嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略数学建模

七月网2023年07月04日 19:581590

其实嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略的问题并不复杂，但是又很多的朋友都不太了解嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略数学建模，因此呢，今天小编就来为大家分享嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略的一些知识，希望可以帮助到大家，下面我们一起来看看这个问题的分析吧！

嫦娥系列探测器(1/8)科普下

嫦娥五号探测器

嫦娥五号探测器，是由中国空间技术研究院（中国航天科技集团五院）研制的中国首个实施无人月面取样返回的航天器。其计划在探月工程三期中完成月面取样返回任务，是该工程中最关键的探测器，也是中国探月工程的收官之战。

嫦娥五号探测器全重8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分组成，将由我国目前推力最大的长征五号运载火箭从中国文昌航天发射场进行发射。

中文名

嫦娥五号探测器

外文名

Chang'e5lunarprobe

所属国家

中华人民共和国

研制单位

中国空间技术研究院

目前状态

研制中

起飞质量

发射火箭

长征五号

发射地点

海南文昌发射场

组成

轨道器、返回器、着陆器、上升器

性质

探月工程的收官之战

研制历史

2009年，中国在探月二期工程实施的同时，为衔接探月工程一、二期，兼顾中国未来载人登月和深空探测发展，中国正式启动了探月三期工程的方案论证和预先研究。三期工程于2011年立项，任务目标是实现月面无人采样返回。工程规划了2次正式任务和1次飞行试验任务。分别命名为嫦娥五号、嫦娥六号和高速再入返回飞行试验任务。其中，嫦娥五号探测器是我国首个实施月面取样返回的航天器。

中国探月工程分“绕、落、回”三步走，绕月和落月任务已圆满完成。根据探月三期时间表，预计于2017年12月发射嫦娥五号，实现月球取样并返回地球。嫦娥五号由轨道器、上升器、着陆器和返回器组成。

2014年10月24日2时，嫦娥五号T1试验器成功发射。用于验证飞行器能否从月球轨道顺利返回，并降落在预定的位置。这是2017年实现探月无人采样返回的最重要的试验。

2014年嫦娥五号T1试验器的任务，就是将轨道器和返回器的组合体送入月球轨道，再让组合体返回地球。叶培建介绍，组合体在距离地球几千公里的太空中会分离，返回器会按照嫦娥五号将要走的路，回到地球，而轨道器就“不要了”，变为太空垃圾。将组合体送入太空的工作在西昌完成。

2014年发射的试验器，是2017年以前探月工程最后一个太空试验，因为这项试验风险太大，且没法在地面进行模拟。而其余例如在月球表面取样，在月面上起飞等，都通过在地面上做模拟试验的方法来验证可靠性。

这是中国探月工程拿到的第一张“返程票”，标志着中国探月告别“单程票”时代，为未来嫦娥五号执行更为复杂的返回任务奠定了技术基础。

2015年3月，叶培建院士表示嫦娥五号正在进行研制，进展良好，将按计划于2017年在海南发射。

2015年9月，中华人民共和国国家国防科技工业局宣布，探月工程三期再入返回飞行器服务舱为嫦娥五号任务开展在轨验证，9月2日完成对嫦娥五号预定采样区遥感成像飞行任务。

2015年11月23日，嫦娥五号、长征五号在海南合练。

2016年8月15日，中国航天科技集团公司六院801所组织完成了嫦娥五号上升器正样全系统热试车。

2016年12月，嫦娥五号探测器着陆器推进子系统正样热试车取得圆满成功，这标志着嫦娥五号着陆器推进子系统热试车完美收官。这也是嫦娥五号研制进程中非常关键的一步。

在2017年6月6日开幕的2017全球航天探索大会上，中国国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠首次透露了嫦娥五号月球探测器的着陆地点为月球正面的吕姆克山脉。同时开展相应的科学研究。吕姆克山脉位于月球正面西北部。

2019年1月14日，国务院新闻办公室召开的新闻发布会上，国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华表示，中国将继续实施月球探测工程，突破探测器地外天体自动采样返回技术，2019年年底前后将发射嫦娥五号，实现区域软着陆及采样返回，探月工程将实现“绕、落、回”三步走目标。

