嫦娥二号卫星APS相机设计关键技术及在轨应用

    1 引言

    嫦娥二号卫星技术试验分系统的 1 台降落相机和 3 台监视相机, 用于对月表进行地形地貌探测, 对490 N 发动机点火时段、定向天线展开和对地定向时段、太阳翼展开和转动时段进行在轨实时监测. 4 台相机跟随嫦娥二号卫星圆满完成了半年寿命期的各项工程和科学探测任务, 获取了 100 和 15 km 虹湾地区月表地形地貌图, 并取得太阳翼、490 N 发动机、定向天线等卫星活动机构和关键部件的大量在轨珍贵视频, 为后续工程实施奠定了坚实的基础. 2012 年12 月 13 日, 飞行历时两年, 嫦娥二号卫星在与 4179号小行星(Toutatis)交会时刻, 太阳翼监视相机获取小行星影像, 完成了 4179 号小行星国际首次近距离的光学探测, 圆满完成了扩展与再拓展试验任务.

    做为技术试验分系统的一部分, 嫦娥二号降落相机要求在卫星正飞和侧飞的情况下, 能够获取月表视频灰度图; 3 台相机用来获取 3 个关键部件和活动机构的在轨真实视频信息. 嫦娥二号卫星是一个多任务、多目标的深空探测卫星, 卫星资源有限; 目标多, 运动快, 距离远, 测控数传资源有限, 特别是在小行星探测时, 数传信道仅为 23.5 Kbps; 光照条件变化剧烈, 环境复杂, 而成像时机仅有一次等, 都给相机成像提出很高要求, 要求相机需要进行轻小型化系统集成, 在轨自主完成曝光和图像压缩以及适应复杂的空间环境. 4 台相机单机仅重三四百克,承受住了发射时段剧烈的震动、在轨时段恶劣的温度环境、低气压环境以及长期复杂多变的太空辐射环境,成功验证了 APS 在轨成像技术、轻小型化系统集成技术、自动曝光技术、高倍率压缩技术和深空环境探测适应性等在轨关键技术, 圆满完成探测任务.

    2 任务需求

    根据任务需求, 降落相机具备两种工作模式, 一种是高分辨率模式, 有效像元数 1280×1024, 视场角为 60°, 帧频为 1 fps. 100 km 轨道时地面像元分辨率为 70 m, 15 km 轨道时地面像元分辨率为 10.5 m. 另一种工作模式为高帧频模式, 从1280×1024像元中抽点选取 640×512 像元, 帧频为 10 fps. 工作模式由程控指令控制. 3 台监视相机分别对 3 个关键部件进行在轨实时视监控, 进行星载可视化遥测验证. 3 台监视相机无遥控指令, 成像功能全部自主实现. 4 台相机的主要技术指标如表 1 所示.

    3 设计的关键技术

    嫦娥二号卫星的 4 台 APS 小相机做为技术试验分系统的主要设备, 其目的是对相机进行新技术试验验证, 主要包括几方面的内容, 即APS在轨成像技术, 高度系统集成技术、自动曝光技术、高倍率压缩技术、空间环境适应性成像设计等几项关键技术.