美国火星计划相关

空间探索“金星快车”探测器的
科学仪器及系统
□□2005年10月26日,欧洲将使用俄罗斯火箭发射“金星快车”探测器,本文将对该探测器的科学仪器及一些分系统进行较为详细的介绍。

1　仪器
111　空间等离子和高能原子分析仪-4 (ASPERA-4)
ASPERA-4是一种高能中性原子成像仪,用于研究高能中性原子、离子和电子。

其任务包括:①研究太阳风和金星大气的相互作用;②定量描述等离子体对大气的撞击情况;③确定等离子和中性气体的全球分布;④确定大气中各种成分所占的比例,并定量描述大气的流量;⑤研究金星环境周围的等离子区域;⑥提供没有受到干扰的太阳风的参数。

ASPERA-4使用了“火星快车”上ASPERA-3的设计,能够适应可能遇到的热和辐射环境。

ASPERA-4主要包括4台传感器(分别为中性粒子成像仪、中性粒子探测器、离子质量分析仪和电子分光计)、机械扫描仪及数字处理单元。

(1)中性粒子成像仪是一种简单的高能中性原子方向分析仪,用于研究高能中性原子的流量。

其角分辨率高,能够产生高能中性原子的图像。

(2)中性粒子探测器用于测量高能中性原子的速率和质量。

它包括2台相同的针孔相机,每台的视场是90°。

(3)离子质量分析仪是质量分解光谱仪,能够测量主要的离子成分(H、H2、He和O)。

它用于确定特定能量范围内的进入离子的质量频谱,其频谱的质量范围和分辨率是可选择的。

(4)电子分光计用于测量电子能量。

它能够确定进入电子的能量频谱。

4台传感器的性能指标见表1。

表1　ASPERA-4的4台传感器的性能指标
特　性中性粒子成像仪中性粒子探测器离子质量分析仪电子分光计测量的粒子高能中性原子离子电子能量范围/keV011～60011～100101～400101～20能量分辨率(ΔE/E)—0180110107质量分辨率—区别H和O M/ΔM=5—内视场9°×344°9°×180°90°×360°10°×360°角分辨率(半最大值全波)416°×115°5°×30°5°×2215°5°×2215°
(5)机械扫描仪
当探测器达到3轴稳定时,机械扫描仪扫描安装在其上的3台传感器(范围是180°)。

扫描仪的有效载荷能够进行任意角度的旋转,从而完成连续不断的扫描,其转速为115(°)/s、310(°)/s和610(°)/s。

该系统的角定位精度为012°。

(6)数字处理单元
它的主要任务是控制传感器和机械扫描仪。

它能处理、压缩和存储传感器的数据,并将这些数据和状况数据一起传给卫星遥测系统。

它也要接收和执行发送给ASPERA-4的指令。

112　磁力计(MA G)
MA G用于测量探测器周围的磁区,测量磁区强度和方向。

它可以连续不断地收集磁区以及金星、等离子区的信息。

这些信息能确定不同等离子区的边界,研究金星太阳风和大气层的相互作用,为其他仪器的测量提供数据,提供粒子和电波研究(如闪电和行星的离子截获处理),绘制具有较高时间分辨率的磁性能图。

MA G能在DC～32Hz的频率范围内对金星周围的磁区进行三维测量。

它包括2台3轴感应式磁传感器和1个电控单元。

外侧传感器MA GOS安装在探测器外表面;舱内传感器MA GIS安装在1m长的可展开桁架末端。

使用2台传感器能够减少探测器内在磁区对测量的影响。

MA G的数据处理单元用于控制2台传感器和探测器的试验接口,并进行内部数据的处理,包括取样、预处理、压缩和产生帧。

表2为MA G的性能参数。

表2　MAG的性能参数
项　目最小范围缺省范围最大范围磁区测量范围(每个轴)/n T±3218±262±833816磁区分辨率/p T18128静态磁区补偿/μT±10±10±10
113　行星傅里叶分光计(PFS)
PFS属于红外分光计,运行在019～45μm波长范围,主要进行金星大气垂直方向的可见光探测。

其任务是:对低层大气的三维温度区进行全球、长期监控(从云高到100km高度);对已经了解到的较少量的大气成分进行浓度和分布测量;搜寻未知的大气成分;通过大气浮质的可见光特性确定其大小、分布和化学成分;考察大气的辐射平衡和浮质对大气能量学的影响;研究大气的全球循环、中尺度动力学和电波现象;研究金星表面与大气的交换过程。

