“嫦娥五号”探测器有效载荷分系统设计

周昌义，王 赤，李慧军，孙辉先，江源源，何志平，周 斌，杨建峰，周维佳，胡永富，范开春，徐欣锋，周 晴，王 雷，张宝明

（1.中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083；3.中国科学院 电子学研究所，北京 100190；4.中国科学院 西安光学精密机械研究所，西安 710068；5.中国科学院 沈阳自动化研究所，沈阳 110016；6.航天科技集团第五〇八研究所，北京 100190；7.航天科工集团第四研究院，武汉 430040）

引 言

“嫦娥五号”（Chang'E-5，CE-5）任务是中国探月工程三步走的收官之作[1]于2011年正式立项，主任务和工程目标为月球样品采样返回。在“嫦娥五号”着陆器上分配了18 kg的重量，用于有效科学载荷分系统设备，以实现“嫦娥五号”任务就位探测的科学目标[2]。“嫦娥五号”探测器是中国迄今为止发射的最复杂的航天器，从发射到返回要经历11个飞行阶段，各阶段环环相扣，任何一个环节的差错，都将导致任务失败。

“嫦娥三号”（Chang'E-3，CE-3）和“嫦娥四号”（Chang'E-4，CE-4）的有效载荷分布在着陆器和巡视器上[3-5]携带的光学设备和测月雷达等通过巡视器的移动，对移动路径上的目标进行就位探测，“嫦娥五号”有效载荷全部安装在着陆器上，着陆器着陆后不能移动，只能通过转台、指向转动机构、多天线电扫描等方式解决探测范围受限的问题。

探月三期“嫦娥五号”探测器的科学目标为采样区就位探测，为有选择地进行月壤取样提供依据，建立现场探测数据与返回样品的实验室分析数据的联系，具体目标包括：①采样区月表形貌和地质构造调查；②采样区月球浅层内部结构探测；③采样区月表物质成分和资源勘察；④月球样品的分析研究，对月球样品进行系统的实验室研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成，对月球成因和演化历史进行研究。有效载荷除完成采样区现场就位探测科学目标外，还需完成月面国旗展示，为月面表取和钻取采样工作提供支持等工程任务。有效载荷作为探测器的一个分系统，设计过程中需解决重量体积功耗严格限制、发射和着陆时力学冲击、奔月过程温度低、月午环境温度高、月面工作时间短、可靠性安全性要求高、各载荷需协同工作等一系列难题。

本文介绍了“嫦娥五号”探测器有效载荷分系统的科学目标及工程任务、系统组成、主要技术指标和原理设计，通过单机及分系统层面的减重设计、热设计、集成设计，满足了任务需求，圆满完成了任务。

1 有效载荷分系统组成

“嫦娥五号”有效载荷分系统由降落相机、月球矿物光谱分析仪、月壤结构探测仪、全景相机、全景相机转台、国旗展示系统、载荷数据处理器共7台套设备组成，按功能可以划分为科学类载荷及工程支撑类载荷如图1所示，各载荷任务和主要功能如表1。

图1 有效载荷分系统组成Fig.1 Composition of payload subsystem

表1 有效载荷任务和主要功能Table 1 The tasks and the major functions of the payloads

2 有效载荷分系统主要技术指标

2.1 降落相机主要技术指标

降落相机在着陆器动力下降段，获取着陆区域光学图像，用于分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况，降落相机主要技术指标为

