李飛，張熇，吳學(xué)英，馬繼楠，盧亮亮

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2. 探月與航天工程中心，北京 100037）

月球背面地形對軟著陸探測的影響分析

李飛1*，張熇1，吳學(xué)英1，馬繼楠1，盧亮亮2

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2. 探月與航天工程中心，北京 100037）

相對于月球正面大面積平坦的月海區(qū)域，月球背面地形整體崎嶇復(fù)雜，因此地形地貌的變化會對探測器的軟著陸探測產(chǎn)生一定的影響。從任務(wù)設(shè)計、著陸器設(shè)計和月面工作程序3個方面分析了“嫦娥4號”著陸區(qū)南極–艾特肯盆地（South-Pole Aitken Basin，SPA），及其相對于“嫦娥3號”著陸區(qū)的變化，主要結(jié)論包括：1）著陸區(qū)范圍縮小，由“嫦娥3號”著陸區(qū)經(jīng)度范圍16.4°和緯度范圍3°，減小到經(jīng)度范圍約4°和緯度范圍約2°；2）動力下降策略更改，動力下降過程主減速段結(jié)束后，著陸器由斜向前運動軌跡改為接近垂直向下運動軌跡，同時更改測距敏感器的引入時機；3）提高微波測距測速敏感器信號發(fā)射功率和信噪比；4）著陸后需要預(yù)測著陸器的光照和測控被地形遮擋的情況，然后制定如休眠或月食模式等相應(yīng)策略等。通過以上優(yōu)化設(shè)計，“嫦娥4號”任務(wù)可適應(yīng)月球背面地形地貌的變化，有效降低著陸過程和月面工作的風(fēng)險。

嫦娥4號；月球背面；南極–艾特肯盆地；軟著陸；地形地貌

0 引 言

月球的軟著陸探測是一種就位的探測方式，相比于遙感探測，可以獲得更精細、更深入的探測成果，是人類開展月球科學(xué)研究和開發(fā)利用月球資源的重要手段；同時也是建立月球基地、開展載人登月等活動所必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。2013年12月15日，我國的“嫦娥3號”著陸器成功著陸月球正面虹灣地區(qū)，實現(xiàn)探月工程“繞、落、回”三步走“落”的目標，成為世界第三個成功實施月球軟著陸的國家[3]。

對于月球軟著陸探測任務(wù)，著陸區(qū)的分析是總體設(shè)計的首要工作，而著陸區(qū)地形地貌是著陸區(qū)分析最重要的方面之一，反過來又制約著陸區(qū)的選擇。對于探測器設(shè)計來說，著陸區(qū)地形地貌主要影響著陸導(dǎo)航控制策略的制定、推進能力的需求以及著陸緩沖的設(shè)計?！版隙?號”的著陸區(qū)位于月球正面的虹灣地區(qū)，為平坦月海地形，具有大面積較為平坦的區(qū)域，根據(jù)其高程變化規(guī)律，坡度、撞擊坑和石塊的分布情況開展了任務(wù)設(shè)計。

“嫦娥4號”探測器將實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸。月球背面分布著大量高地地形，在高地上遍布著大量撞擊坑和環(huán)形山。在背面的南部分布著著名的（South-Pole Aitken Basin，SPA）盆地，“嫦娥4號”任務(wù)的著陸區(qū)就選擇在南極–艾特肯盆地SPA內(nèi)。相比“嫦娥3號”任務(wù)的虹灣著陸區(qū)而言，SPA存在兩方面明顯差異：一是虹灣屬于平坦月海地形，而SPA屬于高地地形，更加崎嶇復(fù)雜，很少有大面積的平坦區(qū)域；二是由于SPA周邊高山較多，可能出現(xiàn)地形對著陸器的通信和光照的遮擋。

本文首先研究了月球背面SPA地形地貌的特點，然后分析了其對著陸探測任務(wù)的影響，重點分析了此次任務(wù)相對于“嫦娥3號”任務(wù)的變化，并根據(jù)變化在“嫦娥3號”設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化途徑。

