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中国探月副总设计师：深空探测现状和未来展望
　　中国航天科技集团公司科技委副主任、中国探月工程副总设计师于登云作题为&中国深空探测的现状和未来中国深空探测活动的展望&的主题报告。
　　人民网科技北京5月31日电（记者 刘然）首届世界月球会议将于5月31日在北京召开。来自世界各国航天局代表、航天企业决策者、国际月球探测项目专家将出席本次会议。会议将就科学与探索、生命科学、载人月球-火星探测、生命保障等议题进行研讨。中国航天科技集团公司科技委副主任、中国探月工程副总设计师于登云作题为&中国深空探测的现状和未来中国深空探测活动的展望&的主题报告，全文如下：
　　尊敬的主席先生、女士们、先生们上午好！
　　很高兴有机会参加这次会议，就月球探测和深空探测技术与各国朋友进行广泛的交流与研讨。今天我报告的题目是&中国深空探测的现状与展望&。中国航天科技公司是中国航天科技工业的主导力量，其主要业务范围包括各类航天器和运载火箭的研制，以及相应的航天技术应用产业和航天服务业。中国航天科技集团公司在中国深空探测活动中发挥了重要的作用，未来将继续推动中国深空探测事业的发展。
　　首先，介绍中国的探月工程。中国的探月工程又称作&嫦娥工程&，规划为三期，简称为&绕落回&，计划在2020年前依次完成绕月探测、落月探测和无人采样返回。迄今为止，探月一期工程已经圆满完成，探月二期工程正在实施，探月三期工程正在论证。探月一期工程，又称绕月探测工程，工程系统组成包括&嫦娥一号&绕月探测卫星、运载火箭、发射场、测控通信和科学应用系统。其中&嫦娥一号&绕月探测卫星和长征三号运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属，中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。日&嫦娥一号&发射成功，并圆满完成了预定任务。
　　长征三号甲运载火箭已经连续成功发射几十次，是中国航天科技集团公司的金牌火箭。&嫦娥一号&月球探测卫星继承了三号和卫星等型号平台的技术和产品，从立项到首飞成功，用时仅33个月，对于高风险的星空探测领域而言，这样短的时间在世界范围内也是少见的。&嫦娥一号&卫星的飞行过程大致是这样，运载火箭将卫星送入远地点约5万公里的超GTO轨道，随后卫星经多次变轨，将轨道周期顺序调整为两天。然后加速进入转移时间5天左右的环月轨道，到达后执行三次减速机动，实现月球捕获，同时将绕月轨道周期从12小时变为127分钟，进入任务轨道。探月一期工程自2004年2月正式启动，日长征三号甲运载火箭按零窗口准时发射，将&嫦娥一号&卫星送入预定轨道。经过调向段和第二转移段的飞行，并完成进月捕获，进入环月使命轨道，开始为期一年的科学探测活动。日发布了中国第一幅全月球影像图，标志着探月一期工程圆满完成。此后&嫦娥一号&又完成了一系列在轨实验等一系列扩展任务。日在地面控制下准确转机到地面预定区域，&嫦娥一号&卫星携带了总重约140公斤各类科学探测载荷，包括成像相机、太阳风高能粒子探测器等等，&嫦娥一号&卫星绕月期间发回了超过1个GB的科学探测数据。科学家对此进行了大量的分析研究，例如CCT相机光谱议和激光获取的三维页面图像，包括月球南北两极的三维图像，X的&射阳光谱议获取的月球图等，此外还获取了月球白天亮温度和低能粒子探测器，获取了太阳能不同能级的流量数据，中国的科学家们正在对这些数据进行深入分析，未来有望发布更多的科研成果。
　　下面介绍探月二期工程，探月二期工程将包含三次任务，分别是&嫦娥二号&卫星轨道探测任务和&嫦娥三号&、&嫦娥四号&探测器、&软着陆&与月面巡视探测任务。后来根据任务需要，改为探月二期工程的先导性，在&嫦娥一号&的基础上，&嫦娥二号&更换了部分科学探测载荷，并为后续任务的关键技术进行在轨验证，为&软着陆&和更远的深空探测活动奠定基础。&嫦娥三号&、&嫦娥四号&探测任务的主要目标是，通过研制月球&软着陆&探测器和月面巡视探测器，建立地面升空站，突破月球&软着陆&自动巡视勘察、深空测控通信等关键技术，形成月球&软着陆&探测的基本能力，并建立月球探测航天工程基本体系，形成重大项目实施的科学有效的功能方法，为后续功能服务。&嫦娥三号&、&嫦娥四号&的核心任务是实现月面&软着陆&和巡视探测，其大致组成包括由着陆器和巡视器组成的探测器系统，发射场系统和地面应用系统，其中探测器系统又所属中国空间技术研究院研制，运载火箭由所属中国运载火箭技术研究院研制。月球&软着陆&的飞行过程大致是这样，首先长征三号运载火箭直接将探测器送入第二转移轨道，在五天左右第二转移飞行过程中，要直行中途修正，到达地点时探测器首先减速进入环月软轨道，然后等待合适的时机先降轨，再执行动力下降。动力下降过程大致分为如下几个阶段，首先探测器依靠自身发动机，把相对月面的速度从每秒1.7公里降至零，然后把探测器调整为纵轴指向月面法相，再旋转一段时间，进行月面识别，最后缓速下降到一定高度，关闭发动机，在月球重力作用下自由降落，完成月面&软着陆&。针对着陆器需突破的关键技术主要包括，动力下降的GNC，&软着陆&缓冲支架，便推力发动机和月面环境适用性等。针对突破月面感知、路径规划与控制，以及月面巡视地面遥操作等关键技术。