布局结构

嫦娥五号主要任务是月球取样返回，它要面对取样、上升、对接和高速再入等四个主要技术难题。根据日前的设计方案，嫦娥五号由轨道器、返回器、着陆器等多个部分组成，其中着陆器将进行月面软着陆，并自动进行月面采样、样品封装等操作，将样品由着陆器的上升段携带升空进入月球轨道，与环月轨道上的轨道器对接，将样品转移到返回器内部，最后轨道器携带返回器点火机动，从环月轨道直接返回地球，返回器将在再入大气层前分离，最后降落在我国北方的内蒙古草原上。

从这个轨道器、着陆器以及环月轨道对接的复杂设计方案看，嫦娥五号完全就是无人版的阿波罗登月，当前同样计划使用类似设计的深空探测器方案，是美国尚未立项的火星取样返回探测器(MSR)，不过MSR最早也要2024以后发射，而我国的嫦娥五号预计2018年左右就要使用长征五号火箭发射，嫦娥五号取样返回的复杂性和先进性在已有和正在研制中的深空探测器里是空前的。当前嫦娥五号探测器着陆器的变推力发动机、交会对接微波雷达和激光雷达的研制都在紧密锣鼓的进行中，着陆器上升段和轨道器所使用的3000牛发动机首次整机试车圆满成功，已经转入初样研制阶段。嫦娥五号可以携带约2千克样本返回地球，这是使用复杂的月球轨道对接设计的结果，之前的苏联Luna16探测器整体落月，最终取回样品仅有100克。

按照我国航天的惯例，嫦娥五号肯定还有一个备份星，如果嫦娥五号任务顺利的话，它很可能赋予嫦娥六号的编号，增减部分设备提高技术水平，根据探月一期和二期的月球探测成果，选取探测价值更大区域如月球极区或是在月球背面取样返回。不过嫦娥六号还太过遥远，很难对此做出有效的预测。

嫦娥五号返回舱已经在研制之中，从奔月轨道上返回的航天器有着很大的速度，如果无法减速，那么就会“弹”出地球大气层，再入之后的返回舱速度将达到每小时4万公里左右，相当于32马赫左右，迄今为止中国设计的飞船没有达到如此高的再入速度，因此如何安全控制返回舱重返大气层是嫦娥5号能否成功的关键。

技术难点

据探月工程总设计师吴伟仁说，嫦娥五号大约2017年前后择机发射，任务是采样返回。其中的困难主要有四个方面：月球轨道的交会对接、月面采样、月面起飞和高速返回。

月面采样有难度。苏联当年做了好几次只成功了三次，共取回300多克月壤。嫦娥五号计划采样2公斤，要钻进去2米获取原原本本的月壤，还必须封装好拿回来。此外，嫦娥五号有着陆器、返回器，要在月球轨道交会对接，难度比较大。再者，采样结束后月面起飞和高速返回也是需要攻克的难关。

第一关是“分离面多”。相较于神舟飞船和“嫦娥三号”均只有两个部分需要分离，即两个分离面，“嫦娥五号”有5个分离面，分别是轨道器和着陆器组合体、着陆器和上升器组合体、轨道器和返回器组合体、轨道器和支撑舱及轨道器与对接支架。这些分离面都必须“一次性成功”。

第二关是“模式复杂”。彭涛说，探测器需要经历多个飞行阶段，还需要完成月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接和样品转移、地球大气高速再入返回着陆等关键环节，并且设计约束多。

其中，上升器与轨道器需要在距离地球38万千米的月球轨道上完成对接，在这里无法借助卫星导航的帮助，需要依靠探测器自身实现交会对接。

第三关是“细节严酷”。为获取月壤样品，“嫦娥五号”无人采样器将通过采样钻头深入月球内部和采样机械臂月球表面采样两种方法，再把样品转移到上升器，由上升器与轨道器对接，最终把样品转移到返回器，整个环节必须分毫不差。

第四关是“温度控制”。月球表面白天温度约零上180摄氏度，夜间零下150摄氏度，昼夜温差约330摄氏度。另外上升器发动机点火瞬间达到上千摄氏度，如何避免烧毁上升器和着陆器，对研制团队提出挑战。

第五关是“瘦身压力”。彭涛说，运载火箭的运载能力对嫦娥五号探测器的重量有严格的约束，一方面要尽可能对分系统进行“瘦身”，另一方面，因为备份产品较少，必须确保质量可靠。

