火星探测器

YH-1火星探测器各分系统设计简要介绍

YH-1火星探测器是我国独立研制的第一颗火星探测器，其研制周期短(仅

为23 月) ，技术难度大。如超远距离( 3. 56 亿公里) 测控通信技术，要求星上

能接收非常微弱的信号，星上接收机具高灵敏度；通信信号以光速往返需约40 min，要求星上具有姿态确定和高度自主的控制能力；入轨后太阳阵压紧 11个

月后展开释放及部分电子器件的休眠唤醒技术；环火2 个月后面临7 轨共 21 d，最长 8. 8 h 的长火影影响，要求具超低温控制和休眠唤醒技术；探测器总质量小于 115 kg，要求采用整星小型化、轻型化技术；采用整星甚低剩磁控制技

术等。因此，YH -1火星探测器面临特殊环境设计的多种技术难点。

作为我国独立研制的第一颗火星探测器，YH-1火星探测器对后续的火星探

测器的设计具有很高的参考价值。本文对YH-1的各个分系统进行简要介绍。1. 任务分析

1.1 任务功能、组成及主要技术指标

火星是位于地球轨道外侧最近的一颗行星。通过探索火星, 人类希望建立

第二家园和寻找地球以外的生命。火星研究主要包括磁场、大气与气候、空间

环境、地貌和水消失的痕迹等。火星围绕太阳公转1年需687d, 而地球围绕太

阳公转1 年365d, 因此火星与地球每2 年有1 次靠近机会。火星距地球表面最

近处5.670 *107 km, 离地球表面最远处3. 559 4*108 km。火星的光强仅为地

球的43.1%。火星探测器从发射至抵达火星轨道需飞行10. 5~11. 5 月。YH-1

火星探测器将环绕火星轨道探测火星的空间环境, 对火星的空间磁场、电离层

和粒子分布及其变化规律, 表面物质粒子等进行科学研究。

1.1.1 任务功能

YH-1 探测器的主要任务功能有:研究火星的空间环境,如火星的弓激波和磁鞘等；探测火星空间环境,包括火星磁层的形状与结构、各空间区域等离子体特性与分布；火星电离层密度剖面，特别是首次探测正午和子夜电离层区域的特性及背阳面电离层的产生机制；研究火星离子逃逸的物理过程、输运机制,探索火星表面水损失途径和机制,以及空间环境对可能存在的火星生命影响；针对太阳风与有弱内禀磁场的火星空间环境的相互作用,开展比较行星学研究,以更好地认识地球的空间环境。除自身的科学探测和光学成像外,YH-1火星探测器将与俄FGSC 火星探测器联合进行首次国际火星电离层的掩星探测, 如图1所示。图中: S1为大椭圆轨道的中方YH-1探测器；S2为俄罗斯FGSC探测器。掩星接收机接收俄FGSC飞行器上的信标信号,测量信号幅值和载波相位。通过地面后处理,获得火星电离层的电子密度和总电子含量。图1为YH-1与俄罗斯FGSC 火星探测器开展掩星探测轨迹。

图 1 YH -1 与俄罗斯 FGSC火星探测器开展掩星探测轨迹

1. 2 组成

YH-1 火星探测器有效载荷包括离子分析器I、II,电子分析器,掩星接收，磁强计A/ B和光学成像仪I、II等8台有效载荷。

YH-1 火星探测器由探测器本体和太阳电池阵组成。探测器本体为六面体, 外形长750 mm *宽750 mm *高600 mm;太阳电池阵展开后长6.85 m,如图2

所示。通过甚长基线干涉测量( VLBI) 测轨+ 多普勒单向测速方法获取空间位置参数以确定探测器轨道; 数传分系采用直接对地球通信方式。高增益数传天线最大直径950 mm。探测器由综合电子及有效载荷数管计算机实现整星管理、运算和控制。星体内部主要安装有效载荷、电源、姿控、测控数传和综合电子等分系统, 星体外部安装有效载荷传感器、姿态敏感器、推力器、接收天线和发射天线等部件。为满足有效载荷正常工作和深空通信对姿控的要求, 探测器正常运行期间采用星敏感器+ 惯性基准测量姿态, 由4个反作用飞轮组成零动量控制方式实现对日、对地、对火和对俄FGSC 探测器定向的三轴稳定姿态控制。

图 2 YH -1 火星探测器构型

1. 3 主要技术指标

探测器总体主要技术指标为:发射质量小于115 kg；六面体；功率,在轨运行段长期150W,短期200W；大椭圆轨道；轨道倾角0b~ 5b；近火点高度

400~ 1 000 km,远火点高度74 000~ 80 000 km；姿控采用零动量控制三轴稳定,氨气推进；电源采用全调节母线电源控制方式,双翼三结砷化镓太阳能电池,

面积4.674m2 ,锂离子蓄电池；测控数传,X频段,CCSDS规范;31750CPU中央数

据处理器；板式结构；被动热控为主，辅以主动热控；可靠性0.65( 寿命末期)；寿命, 暂定1年。

2. 姿态轨道控制分系统

YH-1火星探测器是一颗三轴稳定控制卫星其姿态控制分系统以三轴稳定方

式控制器体姿态进行火星成像（对火定向）、获取能源（对日定向）、对地数

传（对地定向），以及控制器体指向空间的某一方位（掩星科学试验）等。姿

态确定系统根据控制模式采用不同的姿态确定算法：在粗对日模式下通过星体

模拟太阳角计获取姿态信息，在其他模式下根据陀螺测量信息计算姿态，并使

用星敏作周期性修正。姿态控制分系统主要使用反作用飞轮的比例积分微分（PID）控制和喷气开关控制。此外，喷气执行机构还用于动量卸载。

2.1 分系统特点

YH-1火星探测器姿态控制分系统工作模式的设置和分系统控制方案的设计

与其任务要求密切相关。与地球轨道卫星相比，火星探测器姿态控制分系统有

以下特点：

ａ）因所处环境温度变化范围较大，系统单机须具备相应的适应能力，如飞轮

能在-30℃低温下启动等。

ｂ）探测器本体安装有与地面通信的窄波束高增益天线，因此在稳态运行阶段

须保持高精度的地球指向控制。

ｃ）YH-1火星探测器距离地球3.8亿千米，上行指令往返1次耗时约40min在

初始分离轨阶段和长期在轨运行阶段，无法像常规地球卫星那样使用地面测控

支持手段，需依赖系统的自主控制能力，维持在轨正常运行。