1）成像距离/m：4～∞

2）有效像元：

模式1：2 352×1 728

模式2：1 024×1 024

3）视场角：

模式1/（°）：59×45

模式2/（°）：27.5×27.5

4）帧频/fps：1

5）数据压缩比：

模式1∶4倍压缩

模式2∶8倍压缩

6）量化值/bit：8

7）平均峰值信噪比/dB：40

8）静态传函：≥0.2

2.2 月球矿物光谱分析仪主要技术指标

月球矿物光谱分析仪在探测器落月后对表取采样区域进行就位探测，获取表取前后的可见和红外反射光谱，月球矿物光谱分析仪主要技术指标为

1）光谱范围/nm：480～3 200

2）光谱分辨率/nm：5～25

3）探测距离/m：2～5

4）指向精度/（°）：优于0.2

5）视场角/（°）：≥3×3

6）信噪比/dB：

≥40（最大信噪比）

≥30（反照率0.09，太阳高度角45°）

7）量化值/bit：10

2.3 月壤结构探测仪主要技术指标

月壤结构探测仪是一种月壤表面穿透探测雷达，用于获取钻取区域的月壤地质结构，月壤结构探测仪主要技术指标为

1）发射机脉冲幅度/V：≥10

2）发射机脉冲半高宽度/ps：≤200

3）发射机脉冲重复频率/Hz：≥1 000

4）接收机工作频带/MHz：500～4 000

5）接收机输入动态范围/dB：≥80

6）收发天线中心频率/MHz：2 000

7）收发天线工作带宽/MHz：≥2 000

8）收发天线驻波系数：≤2

9）探测深度/m：≥2

10）层析分辨率/cm：优于5

2.4 全景相机主要技术指标

全景相机用于获取月表图像，提供三维重构所需的视觉信息，能静态拍照和动态摄像，主要技术指标为

1）成像距离/m：0.5～∞

2）有效像元数量

静态拍照：2 352×1 728

动态摄像：720×576

3）视场角/（°）：24.4（圆视场）

4）帧频/fps：1～5

5）量化值/bit：10

6）信噪比/dB

≥40（最大信噪比）

≥30（反照率0.09，太阳高度角30°）

7）静态传函：≥0.2

8）视场畸变：优于1%

2.5 全景相机转台主要技术指标

全景相机转台承载两台全景相机，能进行俯仰和偏航二维转动，主要技术指标为

1）承载重量/kg：≥1.35

2）俯仰运动范围/（°）：−85～+30

3）偏航运动范围/（°）：−90～+90

4）指向精度/（°）：优于1（3σ）

5）转速/（r•min-1）：≥0.5

2.6 载荷数据处理器主要技术指标

载荷数据处理器为全景相机、全景相机转台、月球矿物光谱分析仪提供二次电源并控制其运行，提供扩展的遥控和遥测资源，为全景相机进行图像压缩，缓存载荷数据，主要技术指标为

1）扩展遥控指令7路，扩展遥测16路；

2）可对全景相机静态图像进行不压缩、4倍压缩、8倍压缩，动态图像进行16倍压缩；

3）接收全景相机数据码速率/Mbps：40+40；

4）接收月球矿物光谱分析仪数据码速率/Mbps：4；

5）数据输出码速率/Mbps：8；

6）缓存容量/GB：4；

7）与转台、全景相机、月球矿物光谱分析仪通信RS422波特率：115 200；

8）与探测器通信1553B接口码速率/Mbps：1。

3 有效载荷系统设计与实现

“嫦娥五号”探测器要面对真空、奔月过程高低温交替、月面高温、着陆时月尘、月面1/6 g重力、空间辐射、发射和着陆时的力学冲击等环境。有效载荷分系统各单机采取了相应的应对措施。载荷数据处理器对全景相机、全景相机转台、月球矿物光谱分析仪进行集中供电、运行管理、图像压缩和数据处理。