预期成果

嫦娥五号将完成我国探月工程三步走中“回”的任务。嫦娥五号将突破一系列关键技术，并携带月球岩石样本回到地球，预计任务飞行时间在13天左右。

通过嫦娥五号的研制和实施，中国将突破月表自动采样、样品的封装与保存、月面动力上升、采样返回轨道设计、地球大气高速再入、月球轨道交会对接、多目标高精度测控通信、月球样品储存和地面实验室分析等关键技术，提升航天技术水平；具备月球无人采样返回的能力，首次实现中国月面自动采样返回，实现航天技术的重大跨越；完善中国的月球探测航天工程体系，形成重大项目实施的科学的工程管理方法，为后续载人登月和深空探测工程服务。通过实施嫦娥五号无人月球采样返回任务，中国在月球科学研究方面将更进一步，开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与返回样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系；对月球样品进行实验室研究，分析着陆点月表物质的结构、成分、物理特性，深化月球成因和演化历史的研究。

嫦娥五号月面采样返回任务将于2019年年底左右实施，我国首次火星探测任务将于2020年前后实施。

研制进展

探月工程副总指挥、国防科工局探月与航天工程中心主任刘继忠近日接受采访时表示，我国探月工程三期嫦娥五号任务正处于初样研制关键阶段。

刘继忠表示，将完成嫦娥五号探测器和长征五号火箭在海南发射场的合练，预计于2017年前后完成研制并择机发射。为确保嫦娥五号奔月、月球采样、返回地球任务的顺利完成，我国于2014年10月24日发射了由返回器和服务舱两部分组成的嫦娥五号“探路者”——探月三期再入返回飞行器。2014年11月1日，服务舱与返回器分离，随后返回器顺利着陆，试验任务取得圆满成功。服务舱拉升轨道，继续开展拓展试验，先后完成了远地点54万公里近地点600公里大椭圆轨道拓展试验和环绕地月L2点探测、返回月球、嫦娥五号调相机动模拟试验等任务。

目前服务舱正继续为嫦娥五号任务开展在轨验证，7日刚刚完成第三阶段拓展试验——模拟嫦娥五号上升器与轨道器在月球轨道交会对接之前的飞行控制过程。实验验证了嫦娥五号上升器远程导引控制策略、天地协同控制时序、轨道测量与飞行控制精度等相关技术，获取试验数据和经验，评估轨道设计和交会方案，为后续嫦娥五号任务顺利实施提供参考。

刘继忠表示，服务舱的工作完成得非常好，实现了一次发射、三次奔月、两次借助月球引力飞行，完成了三个阶段的拓展试验。在第二和第三阶段试验中，服务舱分别扮演了嫦娥五号任务的轨道器和上升器两个角色，先后模拟了这两个飞行目标在月球轨道交会对接之前的相对运动过程和飞行控制过程。

“通过再入返回试验和服务舱的拓展试验，我们验证了嫦娥五号任务的高速再入返回、月球轨道上升和月球轨道交会对接三项关键技术，为完成探月工程‘绕、落、回三步走战略目标打下了坚实基础。”刘继忠说。

对于服务舱后续工作，刘继忠说，目前服务舱状态良好，接下来还将进行嫦娥五号采样区成像等第四阶段试验。之后，工程方面将根据服务舱状态，择机开展月球重力场反演等科学试验项目。我国预计2017年前后发射嫦娥五号，它由轨道器、着陆器、上升器和返回器"四器”组成。

根据计划安排，2020年，长征五号系列火箭将执行3次发射任务。在长征五号B首飞后，长征五号遥四火箭将发射我国首个火星探测器；长征五号火箭还将迎来第五次发射，将嫦娥五号月球探测器送上月球，实现对月球表面的采样返回。

嫦娥六号探测器

嫦娥六号探测器，是嫦娥探月计划第六个探测器。

2017年1月报道，按国家航天局对未来月球探测的规划，中国设想未来五年、十年开展两次以机器人为代表的月球南北极的探测。归纳起来，就是启动实施探月工程四期，其中包括2020年左右，发射嫦娥六号等月球探测器，实现月球极区采样返回。

中文名

嫦娥六号探测器

外文名

ChangE6satellites

所属国家

中华人民共和国

状态

正在研发

目的

探测和地质布景勘测

地位

嫦娥探月计划第六个探测器

发射时间

2020年左右

发射地点

中国文昌航天发射场

简要概况

2013年12月16日，国务院新闻办公室举行发布会介绍探月工程嫦娥三号任务有关情况，国防科工局新闻发言人吴志坚表示，嫦娥三号任务整个过程做到了“准时发射、精确入轨、安全着陆、可靠分离、成功巡视”，表现非常完美。任务为实现无人自动采样返回的嫦娥五号研制进展顺利，预计于2017年前后完成探测器研制并择机发射。嫦娥探月工程三期的主任务由嫦娥五号和嫦娥六号来执行。三期的任务难度更大，将突破包括月面的起飞技术、月面的采样封装技术、月球轨道的交会对接技术以及返回地球的高速再入返回技术等多项关键技术。

