“嫦娥五号”使命：复杂多方针前提下的测控撑持『太空科普』 -

今天是太空与您相伴的【第953期】

嫦娥五号探测器已于今年11月24日4时30分从中国文昌航天发射场成功发射。

作为探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战，嫦娥五号将完成月面自动采样，并将宝贵的月壤带回地球，助力深化月球成因和演化历史等科学研究，是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务。

虽然嫦娥五号的核心任务是“采样返回”，但实质却是“绕、落、回”三大任务缺一不可，是对整个探月工程启动实施16年以来的一次系统级的大考。

相比于前面“嫦娥一号”到“嫦娥四号”的月球探测器，从探测器构成层面讲，嫦娥五号探测器的结构是最复杂的，一共由4个器组成——上升器、着陆器、返回器和轨道器（如图1所示），而“嫦娥一号”与“嫦娥二号”仅仅是一个轨道器，“嫦娥三号”与“嫦娥四号”也只有一个着陆器与一个巡视器。

从任务操作层面讲，“嫦娥五号”一次任务就包括了两次发射即地面发射和月面发射（新）、两次着陆即月面着陆与返回地球着陆、两次封装（新）即月面封装与环月轨道封装、一次环月轨道交会对接（新），其中有四个全新的重要环节，可见整个任务实施的复杂度较之前的探月任务大大增加。

图1 嫦娥五号探测器构型图

“嫦娥五号”任务要在约23天的任务周期里连续完成运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收等11个飞行阶段（如图2所示），整个过程环环相扣，衔接紧密。

具体来说，嫦娥五号探测器作为一个整体首先由长征五号遥五运载火箭（如图3所示）直接发射至地月转移轨道，经过约四天半的地月转移的飞行后，在近月点实施两次近月制动，进入高度约200公里的环月圆轨道；环月期间，探测器组合体将分成两个部分——着陆器和上升器组合体（简称为着上组合体）与轨道器和返回器组合体（简称为轨返组合体）实现两两分离；轨返组合体继续在环月轨道飞行，而着上组合体经2次变轨和动力下降，在月面预定区域软着陆；着上组合体着陆后于月面工作期间完成月面样品采集、封装；随后，上升器从月面起飞，与轨返组合体完成交会对接，将月球样品从上升器转移至返回器内，轨返组合体再与上升器分离；接着，轨返组合体踏上归途，进入月地转移轨道，并在距地球约5000km高度处完成返回器与轨道器的分离；最终，返回器采用半弹道跳跃二次再入方式进入大气层，返回到内蒙古四子王旗的着陆场。

图2 嫦娥五号探测器飞行全过程示意图

这么复杂的过程，如何满足嫦娥五号探测器复杂多目标条件下的测控需要？确保嫦娥五号任务从运载火箭发射一直到返回器再入返回全过程的顺利实施？这就需要测控系统来完成对探测器各飞行阶段的测定轨、状态监视、飞行控制，对探测器落月后的月面定位以及月面采样操作控制，对返回器的再入测量等任务。可以说，测控系统在任务各阶段、各关键环节都发挥着举足轻重的作用。

在“嫦娥五号”任务中，测控系统主要以我国近地航天测控网、深空测控网、再入返回测量链为主，辅以甚长基线干涉（VLBI）测轨分系统，并开展了必要的测控国际联网（布局如图4所示），共同完成全任务过程的测控支持。我国深空测控网的3个深空测控站和3个18m测控站悉数登场，全力以赴支持探月工程收官之战。下面将结合任务各关键阶段来讲解测控系统是如何为嫦娥五号任务提供可靠测控支持的。

图4 嫦娥五号任务测控系统布局示意图（再入返回前）

确保发射及早期入轨段的可靠跟踪

测控系统将远望6号航天测量船布设在菲律宾以东的太平洋海域，实现了与陆上站的测控弧段搭接，确保火箭起飞至二级一次关机期间整个过程的测控覆盖。远望5号航天测量船布设在法属波利尼西亚附近的太平洋海域，确保器箭分离前后的X频段遥外测数据获取和遥控指令发送。在两条测量船之间存在的空白弧段区域，则依靠中继卫星进行天基遥测接收，从而保证了整个发射段运载火箭遥测数据的连续获取。

为了确保在探测器入轨初期地面测控站能够快速可靠捕获嫦娥五号探测器，监视探测器各分系统的工况，测控系统通过国际联网方式将欧空局所属库鲁站作为阿根廷35m深空站的备份，以提高任务实施可靠性。库鲁站位于南美洲法属圭亚那，其15m X频段测控设备配有1.3m口径引导天线，具备X频段宽波束大范围捕获引导能力。而我国阿根廷35m深空站性能优异，作用距离远，但天线口径大、波束窄、转速低，其波束宽度仅为库鲁站1.3m引导天线的1/27，天线转速约为其1/10。利用库鲁站为阿根廷深空站备份，哪怕火箭发射入轨存在稍大偏差也可以从容应对，确保及时捕获目标并为35m深空站提供跟踪引导，大大增强了任务支持的可靠性。