1 月面背面地形特點

SPA的中心緯度位于40～60°S，中心經(jīng)度位于180°附近，直徑達2 000～2 600 km，是太陽系中規(guī)模最大、最古老的撞擊盆地，具有極高的科學(xué)研究價值[4-6]，如圖 1所示，虛線圓形區(qū)域內(nèi)為SPA地區(qū)?！版隙?號”和“嫦娥4號”著陸位置對比如圖 2所示。圖中顏色越深的區(qū)域表示海拔越低，顏色越淺的區(qū)域表示海拔越高，由此可見SPA明顯比周圍地形低很多，是月球上海拔最低的區(qū)域。

SPA同月球正面虹灣著陸區(qū)的主要區(qū)別如下：

1）地形崎嶇無大片平坦區(qū)域

SPA內(nèi)部地形復(fù)雜，大型撞擊盆地密布，難以找到大片的平坦區(qū)域，而“嫦娥3號”的虹灣地區(qū)月面經(jīng)緯度范圍分別為44.1 ± 1.5°N、18.2～34.6°W，面積廣大，整個區(qū)域地勢均較為平坦，如圖 3所示。

圖 1 南極–艾特肯盆地高程圖Fig. 1 The elevation map of the SPA Basin

圖 2 “嫦娥3號”和“嫦娥4號”著陸區(qū)位置分布圖Fig. 2 The landing sites of Chang’e-3 and Chang’e-4

圖 3 “嫦娥3號”和“嫦娥4號”著陸區(qū)高程圖Fig. 3 The elevation map of landing area of Chang’e-3 and Chang’e-4

2）著陸航跡的地形起伏

著陸過程中，著陸器飛行在月面上的航跡約450 km。在此過程中，需利用對月測距測速的信息作為著陸過程控制的導(dǎo)航信息。月球正面虹灣地區(qū)的航跡高程起伏變化小，最大約3 km，且單調(diào)性較好，由南向北地勢逐漸降低，如圖 4所示。橫軸表示著陸器從動力下降發(fā)動機點火開始直至著陸月面飛行的水平距離，縱軸表示高度變化（航跡約450 km，對應(yīng)高程差約0.85 km，高程基準為相對于1 737.4 km月球標稱半徑）。月球背面航跡的高程起伏相對正面增大到最大可達7 km。圖 5是一條典型航跡曲線（航程約450 km，對應(yīng)高程差約3.7 km，高程基準為相對于1 737.4 km月球標稱半徑），航跡高程先升高又降低，這會帶來導(dǎo)航信息的跳躍，給控制策略的制定帶來極大困難。

圖 4 月球正面虹灣著陸區(qū)典型航跡曲線圖Fig. 4 A typical trajectory elevation on the nearside of the Moon

3）月面物質(zhì)成分差異

各類月球探測器的探測數(shù)據(jù)表明[7-8]，SPA具有獨特的地球化學(xué)特征。SPA是月球背面氧化鐵（FeO）和二氧化鈦（TiO2）異常區(qū)域，含有較高的Fe、Ti元素。如圖 6所示，F(xiàn)eO的含量從盆地中央到邊緣逐漸降低，盆地內(nèi)的FeO含量較周邊高出7%；其內(nèi)部有些地方的TiO2含量有增強的現(xiàn)象。SPA中FeO平均含量約10 wt.%，TiO2的平均含量約1.5 wt.%[9]。

圖 5 月球背面著陸區(qū)典型航跡曲線圖Fig. 5 A typical trajectory elevation on the farside of the Moon

圖 6 月球背面FeO和TiO2豐度分布圖[9]Fig. 6 The abundance distribution of FeO and TiO2on the farside of the Moon[9]

月球正面的月海區(qū)域，F(xiàn)eO的含量一般大于11 wt.%，某些地區(qū)可以高達20 wt.%以上；TiO2正面平均含量在4 wt.%左右（如圖 7～8所示）。SPA中的FeO和TiO2的含量均低于正面，這會引起月面微波后向散射系數(shù)下降，將給微波測距、測速的敏感器的設(shè)計帶來一定的影響。

圖 7 月球正面和背面FeO豐度對比圖[10]Fig. 7 Orthographic projections showing the difference of FeO

圖 8 月球正面和背面TiO2豐度對比圖[10]Fig. 8 Orthographic projections showing the difference of TiO2