2018年10月1日，中国工业和信息化部副部长、国家航天局局长张克俭宣布，中国愿意与各国开展航天合作，将在嫦娥六号的轨道器和着陆器上为国际合作伙伴提供10公斤的载荷。

主要任务

嫦娥六号的第一个科学方针是展开着陆点区的描摹探测和地质布景勘测，获得与月球样品相关的现场阐发数据，创建现场探测数据与实验室阐发数据之间的联系。重要包含：着陆区的地形地貌探测：采样点四周描摹与布局机关特性；撞击坑的描摹、巨细与散布等。物资成份探测：采样点的物资成份特性；月壤物理特征与布局；月壳浅层的温度梯度探测等。第二个科学方针是对返回高空的月球样品进行体系、持久的实行室研究，阐发月壤与月岩的物理特征与布局机关、矿物与化学构成、微量元素与同位素构成、月球岩石构成与演变进程的同位素春秋测定、宇宙辐射与太阳风离子与月球的互相感化、太空风化进程与环境演变进程等，深入月球成因和演变汗青的研究。

第二个科学目标是对返回地面的月球样品进行系统、长期的实验室研究，分析月壤与月岩的物理特性与结构构造、矿物与化学组成、微量元素与同位素组成、月球岩石形成与演化过程的同位素年龄测定、宇宙辐射与太阳风离子与月球的相互作用、太空风化过程与环境演化过程等，深化月球成因和演化历史的研究。

嫦娥五号和六号将共同完成中国探月三期工程“回”的任务，即实现月球采样后自动返回。它们将带着“四件套”升空，分别是月球着陆探测器、月面巡视器、月面上升器和轨道返回器。

要实现中国第一次月球采样返回，需要突破很多技术，如样品采集技术、月面上升起飞技术、月球轨道交会对接技术等，因为是高速返回，还需要突破载录技术等。

据了解，采样方面，不仅要采获月球表面的月土，还要打孔，从2米底下的月球土层中取出不同深度的材料，拿回地球，因此嫦娥五号上还将携带钻机。

如何确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置

确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置,以及嫦娥三号相应速度的大小与方向嫦娥三号于2013年12月2日1时30分成功发射,12月6日抵达月球轨道.嫦娥三号在着陆准备轨道上的运行质量为2.4t,其安

确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置,以及嫦娥三号相应速度的大小与方向

嫦娥三号于2013年12月2日1时30分成功发射,12月6日抵达月球轨道.嫦娥三号在着陆准备轨道上的运行质量为2.4t,其安装在下部的主减速发动机能够产生1500N到7500N的可调节推力,其比冲（即单位质量的推进剂产生的推力）为2940m/s,可以满足调整速度的控制要求.在四周安装有姿态调整发动机,在给定主减速发动机的推力方向后,能够自动通过多个发动机的脉冲组合实现各种姿态的调整控制.嫦娥三号的预定着陆点为19.51W,44.12N,海拔为-2641m（见附件1）.

嫦娥三号在高速飞行的情况下,要保证准确地在月球预定区域内实现软着陆,关键问题是着陆轨道与控制策略的设计.其着陆轨道设计的基本要求：着陆准备轨道为近月点15km,远月点100km的椭圆形轨道；着陆轨道为从近月点至着陆点,其软着陆过程共分为6个阶段（见附件2）,要求满足每个阶段在关键点所处的状态；尽量减少软着陆过程的燃料消耗.