表3为PFS 的性能参数。

表3　PFS的性能参数
项　目短波长信道长波长信道光谱范围/μm019～313510～45
光谱分辨率/(cm-1)22
光谱分辨能力(λ/Δλ)5500～15001000～100视场/mrad3570
114　金星大气特性研究分光计(SPICAV) SPICAV主要测量大气的臭氧成分。

此外,该分光计通过利用恒星的掩星技术,提供二氧化碳、臭氧和尘埃的垂直剖面图。

SPICAV包括1台红外分光计,依靠吸收太
阳的红外辐射探测大气的化学成分(如水、一氧化碳和硫化氢)以及微量气体(如甲烷和乙烷)。

所有的这些测量数据是研究金星大气气象学和动力学的基本信息。

SPICAV源自“火星快车”的紫外和红外大气光谱仪(SPICAM,包括紫外和红外2个信道)。

SPICAV保留了这2个信道,并且增加了1个信道———红外太阳掩星信道,用于在更长的红外波长范围内(118～4μm)观测太阳穿越金星大气的情况。

表4为SPICAV的性能参数。

表4　SPICAV的性能参数
项　目紫外线信道红外线信道红外太阳掩星信道光谱范围/μm0111～0131017～117118～4
光谱分辨率018nm015～1nm012～015cm-1光谱分辨能力(λ/Δλ)约300约1300约15000视场(55×817)rad012弧度/像素013～3rad
115　金星无线电探测仪(VeRa)
VeRa是无线电科学仪器,它利用“金星快车”无线电子系统对隐藏的中性和电离的大气进行测量,确定金星表面绝缘体的性能,观测金星重力的异常。

VeRa使用“金星快车”上装载的转发器进行无线电发射和接收,但是发射信号是由它本身的超稳定振荡器产生的。

无线电波直接穿透电离层或者被金星表面反射,然后由地球上的地面站接收。

振荡器使用了“罗塞塔”上的射电科学研究(RSI)仪器的设计方案。

VeRa的任务是:
・对金星的电离层进行无线电探测(掩星试验),从80km到电离层(300～600km),以得到垂直电离层电子的密度廓线,并且根据电离层随天气和季节的变化和它对太阳风的依赖情况,分析金星全球电离层的活动情况。

・对中性的金星大气进行无线电探测(掩星试验),从云层(35～45km)到大约100km的高度进行测量;以得到垂直密度、压力和温度廓线,作为高度函数,其高度分辨率优于100m。

・利用收发分置雷达探测试验确定金星表面特殊目标区域的电介质和散射特性。

・当金星处于上合和下合阶段时,用无线电探测太阳光环,研究延伸的光环结构和太阳风紊乱。

VeRa的任务将使用“金星快车”通信系统的无线电链路———X波段和S波段的同步和相干双频下行链路,这样能够减少传统的多普勒频移以及由于信号在不同介质中传播造成的影响。

116　可见光2红外热成像分光计(V IR TIS) V IR TIS运行在近紫外、可见光和红外,通过研究重新散射的太阳光和表面热辐射的光谱,提供中分辨率和全球覆盖的金星表面的矿物和分子合成物信息。

它能够对大气和云的所有层进行研究,测量表面温度和研究表面/大气相互作用现象。

它包括3个观测通道,其中2个用于光谱绘图(制图光学子系统),另外1个用于光谱学(高分辨率光学子系统)。

表5为V IR TIS的性能参数。

表5　VIRTIS的性能参数
项　目
制图光学子系统高分辨率光学子系统可见光通道红外通道红外通道
光谱范围/μm0125～1101～52～5最大光谱分辨率/nm约为2约为10约为3光谱分辨能力(λ/Δλ)100～200100～2001000～2000视场/mrad01250125015～115
117　金星监测相机(VMC)
VMC是广角、多通道的光学相机,用
于监测金星环。

它使用宽角和多倍窄带宽滤
波器,在紫外、可见光和近红外光谱范围内
成像,以形成对金星环的全球时空覆盖。

VMC包括光学的CCD和读出电子设
备、数字处理单元和功率转换器。

它的主要
任务是:
・支持成像(为其他仪器的数据提供全
球成像背景);
・进行全球、多通道成像,便于研究金
星大气的动力学过程;
・用于研究云层顶部未知的紫外线吸收
体的分布;
・作为动态绘图仪,监控紫外和可见光
波长的气辉及其可变性;
・对表面亮度绘图和探究突发活动。