2 對月球軟著陸探測影響

地形地貌影響主要對任務(wù)設(shè)計、探測器設(shè)計和月面工作過程3個方面產(chǎn)生影響，主要說明如下。

2.1 任務(wù)設(shè)計影響

月球SPA內(nèi)地形崎嶇復(fù)雜，無法找到類似“嫦娥3號”的大范圍平坦的著陸區(qū)，因此要求“嫦娥4號”著陸區(qū)的選擇范圍在滿足各項軌道預(yù)報誤差、在軌控制誤差的情況下，盡可能縮小范圍，以尋求相對平坦的月面區(qū)域。相對于“嫦娥3號”，“嫦娥4號”將針對不同的發(fā)射窗口，設(shè)計不同軌道傾角的環(huán)月軌道，同時在環(huán)月期間增加軌道精細化調(diào)整；通過7 500 N變推力發(fā)動機的在軌精細標定，實現(xiàn)動力下降過程航跡的更高精度控制。最終實現(xiàn)著陸點散布在較為平坦的較小的范圍內(nèi)。

“嫦娥4號”著陸區(qū)在經(jīng)度方向上需考慮如下因素[11]：①考慮中途修正、近月制動等軌控誤差的影響，環(huán)月軌道傾角相對標稱設(shè)計值會存在一定誤差，需考慮該誤差在著陸區(qū)經(jīng)度方向的傳遞；②為進一步縮小著陸區(qū)經(jīng)度范圍，可考慮在100 km × 100 km環(huán)月運行時根據(jù)環(huán)月后軌道預(yù)報情況，擇機進行一次軌道面調(diào)整變軌機動，將著陸點經(jīng)度偏差縮減，會帶來少量速度增量的增加；③通過動力下降過程中打靶仿真，動力下降過程中導(dǎo)致的著陸區(qū)經(jīng)度方向存在千米級的偏差。

“嫦娥4號”著陸區(qū)在緯度方向上需考慮如下因素：考慮動力下降初始點軌道預(yù)報誤差、著陸器7 500 N發(fā)動機推力偏差等因素后，應(yīng)通過動力下降仿真打靶計算著陸區(qū)緯度方向的偏差。

綜上分析，“嫦娥4號”著陸區(qū)經(jīng)度方向范圍為±（1～2°），緯度方向范圍為 ±（0.5～1°）。

2.2 著陸器設(shè)計影響

2.2.1 著陸緩沖設(shè)計

通過對SPA內(nèi)小范圍著陸區(qū)的搜索，可以初步找到與虹灣著陸區(qū)小于8°的坡所占面積百分比接近的區(qū)域，而對于著陸器自主避障的能力保持不變，著陸月面的速度、加速度、姿態(tài)指標不變，因此對著陸緩沖的設(shè)計可不發(fā)生變化。

2.2.2 動力下降控制策略

“嫦娥3號”著陸器動力下降的控制策略為：首先由導(dǎo)航系統(tǒng)確定著陸器位置、速度、姿態(tài)等狀態(tài)；制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)給出制導(dǎo)目標；控制系統(tǒng)基于制導(dǎo)目標實現(xiàn)最終著陸軌跡控制。因此，導(dǎo)航數(shù)據(jù)的準確性是完成著陸任務(wù)的前提。在進行動力下降軌跡設(shè)計時，必須要考慮導(dǎo)航系統(tǒng)中測距敏感器數(shù)據(jù)引入修正的時機以及著陸的安全性。測距引入時要求具有一定的高度，以便留出足夠時間來處理純慣導(dǎo)誤差的影響，保證著陸安全。月面地形起伏越小，測距數(shù)據(jù)引入導(dǎo)航修正后，測距波束指向月面的地形變化越平穩(wěn)，對導(dǎo)航修正越有利，能夠保證整個導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定[12]。

動力下降的程序參考了Apollo系列[13]和ALHAT計劃[14]的飛行程序，設(shè)計了包括主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段和緩速下降段的軟著陸飛行程序。主減速段消減著陸器初始速度，快速調(diào)整段銜接主減速段和后續(xù)的接近段。針對軟著陸任務(wù)對落點安全和狀態(tài)安全的要求，提出了一種接力避障模式，將自主避障過程分為4個任務(wù)段：接近段、懸停段、避障段和緩速下降段，分別實現(xiàn)粗避障、高精度三維成像、精避障和著陸位置保持功能，形成了大范圍粗避障、小范圍精避障和著陸位置保持的接力避障過程。