　　接下来简要介绍一下正在论证的探月三期工程，探月三期工程的核心是完成无人月球表面采样返回，具体而言，着陆到月面后将进行撞取和采取两种方式的采样，然后通过上升、月地转移和高速载人返回等一系列过程，将月球样品返回地球，进行详细的实验分析。科学上探月三期工程将深化对月壤、月球形成演化的认识。技术上探月三期工程将突破月面采样与风动技术、月面起飞上升技术和地球大气缓和技术等探测器系统关键技术，以及具有更大运载能力、全新无毒燃料的液体运载火箭技术。通过探月工程的实施，中国将掌握一系列探月关键技术，建立地面设施，培养人才队伍，为载人登月奠定一定的基础。
　　下面介绍第二部分，关于中国未来深空探测发展设想与建议。人类为何要开展深空探测？我们认为，对未知世界的探索是人类发展的永恒动力，对茫茫宇宙的探测是人类拓展生存空间的必由之路。探索太阳系乃至整个宇宙的起源、发展和演化，是深空探测任务的永恒科学目标，深空探测对于激发人类的探索精神，促进新一代科研工作者的成长，推动深空资源的综合开发利用和人类科技水平的持续发展至关重要。
　　中国航天科技集团作为承担中国未来运载火箭和航天技术研究发展的核心企业，我们建议未来要重点突破深空探测器和运载火箭等一系列关键技术，提升工程能力，满足深空领域科学探测的需求。初步设想，未来深空探测有两条主线，一是月球探测，包括无人和载人的月球探测。二是新一轮探测，建议未来深空探测发展分为三步走，第一步是实施探月二期工程，掌握无人大气天气的环绕着陆的技术，发展火星探测器，形成达到距地球约4亿公里远的深空探测能力。第二步是实施探月三期工程，掌握月球无人取样返回技术，发展火星&软着陆&巡视探测器，掌握行星接力发行等关键技术，形成在距地球约4亿公里有大气天气的&软着陆&和巡视能力。第三步是实施载人登月、火星无人采样返回，掌握载人登月火星无人采样返回等关键技术，使中国人的足迹第一次踏上意外天气，形成无人采取样返回和10亿公里远无人探测能力。
　　在月球探测领域，中国航天科技集团公司在全力完成好探月工程既定目标的基础上，实施开展无人月球普查和详查任务，逐步建立无人值守的月球基地，在条件具备后实施载人登月，直至建立有人驻留的月球基地。虽然目前中国还没有明确的载人登月计划，但相关单位和科技人员正在进行论证，积极开展载人登月和建立月球基地的研究与探索。中国航天科技集团公司从运载火箭和载人登月飞船研制的角度，对载人登月的技术进行了研究，提出了两种可能的技术方案。第一种是研制重型运载火箭，采取一到两次发射和一次月球交汇对接。第二种基于现有技术能力，采用多次发射、多次地球轨道交汇对接和一次月球轨道交汇对接。以上两种方案各有特点，目前还需要进一步论证。
　　在行星器探测方面，根据中国科学家的建议，无人行星探测的重点目标包括火星探测、巨行星的探测和小行星和彗星的探测。火星作为距离地球最近的内地行星，是开展行星器探测的首选目标，在实施探月工程的同时，中国航天科技集团公司将积极推动火星探测活动，预计明年将开展与俄罗斯联合探测火星及环境的活动。同时将继续开展火星轨道器的研究，对火星进行遥感探测。按照上述发展设想，中国开展星空探测的能力将逐步提升，对于运载火箭而言，目前具有最大能力的长征三号乙发射第二轨道的能力不少于3吨，未来&行星大运载&将具备发射火星轨道运载能力，发射到木星的轨道能力将达到3吨以上。对探测器而言，从月球环绕探测起步，进而发展月球&软着陆&与巡视探测，再发展月球无人采样返回和近地行星&软着陆&随时探测，最后发展火星无人取样返回和躯体巨行星及其卫星的探测，逐步形成对太阳系内有无大气的各类天体多种形式的探测能力，最终可根据科学家提出的探测需求，开展任意形式的深空探测活动。