3.1 减重设计

“嫦娥五号”探测器分配给有效载荷分系统的总重量只有18 kg，要用这有限的重量完成分系统任务，必须进行集成减重设计，主要的减重措施包括：

1）由载荷数据处理器集中给全景相机、全景相机转台、月球矿物光谱分析仪提供二次电源，提供数据采集、缓存、处理功能，从系统角度减轻重量；

2）各设备机箱结构使用低密度镁合金材料，采用薄壁异性结构，尽量减轻重量；

3）紧固件使用钛合金材料；

4）全景相机接口板采用碳纤维材料；

5）使用大规模集成电路，减少分立器件的使用，缩小设备体积；

6）分系统与探测器通信使用1553B总线，分系统内部使用RS422通信，减轻电缆重量；

7）分系统内部使用超轻双绞、屏蔽双绞和同轴电缆进行连接，减轻电缆重量；

8）使用轻小型化连接器。

3.2 热设计

探测器在奔月过程中要经历高低温交替环境，在月面着陆后要经历月面高温环境，为保证有效载荷奔月过程设备完好和落月后正常工作，采取了以下适应性设计措施：

1）降落相机、全景相机、月球矿物光谱分析仪等舱外设备采用聚酰亚胺镀膜多层材料包敷；

2）为应对奔月过程的低温环境，全景相机、降落相机设计了加热片可对设备进行升温；

3）全景相机为应对月面高温，在相机顶部采取了OSR散热措施，当温度过高时，将OSR调整到朝向冷空，进行散热；

4）月球矿物光谱分析仪内部的可见、近红外、短波红外和中波红外红外探测器设计了半导体制冷器，工作时进行降温；

5）全景相机转台为应对月面高温，在壳体上涂有热控白漆，将设备温度控制在可适应范围内；

6）通过特殊织物材料、染料选用，设计了宽温度范围纺织品面料国旗；

7）通过主装药选用，实现了宽温度范围压紧释放装置。

3.3 集成设计

图2是有效载荷分系统框图，着陆器平台为有效载荷提供母线电源和指令电源，为1553B总线通信接口。降落相机开机即工作，低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）将图像数据发送到着陆器综合电子系统。月壤结构探测仪的科学数据量较少，直接通过1553B总线将数据发送至陆器综合电子系统。全景相机和月球矿物光谱分析仪数据量相对较大，由载荷数据处理器接收、处理、统一打包缓存后，通过LVDS将缓存数据发送到着陆器综合电子系统。

图2 有效载荷分系统框图Fig.2 Framework of Payload subsystem

3.4 降落相机设计

降落相机主要由光学镜头、图像传感器及外围电路、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、LVDS接口电路、SDRAM、DC/DC等部分组成。图3是降落相机系统框图。

图3 降落相机系统框图Fig.3 Framework of descending camera

降落相机在着陆器动力下降段开始工作，获取着陆区的光学图像，工作时间不超过30 min。降落相机加电即工作，采用自动曝光控制，不需要其他设备干预，获取的图像数据直接发送给着陆器数管。降落相机使用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）图像传感器，像元数2 352×1 728。降落相机具有两种工作模式，两种工作模式循环交替。上电首先自动进入工作模式一，工作5 s后，切换为成像模式二，模式二工作1 s后切换回模式一，6 s完成一次循环。

成像模式一：有效像元数：2 352×1 728，图像压缩比：4∶1，每秒生成一幅图像。

成像模式二：有效像元数：1 024×1 024，图像压缩比：8∶1，成像模式二是在模式一图像中间开窗。

模式一和模式二的图像数据分别通过两路LVDS发送给着陆器综合电子系统，模式二的数据在着陆时实时下传至地面，模式一的图像数据量较大，受降落时实时下行信道限制，只能在着陆后下传至地面。

由FPGA完成图像采集时序控制、自动曝光算法、图像压缩、图像缓存和图像数据输出。

3.5 月球矿物光谱分析仪设计

月球矿物光谱分析仪的探测光谱范围为480～3 200 nm，分为4个谱段进行探测，如表2。

表2 月球矿物光谱分析仪探测谱段Table 2 spectrum range of lunar mineral spectrometer

月球矿物光谱分析仪由二维指向机构、前置光学组件、可见近红外AOTF（Acusto-Optic Tunable Filter）、短中波红外AOTF、CMOS探测器、近红外探测器、短波红外探测器、中波红外探测器、AOTF驱动单元、红外处理单元、电子学主控单元、光学系统、定标板等组成，月球矿物光谱分析仪系统框图如图4所示。

图4 月球矿物光谱分析仪系统框图Fig.4 Framework of lunar mineral spectrometer

由FPGA完成RS422通信、超声电机控制时序、制冷器控制逻辑、AOTF驱动信号控制、可见探测器图像采集时序、红外光谱采集时序和采集数据的LVDS发送。

使用声光可调谐滤波器AOTF进行光谱分光，光谱分辨率5～25 nm，实现480～3 200 nm谱段的光谱选择。由二维指向机构选定目标，在采样前后进行精细的光谱探测以及指定谱段的光谱成像，按一定的采样间隔，获取可见光谱图像及全谱段光谱数据。

3.6 月壤结构探测仪设计

月壤结构探测仪是一种月壤表面穿透探测雷达，由控制器、发射机、接收机、电源、扫描及内定标单元、收发天线阵等组成，图5是月壤结构探测仪系统组成框图。月壤结构探测仪设计了12个收发天线，安装在着陆器的底部，形成天线阵，每个天线既可以接收也可以发射，12个天线的位置布局如图6所示。由FPGA实现1553B通信控制、电扫描及内定标控制、回波采集控制、遥测采集控制等。