图5 远望5号航天测量船和库鲁站15m X频段测控设备

确保着上组合体与轨返组合体分离后的双目标可靠测控

在环月飞行段着上组合体与轨返组合体实现两两分离后，需要确保对着上组合体和轨返组合体双目标的同时测控。

为了满足这一需求，统筹考虑两个组合体目标的测定轨精度和遥控指令上注要求，对可用测控资源进行了合理调配：由佳木斯深空站66m、喀什深空站35m和阿根廷深空站35m三套深空测控设备（如图6所示）承担对着上组合体的X频段测控任务；由青岛站、喀什站和纳米比亚站三套18m测控设备（如图7所示）承担对轨返组合体的X频段测控任务；VLBI测轨分系统（分布如图8所示）在该阶段的观测目标为着上组合体。VLBI具有较高的测角精度，对航天器横向的位置和速度有较好的约束，通过与测距、测速等外测数据相结合，可有效提高环月飞行目标的定轨精度，从而确保着上组合体两次变轨的测定轨精度。

图5 佳木斯深空站66m、喀什深空站35m和阿根廷深空站35m深空测控设备

图6 青岛站、喀什站和纳米比亚站18m测控设备

图8 VLBI测轨分系统观测站分布

确保着陆下降段和月面上升段轨迹监视

为了能够实时监视着上组合体的下降轨迹，以及上升器的月面起飞过程轨迹，通过采用多站三向测量技术来实现对动力下降和月面起飞过程的实时几何定位。

参加三向测量的测站包括佳木斯深空站、喀什深空站和三亚站：佳木斯深空站作为主站发送上行载波及测距信号并接收，测得双向距离和、双向多普勒；三亚站和喀什深空站作为副站，接收佳木斯发送的上行信号，测得三向距离和、三向多普勒（在测控领域，A站发A站收称为双向测量，A站发B站收称为三向测量），如图9所示。

图9对着上组合体的三向测量示意图

确保交会对接段高精度远程导引

在关键的交会对接段，测控系统需要利用有限的测控资源确保上升器和轨返组合体各自的测定轨精度。

“嫦娥五号”任务的交会对接是上升器作为目标，靠轨返组合体主动对接上升器，因此对上升器的测定轨精度要求更为迫切。为了满足上述要求，在上升器月面上升后，3个深空站和VLBI测轨分系统将全部用来跟踪上升器，而3个18m全部用来跟踪轨道器，这种测站资源分配方式可以满足交会对接段远程导引交班点定轨精度要求（轨返组合体和上升器相距50km处为交班点，在此之前为远程导引段，需要依靠地基测控保证；在此之后为近程导引段，由探测器自主完成交会对接）。

图10 月球轨道交会对接示意图

确保返回器准确进入返回走廊

轨道器与返回器分离前，需要精确确定轨返组合体的飞行轨道，从而确保返回器导航初值注入的精度，测控系统设计了三站接力测量的方式，利用阿根廷35m深空站、国际联网的欧空局玛斯帕拉玛斯15m站和纳米比亚18m站对轨返组合体分时接力进行双向测距测速，从而满足轨道精确测量需求。

三站接力的含义就是将3小时的测控弧段均匀分配给上述3个测控站，利用三个测站的三角几何状分布（如图所示11），在时间域上实现测量几何的有效改善，使得定轨精度大大优于单站持续跟踪3小时。

图11 三站接力测量示意图

确保返回器再入过程的连续测量

对返回器再入过程的连续跟踪测量，是确保实现对返回器顺利回收的关键。

首先，未来确保返回器在第一次入黑障前的遥测接收并获取返回器一次再入最低点的外测数据，在索马里以东的印度洋海域布设了航天测量船，利用光学测量、雷达测量获取一次再入过程的飞行轨迹。考虑到返回器一次出黑障后的弹道可能的散布范围较大，在卡拉奇站布设了宽波束引导设备和在西藏阿里地区布设了车载多波束设备负责返回器一次出黑障后的捕获跟踪。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。

之后，将由布设在新疆、青海、甘肃和内蒙古等地的地面雷达对返回器二次入黑障前一直到返回器开伞期间进行连续不间断的可靠跟踪测量，为后续对返回器的搜索回收提供可靠的落点预报，确保对返回器的顺利回收。

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