對于“嫦娥3號”著陸區(qū)，在動力下降航跡范圍內(nèi)，地形整體平坦、起伏?。s2 km且單調(diào)變化），因此在主減速階段就引入測距數(shù)據(jù)，有利于及時修正慣導(dǎo)偏差，保證動力下降過程運動軌跡平穩(wěn)?！版隙?號”動力下降過程見圖 9（a）。

圖 9 動力下降過程比較圖Fig. 9 The power descent of Chang’e–3 and Chang’e–4

“嫦娥4號”著陸區(qū)為月球背面，相對“嫦娥3號”著陸區(qū)地形起伏程度明顯增加（約7 km且波動明顯），如仍采用“嫦娥3號”導(dǎo)航修正策略，由于主減速測距波束指向位置與最終實際落點位置不同，高程變化明顯，提前修正存在安全性風(fēng)險。因此需要優(yōu)化著陸過程中的分段控制目標和導(dǎo)航信息引入的時機，同時進行導(dǎo)航算法的優(yōu)化，避免地形大范圍起伏的影響：即在主減速段結(jié)束后由斜向前運動軌跡改為垂直向下運動軌跡，實現(xiàn)測距波束指向與著陸點位置基本一致后，再引入測距敏感器數(shù)據(jù)進行慣導(dǎo)修正，避免基于測距敏感器獲得的高度數(shù)據(jù)與著陸點地形高程不一致帶來的導(dǎo)航偏差導(dǎo)致的安全風(fēng)險，保證高度方向?qū)Ш浇Y(jié)果的正確性，實現(xiàn)安全著陸?！版隙?號”動力下降過程見圖 9（b）。

2.2.3 導(dǎo)航敏感器影響

月球背面后向散射系數(shù)的降低將對微波測距測速導(dǎo)航敏感器的回波特性帶來直接影響。月球背面微波后向散射系數(shù)減小直接導(dǎo)致回波信號減弱；測距、測速作用距離都將降低，因此需要通過提高微波測距測速敏感器信號發(fā)射功率和信噪比等方式補償，確?？梢垣@取有效的測距測速信息。

2.3 月面工作程序影響

“嫦娥4號”著陸區(qū)位于大型撞擊坑內(nèi)，同“嫦娥3號”虹灣著陸區(qū)相比，周圍地形可能會對著陸區(qū)產(chǎn)生遮擋，需進行光照與測控的遮擋分析。以SPA其中某一點為例，分析其周圍360°范圍內(nèi)的高程變化，得到遮擋仰角，如圖 10所示（為增加視覺效果，高程方向增加3倍）。

圖 10 遮擋角分析示意圖Fig. 10 The drawing of shielding angle

1）光照遮擋

圖 11是SPA中一點地形遮擋角和太陽高度角的對比圖。同一方位角下，若太陽高度角大于地形遮擋角表示月面地形不會對太陽光照帶來遮擋，反之表明將存在遮擋。結(jié)果表明，在一定的地形條件下，在晨昏時刻由于太陽高度角較小，地形對太陽的遮擋的可能性較大；在正午時刻，由于太陽高度角較大，對太陽遮擋的可能性較小。

圖 11 地形遮擋角和太陽高度角對比Fig. 11 The comparison of the shielding angle and solar elevation angle

如發(fā)生遮擋，則著陸器在遮擋期間無光照，導(dǎo)致無法利用太陽電池片發(fā)電給整器供電，只能采用蓄電池供電，且整器溫度會較快下降。如果時間較長，則會導(dǎo)致蓄電池耗盡，整器發(fā)生異常斷電的風(fēng)險。因此在軌任務(wù)過程中，著陸器著陸到月面以后，應(yīng)盡快確定自身的位置，通過地面的月球數(shù)字地形模型的分析，以及相機對周圍地形拍攝的照片的分析，初步預(yù)測出可能存在光照遮擋的方位和遮擋的時長。根據(jù)情況，考慮讓整器進入休眠狀態(tài)，或者設(shè)置整器進入月食模式，即關(guān)閉所有有效載荷設(shè)備，采用蓄電池短期供電，引入兩相流體回路加熱保溫。

2）測控遮擋

如果地形遮擋了測控鏈路，將直接導(dǎo)致著陸器無法收到地面發(fā)送的上行指令，地面也無法接收到著陸器下行遙測和數(shù)傳數(shù)據(jù)。對于月面正常工作情況下，可認為著陸器進入境外弧段，對整器安全沒有影響。但對休眠和喚醒過程，影響如下：