嫦娥二号的资料

嫦娥二号的资料：

嫦娥二号卫星，是中国第二颗探月卫星、第二颗人造太阳系小行星，也是中国探月工程二期的技术先导星。嫦娥二号卫星由中国空间技术研究院研制，是中国第一颗探月卫星嫦娥一号卫星的备份星，沿用东方红三号卫星平台，造价约6亿元人民币。

嫦娥二号卫星于2010年10月1日18时59分57秒在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射升空并顺利进入地月转移轨道。

嫦娥二号完成了一系列工程与科学目标，获得了分辨率优于10米月球表面三维影像、月球物质成分分布图等资料。2011年4月1日嫦娥二号拓展试验展开，完成进入日地拉格朗日L2点环绕轨道进行深空探测等试验。此后嫦娥二号飞越小行星4179（图塔蒂斯）成功进行再拓展试验，嫦娥二号工程随之收官。

一、研制历史

2007年12月17日，在嫦娥一号卫星任务工程目标圆满成功后，探月与航天工程中心组织各系统开展了备份星任务初步方案论证，并根据顺序命名原则，将备份星命名为嫦娥二号。

2008年6月24日，嫦娥二号卫星专题研究会召开。

2008年7月作为卫星研制方的中国空间技术研究院完成第二轮总体方案论证工作并上报探月与航天工程中心。嫦娥二号卫星最终被确定为以嫦娥一号卫星为基础，根据任务要求进行技术改进后，作为“探月二期工程先导星”，开展先期的飞行试验。

2008年10月经国务院批准立项。

嫦娥二号卫星从任务设计开始，历经方案、初样、正样、发射实施等阶段，仅用了两年多时间，完成了研制与发射实施任务。2008年，主要完成了整星方案设计，开展了顶层策划、技术状态清理及复核、总体规范制订等研制工作。开展了任务轨道设计、大系统间接口协调、分系统技术规范制订、X波段应答机等新产品技术攻关和针对任务要求和环境变化的专项试验工作。

在顶层策划方面，完成了各阶段、各层级技术流程、专项试验、质量保证与风险控制等项目工作。卫星系统直接进入正样研制阶段；新研单机及技术试验分系统经历方案、初样、正样完整阶段；由于大部分单机为提高性能指标方面的修改类或新研类产品，故有效载荷分系统从初样起步。在关键技术攻关同时，设计、开展推进气路及490N发动机延寿、近月太阳翼高温适应性、时间延迟积分(TDI-CCD)相机速高比补偿等设计与验证方面的15项专项试验。

2009年，全面推进产品研制、系统集成和试验验证工作。完成了单机、技术试验和有效载荷两个分系统的初样研制，完成了速高比补偿对测定轨精度要求、15km轨道飞行大系统保证等专题协调，完成全部专项试验。完成了正样产品研制、总装、AIT阶段电性能测试和软件/FPGA落焊工作。并行开展了轨道设计、空间单粒子效应防护等质量复查和复核复算，补充了“轨道设计、飞行程序、虹湾成像、监视相机/紫外成像”等技术专题研究与协调。于2009年8月通过正样设计评审。2010年，研制队伍完成了EMC、力学、热真空等大型试验，在卫星系统自身得到了全面、充分验证的基础上，完成了与运载对接、测控对接、大系统无线联试等大系统对接试验，验证了系统间接口的正确、匹配性，于2010年6月完成了质量复查和出厂评审。

2010年7月10日，嫦娥二号卫星进入西昌卫星发射中心。

二、搭载性能

嫦娥二号卫星系统有总体、综合测试分系统和结构、热控、制导/导航与控制(GNC)、推进、供配电、数据管理、测控数传、定向天线、技术试验（工程载荷）、有效载荷等13个分系统。卫星发射质量2480kg，干重1169kg，携带166kg载荷（含136kg有效载荷和30kg工程载荷）。[6]

新增性能

根据运载的发射能力，嫦娥二号卫星发射重量相比嫦娥一号增加了130kg，燃料能够提供约2.3km/s的总速度增量；在测控数传能力方面，使用了LDPC编码功能，相比卷积编码提高增益约2.5dB；新增了工程载荷数据传输通道，设计了最低为23.4375kbps的多档码速率，可支持距地2000万千米以远的数据传输。在机动飞行能力方面，在基于高精度加速度计的轨道控制技术基础上，在加速度计的测量区间、姿态控制补偿、燃料量预估等方面进行设计改进，提升轨道控制精度；采用实时和延时强制卸载手段，实现姿态与轨道的耦合控制；使用自主惯性对准功能，提高了轨道控制自主性；设计新增大推力轨道维持功能，在保证可靠的前提下，提高了控制精度和自主性。此外，将推进系统工作寿命从3个月提升到6个月以上。