　　主席先生、女士们、先生们，以上简短介绍了中国深空探测的现状和未来发展的设想。当前，探月工程正在稳步推进，我们认为未来适度开展以火星探测为代表的无人行星器深空探测是发展的必然选择，实施载人登月将是中国探月工程和载人航天工程后续合乎逻辑的发展。作为中国航天活动的核心企业，中国航天科技集团公司一直致力于与国际同行开展友好双赢的双边与多边合作，例如提供商业发展服务，联合研制重大资源卫星，中俄双星探测等任务，都取得了非常好的效果。在深空探测领域，我们非常愿意与国际同行开展广泛的技术交流与合作，为和平利用空间资源、探索宇宙奥秘、创造全人类更美好的明天而共同努力。谢谢大家！
责任编辑：张晓芳
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提高深空探测任务支持能力的几点思考 王燕 北京航天飞行控制中心北京100094 摘要： 本文介绍了飞行控制中心的主要任务以及深空任务操作的主要内容，分析了深空 任务操作的特点，提出了对深空任务支持模式的几点思考，如飞行控制软件设计的平台化、 多任务通用、多目标协同，航天器操作与科学操作分离的运行模式，任务操作人员的合理 配置，以节省任务成本，满足支持更多深空探测任务的要求． 关键词：飞n-it,0中心深空探测任务操作科学操作 1．前言 我国在成功发展人造地球卫星和载人航天之后，适时开展了以月球探测为主的深空探测， 开始了我国空间技术发展的又一个新里程碑。后续还可能开展火星探测和日地空间探测，对太 阳系各行星的探测也指日可待。作为绕月探测任务的飞行控制中心，后续将面临更多的深空任 务支持需求，有必要吸取国外飞行控制中一b的经验，对深空任务的工作模式进行优化，以实现 “更好、更多”的支持需要。 2．飞行控制中心的主要任务 空间任务的目的是为了完成科学试验或应用。为实现预定任务，必须通过一定方式对航天 器进行控制以改变其状态，为达到既定飞行目的而依次改变航天器状态的过程就是飞行任务操
j作。飞行任务操作可通过航天器各系统按一定程序运 j：来实现，也可借助地面设备和飞行控制 中心来完成。无论哪种控制手段，都需要飞行控制中心的支持。 飞行控制中心处于空间数据系统地面段的核心，向上通过测控刚提供的空间链路与航天器 实现双向数据传输，向下通过地面网向航天器最终用户提供任务数据处理、分发、存储、归 档服务。飞行控制中心的主要技术设备就是信息计算系统，主要包括数据收发、数据存储、显
正在加载中，请稍后...1.1 研究现状及分析 .............................................................................................. 2 1.1.1 发射窗口 ................................................................................................... 4 1.1.2火星探测轨道设计 .................................................................................... 5 1.1.3火星探测轨道优化 .................................................................................... 7 1.2 轨道基础知识 .................................................................................................. 9 1.2.1 时间系统 ................................................................................................. 9 1.2.2 坐标系统 ............................................................................................... 10 1.2.3 星历数据 ............................................................................................... 11 1.2.4 B平面 ................................................................................................... 11 1.2.5 Lambert问题 ......................................................................................... 