發(fā)出抓捕指令，完成交會對接任務(wù).整個(gè)尋的、接近和平移靠攏過程中，相對測量敏感器穩(wěn)定輸出，制導(dǎo)控制過程中，控制器很好的抑制了燃料晃動(dòng)影響.交會對接近程段持續(xù)時(shí)間約3.452 h，對接?？叵鄬顟B(tài)如表3所示，對接精度優(yōu)于指標(biāo)要求.

表3 嫦娥五號軌道器交會對接精度結(jié)果

2020年12月17日1時(shí)12分返回器與軌道器在地面高度5 008 km處分離，開始再入返回，初始速度10.654 km/s，再入角-5.718°.經(jīng)過約1 060 s的二次再入飛行抵達(dá)高度10 km開傘點(diǎn)，返回再入航程6 522 km.GNC系統(tǒng)各設(shè)備以及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制回路表現(xiàn)正常，飛行結(jié)果如表4所示，開傘點(diǎn)精度優(yōu)于指標(biāo)要求.

表4 嫦娥五號返回器再入飛行結(jié)果

6 結(jié) 論

面對復(fù)雜的任務(wù)要求和嚴(yán)格的設(shè)計(jì)約束條件，設(shè)計(jì)了高自主、高可靠的嫦娥五號探測器GNC分系統(tǒng)，完成了月球表面起飛上升、月球軌道交會對接以及攜帶月壤以近第二宇宙速度二次再入返回的三項(xiàng)首次任務(wù)，飛行結(jié)果滿足指標(biāo)要求.