三、太阳高能粒子探测器

嫦娥二号卫星在轨运行期间，正值太阳活动高峰年，是探测研究太阳高能粒子事件、CME（日冕物质抛射，即太阳日冕中的物质瞬时向外膨胀或向外喷射的现象）、太阳风，及它们对月球环境影响的最佳探测时期。利用太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器，可获取行星际太阳高能粒子与太阳风离子的通量、成分、能谱及其随时空变化的特征，用来研究太阳活动与地月空间及近月空间环境的相互作用。为后续探月工程提供环境科学数据。

在嫦娥二号卫星上，配合这七种有效载荷工作的还有一套管理系统，对这七台仪器进行指挥、控制、管理，并采集数据。其中的大容量存储器为这次新研制的设备，它的存储容量由嫦娥一号的48GB增加到128GB，而且吞吐速率更高，处理速度更快。这样使七种有效载荷的工作效率更高、数据更可靠。

四、推进系统

嫦娥二号推进系统采用高性能的双组元推进系统，嫦娥二号推进系统配置1台490N发动机，用于嫦娥二号卫星的轨道机动；配置12台10N推力器，分为2个分支互为备份，用于嫦娥二号卫星的姿态控制和轨道调整；配置2只推进剂贮箱——氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱，分别装填氧化剂(四氧化二氮)和燃烧剂(甲基肼)，为490N发动机和10N推力器提供需要的推进剂；配置1套气路系统，在490N发动机点火期间为推进剂贮箱提供稳定压力的氦气，其中2个氦气瓶是存储高压氦气的容器，通过一只减压器将高压氦气减低并稳定到贮箱工作所需的压力，两只单向阀用来阻止贮箱内推进剂蒸汽向减压器扩散，避免因两种推进剂蒸汽在减压器下游接触而发生爆炸的危险。

五、飞控支持系统

针对飞行任务的特点，首次系统性地提出了卫星飞控支持系统的整体框架和设计思路：基于数字仿真技术，解决相关关键部件的建模，使用统一的卫星姿态轨道动力学模型进行驱动，将数学仿真子系统、飞控演练子系统、视景仿真工具等独立模块有机结合，通过系统集成创新，实现了功能全面、实用的飞控支持系统。既可以通过辅助分析工具和数学仿真进行关键飞行事件的任务辅助设计来实现策略生成的实时性要，也可以通过面向执行层面的1:1的飞控过程演练二者有效结合，实现有效预示飞控任务执行效果的目的。

主要功能：

1)卫星姿态轨道动力学模型功能：飞控支持系统的动力学软件环境具备精度高、自主选取的能力，可以根据轨道位置驱动，即根据轨道特性自主选择主要轨道摄动力,实现对动力学模型调整的自适应能力。

2)辅助分析工具功能：基于数字仿真,产生关键任务中的姿态控制策略，利用天体矢量计算、定向天线指向计算、太阳翼指向计算、姿态机动的轨道扰动计算、发动机推力计算、相机/星敏感器杂光抑制计算等数学模块完成相关模拟计算。

3)数学仿真子系统功能：不同于物理/半物理仿真系统,数学仿真子系统的设计完全软件化，具有系统稳定性好、执行速度快、仿真结果一致性高等特点，能够对正常模式的设计方案和故障模式策略方案进行多次仿真、验证，获得最优设计，也能够对不同飞行状态的卫星动力学模型建模的正确性进行及时验证，在飞控策略的形成过程中，数学仿真子系统是一种有效的辅助设计工具。

4)飞控演练子系统：飞控演练子系统是针对任务执行层面的仿真.其仿真环境包括“软”、“硬”两方面，核心是由星载计算机与动力学模型构成的星地对接系统。该系统可以直接接收卫星用数据块，对飞控过程进行全时段实时仿真，预示飞控执行过程，验证飞控策略正确性、复核星上指令模块的有效性。[12]

5)视景仿真工具：视景仿真工具主要完成成像任务的预期成像效果，尤其是对于小行星飞越成像任务，视景仿真工具在动力学模型的驱动下，直接预示任务期间目标在视场中的尺寸、亮度、畸变、视运动情况、背景星空等效果，支持方案选取与仿真验证。飞控支持系统的子模块既可以联合使用，对重要策略进行仿真验证，也可以独立使用，优化任务参数。以飞越“图塔蒂斯”小行星事件为例，给出飞控支持系统进行地面仿真验证工作流程。

有效载荷

注：卫星的有效载荷就是直接执行特定卫星任务的仪器、设备或分系统。

嫦娥二号卫星共配置了5类7台(套)科学探测仪器。使用了分辨率高的CCD立体相机；提高了激光高度计的空间分辨率和数据更新频率。增加定标源、更换探测晶体，提高了γ/X射线谱仪的探测精度，扩展探测种类。