12 1.3 火星探测直接转移轨道的初步设计 ............................................................ 13 1.3.1 日心轨道设计及发射窗口的搜索 ....................................................... 13 1.3.2 地心段参数的确定 ............................................................................... 15 1.3.3 火心段参数的确定 ............................................................................... 19 1.4
基于B平面参数的精确轨道设计 .............................................................. 20 1.4.1 问题描述 ................................................................................................. 20 1.4.2 制导方法 ................................................................................................. 21 1.4.3 轨道精确设计求解 ................................................................................. 22 1.4 仿真分析 ........................................................................................................ 23 1.4.1初步轨道参数设计结果 .......................................................................... 24 1.4.2 精确轨道参数设计结果 ......................................................................... 26 1.5 结论 ................................................................................................................ 27
地球――火星转移轨道设计
轨道设计是火星探测任务的基础，在设计出精确轨道前，一般都忽略次要因素，以二体模型为基础设计一条简单的轨道来满足任务的要求。本章采用普适变量方法求解Lambert问题，并给出基于pork-chop图以及优化算法两种方法对发射窗口进行搜索，基于此窗口对转移轨道进行初步设计和精确设计。
1.1 研究现状及分析
近十年来火星探测已成为科学家们开展空间研究的主流趋势之一，火星是太阳系内与地球最接近的一颗行星，它们有很多共同特征。自从水被证实在其上存在后，有存在生命的可能是人类目前对火星感兴趣的主要原因之一，此推动了科学研究，在之后每一个合适的发射窗口，都有新型的行星际探测器飞往火星，并携带科学设备用来研究火星的大气与表面，以及发现一些新奇的现象。在过去的50年里，仅美国在火星探测研究的经费已超过了100亿美金，而在不远的将来他们计划开展大量的火星科学探测活动。目前，包括俄罗斯航天局在内的世界各大航天机构正在考虑发射载人探测器到火星上的可能性，而确定这样的计划后使得火星探测基础理论研究、技术支持和工程实验迅猛发展，此时我国开展火星探测是及时的，在自主研发的基础上，借鉴外国经验，发展我国自己的火星探测技术，开拓空间资源和领域，促使太空经济蓬勃发展。
截至到2013年，人类从“火星1号”开始共发射41颗火星探测器，其中按任务类型可分为：飞越型、环绕型和着陆型三类。下表给出了部分抵达过火星的探测器数据（发射与到达时火星和地球的黄经差分别为??d和??s、转移时间T和转移角度?）。
表 1 部分抵达火星的探测器数据
探测器 火星1号 水手4号 火星2号 水手9号 火星4号
任务类型 飞越 飞越 轨道/着陆器 轨道器 轨道器
46.34 58.74 47.95 42.83 41.46