图5 月壤结构探测仪系统组成框图Fig.5 Framework of lunar regolith penetrating radar

图6 月壤结构探测仪天线安装位置图Fig.6 Antennas Position of lunar regolith penetrating radar

发射机输出皮秒级窄脉冲信号，由开关矩阵选择发射天线和接收天线，某天线发射时，其他11个天线分别接收，轮流工作一遍，共产生132道数据，图7是天线电扫描工作示意图。通过对132道数据的分析处理，可获得天线阵下方月表浅层内部结构信息。

图7 天线电扫描示意图Fig.7 Schematic diagram of antennas electrical scanning

3.7 全景相机设计

全景相机由光学镜头、CMOS图像传感器及外围电路、FPGA、LVDS接口电路、RS422接口电路、SDRAM、LDO等部分组成。图8是全景相机系统组成框图。由FPGA实现CMOS图像采集时序、自动曝光控制、RS422通信时序、图像数据缓存与发送等功能。

图8 全景相机系统组成框图Fig.8 Framework of panoramic camera

有效载荷设计了两台全景相机，安装在转台上，两台相机基线距离270 mm，内扣角3.5°，成像距离0.5 m～∞，静态拍照有效像元数量2 352×1 728，动态摄像时，可在任意位置开窗口，有效像元数量720×576。

3.8 全景相机转台设计

全景相机转台由两自由度转台本体和电子学部分组成，转台关节由步进电机和行星减速器驱动。图9是全景相机和转台组合体示意图。转台运动范围，俯仰–85～+30°，偏航–90～+90°，发射时由火工品将两个活动关节锁定，落月后解锁。转台本体内部安装了初始位置限位开关，用于两个关节的零位校准。图10是转台电子学组成框图。由FPGA实现RS422通信时序、指令解析、步进电机驱动时序、恒流采集与控制、限位逻辑控制等功能。

图9 全景相机及转台组合体Fig.9 Panoramic camera and pan-tilt table

图10 全景相机转台电子学组成框图Fig.10 Framework of electronics of panoramic camera pan-tilt table

3.9 国旗展示系统设计

国旗展示系统设计了一面300 mm×200 mm的国旗和展开机构，发射时处于收拢状态，由火工品保持锁紧状态，在完成表取任务后火工品起爆展开，实现国旗展示。图11是收拢状态的国旗。

图11 收拢状态的国旗Fig.11 The folded national flag of China

3.10 载荷数据处理器设计

载荷数据处理器为全景相机、全景相机转台、月球矿物光谱分析仪提供二次电源、开关机控制及运行管理，接收全景相机图像数据，并对静态图像数据进行4倍压缩、8倍压缩，对动态摄像图像数据进行16倍压缩，对月球矿物光谱分析仪的数据进行打包缓存，通过LVDS接口发送科学数据和工程参数，通过1553B接口接收数据注入、校时信息，发送遥测参数，通过RS422接口与全景相机、全景相机转台、月球矿物光谱分析仪进行通信，发送参数设置、控制命令，接收工程参数。载荷数据处理器设计了自主运行程序，通过少量的数据注入命令，实现全景相机矩形自动扫描拍照，实现月壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪、全景相机、全景相机转台自主协同工作。图12是载荷数据处理器系统框图。

图12 载荷数据处理器组成框图Fig.12 Framework of data processor of payloads

4 结束语

“嫦娥五号”探测器于2020年11月24日发射，12月1日在月面着陆，12月3日从月面起飞，12月17日返回器顺利返回地球。期间，有效载荷分系统在轨自主、高效、协同工作，降落相机共拍摄2 352×1 728分辨率图像600多张，1 024×1 024分辨率图像150多张；月球矿物光谱分析仪完成了短波、中波、可见和近红外全视场光谱探测，三处表取点表取前后全波段光谱探测，石头目标全波段光谱探测等一系列探测工作；月壤结构探测仪获取了钻取区域次表层地质结构数据，为钻取提供了技术支持；全景相机与全景相机转台配合，开展了着陆区多次环拍工作，进行了国旗展开动态成像和静态拍照，完成了国旗独立展示工作，共获取静态图像700多幅，动态图像1 900多幅。

“嫦娥五号”探测器有效载荷分系统按要求完成了全部工作，圆满完成了“嫦娥五号”在轨探测任务。通过集成设计，有效减轻了分系统的重量，达到了轻小型化集成设计的目标，为后续深空探测任务奠定了技术基础。