表6为VMC的性能参数。

表6　VMC的性能参数
项　目参　数
光谱范围/μm 0123、0128、0136、0150、0197、1100
光谱分辨率/nm约为5
视场500mrad(总共),015毫弧/像素
2　系统
211　热控系统
在整个任务阶段,热控系统保证探测器的所有仪器在允许的温度范围内。

“金星快车”的热设计采用了被动控制概念。

212　电源系统
“金星快车”电源系统的设计要求包括:高度自主,因为地面人员无法对探测器进行实时控制;能够应付非常易变的环境,特别是太阳电池阵上日照强度的大幅度变化。

“金星快车”装有2副对称的太阳电池阵(每副包括2个基板)。

太阳电池阵的总面积为517m2,使用3结砷化镓电池。

它通过单自由度的太阳阵驱动机构实现指向太阳,利用太阳捕获遥感器提供的数据控制其方位。

探测器还装有3台24A・h的锂2离子电池,在日蚀或者探测器的功率需求超过太阳电池阵的能力范围时提供电能。

213　推进系统
“金星快车”的推进系统和“火星快车”上的二元推进系统是一样的,但是装有更多的推进剂。

前者约装有530kg,后者约装有430kg。

214　姿态和轨道控制系统(AOCS)
因为“金星快车”采用固定的、高增益通信天线和1台主发动机的推进结构,所以高效的机动性是必需的。

其姿态机动包括:・在轨道的天底定向观测阶段和地球通信阶段之间;
・为了其他科学观测而达到必要的特殊姿态(如利用SPICAV进行掩星观测时);
・通过选择最适合的姿态,使反作用轮卸载达到最优化。

探测器的姿态测量是通过星跟踪器和陀螺仪实现的,以确保几乎在任何姿态时数据
的可用性。

其姿态测量的不足之处是,当太阳或者金星处于或接近星跟踪器的视场时,星跟踪器无法提供测量数据。

反作用轮几乎用于探测器所有的姿态机动,提供机动性和精确性,减少燃料消耗。

地面人员对轮的角动量进行控制。

21411　AOCS硬件
AOCS的遥感器包括:2台星跟踪器,每台的圆视场为1614o;2个惯性测量单元,每个采用3个环激光陀螺仪和3个加速计; 2台太阳捕获遥感器,在姿态捕获或者重新捕获阶段以太阳捕获模式进行探测器定向。

AOCS使用反作用轮集成,包括4个反作用轮。

在执行姿态改变(不能通过反作用轮实现)和小的轨道修正时,AOCS控制探测器的推进系统采用10N发动机点火。

而主发动机(推力为400N)则用于执行主要的变轨。

AOCS也向太阳阵驱动机构提供控制输入,用来改变太阳电池阵的定位。

21412　AOCS模式
在不同的任务运行阶段,AOCS采用不同的运行模式。

・姿势的捕获和重新捕获阶段　AOCS 采用2个模式。

首先是太阳捕获模式,利用太阳捕获遥感器的数据实现探测器X轴定向和太阳电池阵朝向太阳。

然后是安全/控制模式,使用主要的高增益天线指向地球,从而建立3轴定向来完成捕获。

・常规科学任务运行阶段　AOCS全部执行标准模式(该模式也用于在探测器飞向金星过程中的巡航定向,以及在轨道控制机动之前和之后姿态改变需要对探测器定向时)。

・轨道控制阶段　在轨道修正或轨道控制机动时,AOCS执行4种模式:①轨道控制模式,通过10N的发动机完成,实现小的轨道修正;②主发动机推进模式,由主发动机完成,用于轨道修正;③制动模式,是空气制动阶段的特定模式,如果必须通过空气制动才能使探测器到达最后的轨道时,才使用该模式。

④发动机转换模式,用在发动机控制模式(即轨道控制模式和制动模式)和由正常模式控制反作用轮阶段之间实现平稳的过渡。

215　通信
“金星快车”的通信系统包括:1台双波束转发器、1个无线电频率分发单元、2个行波管放大器、1个波导接口单元和4副天线。

双波束转发器包括2个双重发射/接收链路,每个链路包括:X波段发射机和接收机、S波段发射机(具有5W的后置放大器)和接收机。

21511　天线
“金星快车”与地面的通信使用如下天线:2副低增益天线,能在S波段进行全方位的收发;1副双波段高增益天线,用于S 波段和X波段的高速率遥测发送和遥控接收;1副单波束偏移天线,用于X波段的高速率遥测发送和遥控接收。