-53.01 -46.6 -40.77 -34.60 -52.63
220 228 192 168 204
161.61 178.22 148.56 130.86 148.37
火星7号 海盗1号 火卫一2号 环球勘测者 火星探路者 希望号 奥德赛号 快车 勇气号 机遇号 侦查轨道器 凤凰号
着陆器 轨道/着陆器 轨道/着陆器 轨道器 着陆/火星车 轨道器 轨道器 轨道/着陆器 火星车 火星车 轨道器 着陆器
32.64 50.59 36.64 73.51 61.03 155.01 49.46 46.56 42.89 29.95 36.37 63.12
-65.1 -103.95 -56.08 -68.77 -36.86 -43.36 -42.98 -48.52 -53.16 -62.88 -60.55 -73.01
212 335 201 308 212
208 201 210 295
143.75 226.16 141.96 234.90 172.15 - 154.25 154.49 151.9 135.27 146.43 217.7
上表中转移角基本上都在180度附近，类似于霍曼转移轨道的结果，反映出火星轨道设计优先考虑能量问题，这为我国自行开展火星探测任务提供了参考信息。
总结过去50多年的火星探测任务，人类借助多个探测器对火星进行了观测与探测，揭示了一个与地球相近而又有众多不同的新世界。针对之前所取得的成果，世界各个航天大国纷纷提出自己的火星探测计划，其中以美国NASA火星科学实验室和欧空局的天外火星最具有代表性，而其主要任务为：
1）开展有针对性的火星侦测任务，寻找火星上的生命迹象和热液源，及火星大气高层探测，即空间生物研究实验室和火星大气高层探测卫星；
2）火星样本返回计划，采用相对简单的方法在着陆点就地采集土壤和大气样品，通过返回式飞船带回地球进行详细分析，最理想情况下这一任务将于2016年欧空局开展；
3）在火星安置寿命较长的着陆器形成网络，进而开展地震学、地质化学和气象学研究，评估火星上微粒的特性及大气参数的动态变化，乃至于研究航天员到达火星的生物危险等级；
4）开展深度钻孔任务，即配备钻孔设备对火星土壤深度挖掘，寻找可能存在的水资源并评估其特性，以期望在未来的载人登火任务中可以充分利用火星上的资源；
5）开启载人登陆火星任务，主要分三个阶段，初始阶段主要验证就地资源的使用可行性和高空拦截技术（70°锥角）及在火星大气机动时用仪器测量环境参数，中间阶段主要解决精确着陆和火星表面土壤的辐射防护特性分析，及验证精简模式的载人火星着陆系统，最终阶段需要解决首次载人任务的着陆点勘测和关键任务的全比例实验。
总的来说，在载人探测之前的无人探测任务还有许多待解决的问题，火星上水和甲烷的发现加速了世界各国科学家们火星移民和开发火星的设想，根据过去五十年来对火星环境的信息已为我国提供了宝贵的数据支持，开展火星探测研究可以提升我国科学和经济发展，更加可以提高我国在社会的地位，所以在国家“十一五”计划中早早地规划了以月球探测为基础，继而开展火星探测为主线的深空探测任务。
1.1.1 发射窗口
大多数火星转移轨道均是采用霍曼过渡方式，而在地球上每隔26个月才会出现一个较为合适的发射窗口，此时地球与火星相对比较近，发射能量较少，一旦错过这个合适的发射窗口，地球与火星在日心坐标系下的位置发生了变化，飞行路线也发生变化，导致能量不是最优，甚至不能临近火星，故发射窗口的选取是火星探测任务中重要的一环，主要是受到诸多限制，而这些限制条件与发射成本和工程复杂性有关，主要包括飞行时间、发射能量与任务总能量，甚至包括运载火箭的级别，而在合适的年份探测火星，火星探测器对运载火箭是有一些特定的要求，无论运载能力是否足够，一些运载火箭仍然不能发射火星探测器。选取最优发射窗口就显得格外重要，工程上应用最为广泛的是等高线图法，即绘制pork-chop图，其能够直观地描述出在既定的时间段内发射窗口的变化情况，为满足约束条件的最优发射窗口提供较为精确的初值，这种方法最早出现于1983年Sergeyevsky 给出了1991年至2005年金星探测的最优发射窗口选取中，鉴于此优点，国内外大部分学者一般采用该方法设计行星探测发射窗口的初值，但针对较长时间段的搜索，这种穷举搜索法的计算量极大，给探测设计任务带来了诸多不便。针对此缺点，国内哈尔滨工业大学的乔栋博士提出了一种基于遗传算法的最优发射窗口搜索， 其通过对星历与Guess问题的解算，将上述问题简化为仅含有两个变量的寻优问题，该方法具有全局搜索的能力，并且收敛快，作者给出了基于此方法的小行星的最优发射窗口的搜索时间仅为传统方法的4.19%，极大地提高计算效率，但往往需要多次迭代才能够