六、任务及要求

嫦娥二号卫星既定任务的飞行轨道包括直接地月转移轨道，近月捕获轨道，100km和100km×15km使命轨道。扩展任务段包括月球逃逸轨道(调相轨道)、转移轨道、日-地L2点环绕轨道和小行星交会轨道等。

嫦娥二号卫星除完成具有时间窗口唯一性的月球制动，还需要完成工程其他既定任务，包括后续着陆任务中动力下降前的所有轨道机动试验；扩展任务包括环绕L2点飞行和4179小行星交会控制等。环月探测中两次机动降轨试验必须安排在不可测控弧段，从100km圆轨道降至100km*15km椭圆轨道。

任务特点

卫星整个飞行任务可划分为相对独立的7个阶段：射前准备阶段、主动段、调相轨道阶段、地月转移阶段、月球捕获阶段、环月工作状态建立阶段和环月运行阶段。

1)飞行过程控制复杂。嫦娥一号需要经过380000km飞行过程实现月球捕获，嫦娥二号卫星则还需要经过100km×100km和100km×15km试验环月轨道。需要经历多次复杂的轨道和姿态机动，对卫星轨道控制要求高。

2)空间环境复杂。突出表现在月食问题，嫦娥一号卫星在寿命期内，需经历两次月食，每次月食的有效阴影时间在3h左右。在此期间，卫星无法获得光照能源，卫星温度会迅速降低，因此，对卫星能源、温度、整星工作模式要求高。

3)三体组合控制模式复杂，卫星环月期间，星体要对月定向，太阳翼要对日定向，定向天线要对地定向，因此对卫星本体、太阳翼、天线的姿态控制要求高。

4)新研和改进的设备多，嫦娥二号卫星除包含嫦娥一号卫星中的6种有效载荷，还增加了技术试验分系统，包括X频段应答机、降落相机等工程载荷，因此卫星系统智能终端类型复杂，对卫星的信息收集、存储、压缩、编码等处理模式有特殊要求。

技术要求

为避免撞击(月球山最高超过10km)，实现近月15km稳定飞行也依赖自主可靠和高精度的轨道控制。而扩展任务的实现同样需要高精度的轨道控制，如从月球轨道出发进入L2点的转移轨道，对速度控制的敏感度较高。逼近小行星的控制除需要高精度轨控，同时对轨控策略的可靠性要求较高。

嫦娥二号卫星使命轨道之一是100km*15km椭圆轨道，由于卫星在近月点的高度低、速度快，若轨道控制的误差较大，就会导致近月点位置发生变化，而偏离兴趣目标区域，也影响连续的测控条件保障；如果过大，甚至有卫星撞击月球的风险。因此嫦娥二号的轨道控制必须足够精确。第1次近月点制动具有唯一性，必须在近月点附近进行减速，否则卫星将飞离月球，要想重新到达月球附近需要花费大量的燃料和时间，甚至根本无法实现；且可靠的控制、稳定的运行,可节省燃料预算余量和减少燃料使用,是实施扩展任务的基础,因此对卫星提出了高可靠的要求.为确保变轨按计划及时执行，考虑到恶劣情况，在没有地面测控支持时，卫星也要具有一定的自主变轨的能力。特别是对扩展任务中的行星际飞行，远离地球千万千米之外，实时地获取地面支持更不可能，因而提出了自主容错及故障处理的能力。

七、工程意义

1、技术突破

（1）设计并验证了后续着陆任务中动力下降前的所有轨道与机动飞行控制技术，直接进入地月转移轨道、首次使用X频段测控、对嫦娥三号着陆区进行高分辨率成像。

（2）针对月球不均匀重力场及高起伏地形环境，突破月球拟冻结轨道设计、卫星自主惯性对准、机动轨道拼接等关键技术，首次成功实现100km圆轨道和100km×15km轨道飞行，首次实现在月球背面无测控条件下主发动机点火变轨。卫星轨道控制精度最高达到0.02%。

（3）在国际月球探测中，首次采用时间延时积分（TDI）成像技术，设计了由地面行频数据注入和测高数据辅助两种速高比补偿成像方法，获得了7m分辨率的全月球立体影像；获得了1.3m分辨率的局部影像，达到国际先进水平。