（1）針對休眠過程，“嫦娥3號”的休眠流程全部由地面判發(fā)執(zhí)行，若休眠前測控鏈路發(fā)生遮擋，則休眠流程不能執(zhí)行，著陸器、巡視器不能進入休眠狀態(tài)，導(dǎo)致著陸器、巡視器不能以安全的狀態(tài)度過月夜，在工作溫度和功率平衡兩方面都會對整器安全產(chǎn)生影響。因此自主休眠方面存在新的自主能力需求。著陸以后，預(yù)估在休眠時段地形是否存在遮擋，如有遮擋，則在中繼鏈路可見弧段注入休眠相關(guān)延時指令，休眠時刻到達后，延時指令自主執(zhí)行；

（2）針對喚醒過程，著陸器、巡視器均為自主喚醒，測控遮擋不影響兩器喚醒過程。喚醒后太陽高度角逐漸增加，供電功率逐漸增大，可確保整器的供電安全，但隨著太陽高度角增加，整器溫度也不斷升高，需要軟件自主關(guān)閉兩項流體回路閥門，將RTG/RHU向艙內(nèi)熱量導(dǎo)入的通路斷開，確保整器溫度。因此喚醒過程存在自主關(guān)閉兩相流體回路閥門的需求。

3 結(jié) 論

月球背面著陸區(qū)地形地貌同正面差異較大，因此不能完全繼承“嫦娥3號”的設(shè)計狀態(tài)，本文從任務(wù)設(shè)計、著陸器設(shè)計和月面工作程序設(shè)計3個方面開展分析，得到對著陸區(qū)范圍、動力下降控制策略、導(dǎo)航敏感器的設(shè)計和月面工作程序影響等方面的分析結(jié)論。后續(xù)應(yīng)在著陸區(qū)確定的情況下，對小范圍著陸區(qū)開展更為詳盡的分析，對遮擋情況進行遍歷，為“嫦娥4號”細化設(shè)計輸入。

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Influence Analysis of Terrain of the Farside of the Moon on Soft-Landing

LI Fei1*，ZHANG He1，WU Xueying1，MA Jinan1，LU Liangliang2
（1. Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2. Lunar Exploration and Space Program Center，Beijing 100037，China）

Chang’e-4 probe is planned to land on the farside of the moon for the first time of the human being. Compared to the nearside of the moon, the terrain on the farside of the moon is rugged and complex, and there is no large flat area, so the change of the terrain will affect the soft-landing of Chang’e-4. The Chang’e-4 landing site on the South-Pole Aitken Basin is analyzed and compared wth the landing area of Chang’e-3 mission, considering the influences ofthe mission design, the lander design and the lunar working procedure. The main conclusions are as follows: 1) The latitude and longitude range of the landing area is reduced from 16.4° and 3° for Chang’e-3 mission to about 4° and 2° for Chang’e-4 mission; 2) During the power descent phase, the strategy after the main deceleration phase is changed from the oblique forward motion trajectory to the vertical down trajectory, and the operation time of the distance measuring sensor is also changed; 3) The signal transmission powers and signal to noise ratios of the microwave ranging and velocity sensor will be improved; 4) The lighting of the lander and the communication by the terrain occlusion will be prediected, and the design operation strategies such as sleep mode or eclipse mode will be established. Through the modification, Chang’e-4 mission can be adapted to the changes in the topography of the farside of the moon to reduce the risk of landing and lunar mission.

Chang’e-4；farside of the moon；South-Pole Aitken Basin；soft-landing；terrain

V476.3

A

2095-7777（2017）02-0143-07

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.007

李飛（1980– ），男，高級工程師，主要研究方向：月球與深空探測總體設(shè)計。

[責(zé)任編輯：高莎，英文審校：朱魯青]

李飛，張熇，吳學(xué)英，等. 月球背面地形對軟著陸探測的影響分析[J]. 深空探測學(xué)報，2017，4（2）：143-149.

Reference format: Li F，Zhang H，Wu X Y，et al. Influence analysis of terrain of the farside of the moon on softlanding [J]. Journal of Deep Space Exploration，2017，4（2）：143-149.

2017-03-13

2017-03-28