“金星快车”与“火星快车”的低增益天线一样,而双波段高增益天线类似于“火星快车”上的高增益天线,但是直径稍小一些,从116m变为113m。

单波束偏移天线是“金星快车”增加的,以满足探测器的通信需求和热约束。

S波段能够在小距离范围内为上下行链路提供全方位的覆盖;当探测器在金星轨道时,则由X波段提供高速率数据下行链路和遥控上行链路。

21512　运行
低增益天线在发射和早期运行阶段使用,将覆盖任务的最初5天。

在该阶段之后,以及在飞向金星的旅途中,将借助单波束偏移天线进行X波段通信。

在插入金星轨道时,通信将转到S波段。

在“金星快车”的运行模式期间,如果不使用VeRa,则进行X波段通信。

当金星位于轨道的上合,而且距离地球最远时,“金星快车”将使用双波段高增益天线。

为了保证探测器冷面在所有的时间都能背离太阳,在金星接近轨道的下合时,仍用双波段高增益天线通信,此时地球到探测器的距离达到0178个天文单位。

当使用VeRa时,借助双波段高增益天线,上行链路可能采用X波段,也可以采用S波段。

VeRa的下行链路则同时采用S波段和X波段,信号未被调制,由VeRa的超稳定振荡器产生,借助探测器的转发器反馈到双波段高增益天线上。

21513　上行链路
接收的射频上行链路信号(通过遥控指令包已经被调整为N RZ/PS K/PM数据),被发送到天线双工分离器,完成频率的辨别,之后输入到双波段转发器。

转发器进行载波信号的获得和解调,发送萃取的信号到数据处理系统以进行进一步的处理。

上行链路的频率约为2100M Hz(S波段)和7166M Hz(X波段)。

“金星快车”具有718125bit/s、151625bit/s、250bit/s、1000bit/s和2000bit/s5种数据传输速率。

这些数据率由任务和数据管理单元的设计定义。

比特率根据存储加载指令进行选择。

一般,较低的比特率借助低增益天线用在S波段;而一些较高的则通过1副高增益天线用在X波段。

21514　下行链路
因为“金星快车”上的仪器产生大量的数据,所以需要高速率数据下行链路容量。

而且,这种容量由于探测器到地球的距离远而受到限制。

遥测数据发送到地面站的下行链路能够运行在S波段(频率约为2296M Hz)和X波段(频率约为8419M Hz)。

216　数据管理系统(DMS)
DMS的任务包括向整个探测器分发遥控指令;收集探测器各系统和有效载荷的遥测数据,并将其格式化;对探测器和有效载荷的性能进行全面监控。

DMS是基于标准的机载数据处理总线结构,通过利用高速率连续数据链路将控制和数据管理单元处理器、固态集成存储器和姿态轨道控制系统接口元件连接起来,从而增强了该系统的性能。

借助远程终端单元,机载数据处理总线成为平台和有效载荷获得数据及指令分发的数据通道。

DMS包括4个相同的处理模块,分别置于2个控制和数据管理单元里。

2个处理模块专门用于DMS,相当于总线控制者,负责管理平台的通信、能量和热控系统;另外2个专用于AOCS,主要负责所有的遥感器、制动器、高增益天线和太阳阵驱动电子设备。

控制和数据管理单元负责地面指令的接收和执行,机载仪器管理、科学数据遥测存储和用于传输的格式化存储数据。

此外,机载数据的管理、控制法令的处理和机载控制处理程序的执行也都是由控制和数据管理单元执行的。

固态集成存储器用于数据的存储,具有12Gbit的容量。

它被连接到2个DMS处理模块上、以及V IR TIS和VMC 等仪器上,用于存储科学和全球设备管理的遥测包。

DMS与其他数据处理元件之间的数据传输是使用冗余机载数据处理总线和IEEE-1355连续链路实现的。

2个接口元件将这些链路和探测器上的其他元件相连。

AOCS接口元件负责处理AOCS遥感器、反作用轮、太阳阵驱动、推进传感器和制动器。

远程终端单元用于连接探测器的其他系统和仪器。

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　(小光　供稿)　
收稿日期:2005208203　。