（4）创新研制首台基于统一载波体制的X频段高灵敏度数字化测控应答机，实现了深空探测领域星载测控技术的多项突破。在轨试验验证了X频段深空测控体制和技术。突破了差分单向测距（DOR）干涉测量、X频段数字化应答机和地面S/X双频段测控设备研制等关键技术，测速精度达到1mm/s、测距精度达到1m，实现了7.8125bps极低码速率遥控

（5）突破微小型智能化设计技术，首次实现了地月空间飞行过程监视成像。首次实时获取了太阳翼展开、天线展开/转动、主发动机点火等关键环节的动态图像，为后续重要飞行事件提供了可视化手段。

（6）首次在航天工程中于空间段应用了LDPC编译码，编码增益和效率等主要指标优于国际（CCSDS）标准，提高了中国在国际深空信道编译码领域的地位和话语权。

（7）首次在轨验证了推进系统高压气路长寿命技术，为高强度（时间跨度半年以上，次数10次以上）轨道机动及后续L2点、小行星探测试验奠定动力基础。

（8）首次突破探测敏感器、载荷一体化技术，利用成像敏感器完成星地大回路导航试验。

（9）在地月星和日地星双三体复杂环境下，针对日、地引力平动点摄动复杂、轨道设计无解析解、测控距离远等难点，攻克了非线性系统流形设计、低能量转移轨道控制等技术,实现了从月球轨道飞赴L2点的轨道设计、飞行控制和远距离测控通信。在国际上首次实现从月球轨道飞赴日-地拉格朗日L2点探测。开展了对地球远磁尾离子能谱、太阳耀斑爆发和宇宙伽马爆的科学探测。使我国成为继美、欧之后第3个实现L2点开展空间探测的国家。

（10）突破距地1000万千米远的深空轨道和测控通信技术，首次实现行星际飞行。基于能量、距离和时间及目标物理特性等强约束，提出潜在小行星目标选取策略，在国际上首次设计并实现了逼近飞越探测方式及基于高速交会渐远点凝视成像技术。国际上首次成功逼近飞越4179图塔蒂斯小行星并获取3m分辨率光学彩色图像。

（11）创新利用拉格朗日点伴地绕日特性，在卫星推进剂、星地通讯距离、地面大天线进度等约束条件下，国际上首次实现从拉格朗日点转移飞越小天体。

（12）通过创新设计、全面验证、精心实施,充分利用卫星剩余资源，发挥卫星潜能，从月球到L2再到图塔蒂斯，实现了具有国际特色和水准的多目标多任务探测，取得了“好、快、省”的突出实效。

（13）通过对以往研究成果的转化、应用，开展国内外多站专项观测，实现了目标小行星定轨和预报，精度达到国际先进水平。

2、科学成果

嫦娥二号携带了CCD立体相机、伽玛谱仪、太阳风离子探测器、高能粒子探测器等7种科学载荷，获取了高分辨率全月球影像、虹湾地区局部影像以及地月空间等约6TB原始数据，按照中国探月工程科学数据发布政策，已分级发布给包括港澳在内的中国相关高校和科研院所，将带动中国月球和空间科学的深化研究科学数据的分析研究。现已取得了空间分辨率7m的全月球图像、多种元素月面分布图等多项重要科学成果。科学数据的分析研究是个长期的过程，经过一段时间的研究，基于嫦娥二号获取的数据，科学家们会进一步深化对月球科学及空间科学的认识和理解，为解答月球和太阳系起源等科学问题，得到更多的创新成果。

2012年12月13日16时30分，嫦娥二号卫星经过200d的跋涉和5次中途修正，与“图塔蒂斯”近距离擦身而过，并成功获取高分辨率完整图像。该任务的成功实施创造了多项纪录：第一次从拉格朗日点出发进行小行星探测；第一次对“图塔蒂斯”进行近距离探测；第一次获取关于“图塔蒂斯”的高分辨率光学影像。

通过“嫦娥二号”的任务及拓展实验，获得了“嫦娥三号”的预选着陆区——虹湾地区的高分辨率图象；验证了在月球背面不可看到的情况下，采用主发动机大推力自主轨道的机动技术，为“嫦娥三号”软着陆进行了技术验证，也奠定了良好的基础。

CCD立体相机获得了月球虹湾地区的35轨空间分辨率约为1.3m的局域立体图像，以及7m空间分辨率、100覆盖的全月立体图像，是迄今为止国际上分辨率最高、最清晰的全月立体图像。

关于嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略到此分享完毕，希望能帮助到您。