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1、月球探测器科学探测仪器在轨运行注入数据的生成方法专利名称：月球探测器科学探测仪器在轨运行注入数据的生成方法技术领域：本发明涉及对在轨运行卫星科学探测仪器进行控制的方法，特别涉及一种月球探 测器搭载的科学探测仪器在轨运行注入数据的生成方法。背景技术：月球是地球唯一的天然卫星，是距离地球最近的天体。因此，月球一直是人类观察 研究的重要对象，也是人类开展深空探测的首选目标。因为月球具有可供人类开发和利用 的各种独特资源，是人类向外层空间发展的理想基地和前哨站，所以实现月球探测具有广 泛而重要的意义。目前，国际上掀起了新一轮的月球探测热潮，欧空局、日本、印度以及我国 都在近几年向月球发射了绕月探测器，
2、同时美国也规划了新的月球探测计划。每个月球探 测器都会携带多种科学探测仪器，用以实现对月球进行科学探测的目的。因而，如何对月球 探测器上搭载的科学探测仪器进行有效控制，就成为月球探测工程需要考虑的重要问题。目前，对地球以及月球探测器的控制方式主要是通过对探测器发送注入数据的方 法完成。注入数据中包含对科学仪器的有效控制信息，科学探测仪器通过读取注入数据中 的控制信息，完成探测过程中工作状态设置。不过在目前的方法中，对探测器的定轨通常使 用统一 S波(Unified S-Band, USB)测距测速方法，该方法虽然能够实现对探测器的定轨工 作，但是定轨精度较低，并不能完全保证月球探测器的定轨需求
3、。另一方面，月球探测器在 轨运行过程中，每天只有部分时间段可以进入观测弧段。地面工作人员在可观测弧段内可 以接收到探测器信号并对探测器进行控制，其他时间都无法接收探测器信号或者控制探测 器设备。因此，必须在可观测弧段内完成对月球探测器科学探测仪器的控制，并且保证探测 仪器在下次进入观测弧段之前工作正常。然而，目前的数据注入方法主要是针对地球卫星 设计的，由于地球卫星过境次数比较频繁，或者是地球静止轨道卫星，可以实现即时发送注 入数据，与月球探测器的数据注入要求有所差异。所以亟待提供一种能够更加有效控制月球探测器的方法。发明内容为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种月球探测器科学探测仪器在
4、轨 运行注入数据的生成方法，该方法是以对月球探测器的精确定轨为基础，准确的计算出月 球探测器的运行轨道。综合分析探测器的轨道数据和月表地型信息，制定探测器上科学探 测仪器的工作计划和设备参数。同时，该方法可以根据月球探测器上科学探测仪器的科学 探测需求实时生成相应的控制探测器工作状态的注入数据，并通过将注入数据发送到月球 探测器上执行，实现对科学探测仪器工作状态的调整与设置，从而完成预期的科学探测目 标。发送到探测器的注入数据中既包括科学探测仪器的电源控制指令，也包括探测仪器的 参数调整数据，可以实现对科学探测仪器的灵活控制。不同的探测仪器具有不同的指令集 以及参数设置，在注入数据中需要对不同
5、的探测仪器进行区分，从而保证数据注入中的控 制指令和参数能够发送给对应的探测仪器，确保科学探测正常进行。该方法包括一种月球探测器科学探测仪器在轨运行注入数据的生成方法，包括 步骤使用USB测距测速方法和甚长基线干涉测量VLBI联合测轨的方式对月球探测器进行 定轨，利用USB测距测速测量方法提供月球探测器的视向运动信息，利用VLBI提供月球探 测器的横向运动信息；利用月球探测器的定轨结果设定科学探测仪器的工作参数；以及步 骤3，利用所述工作参数生成科学探测器的注入数据块。优选地，通过定轨生成探测器在月球轨道上运行的精密轨道根数。优选地，根据定轨结果计算月球探测器的运行轨迹，以确定月球探测器上各科
6、学 探测仪器在月球表面的有效探测区域。优选地，所述工作参数用于调整科学探测仪器的工作状态，其根据探测目标和需 求以及科学探测仪器当前的工作状态来确定。优选地，所述注入数据块包括注入数据块信息头，作为注入数据块的控制信息； 以及注入数据内容，其根据科学探测仪器的工作参数生成。优选地，所述注入数据块信息头包括科学探测仪器设备标识信息，用于标识执行 所述注入数据块的科学探测仪器；注入数据块数据内容控制信息，用于指明注入数据块之 间的顺序以及数据块长度。优选地，所述帧包括帧头信息和数据内容两部分，其中帧头信息用于对注入数据 块进行标识，并对注入数据块顺序和长度进行控制，数据内容包括所述注入数据块。优选
7、地，注入数据块包括设备标识符，用于指定执行注入数据块中指令的科学 探测仪器；指令控制序，用于控制注入数据块顺序的一组数据；指令长度，用于指明该注入 数据块副导头和数据域的字节数量；副导头，是可选字段，用于对数据域内容的说明；数据 域，是科学探测仪器参数设置的有效数据信息，科学探测仪器根据数据域中的内容就对仪 器参数进行设定和修改。优选地，所述帧包括包标识符，是用来标识数据注入包的一组标志码，表明从此 开始是数据注入包的内容，包标识符具有唯一性，即在数据注入包的内容中不会出现与包 标识符相同的数据内容；包序控制，用于对多个数据注入包的顺序控制标识；包长度，指明 应用数据和填充码的字节数量；应用数
8、据，是所述注入数据块；填充码，用于补齐数据注入 包的数据内容，当科学探测仪器注入数据块的长度不满足数据注入包的要求时，就在数据 注入包的尾部添加填充码。使用本发明的方法，通过引入一种新的定轨方式，即使用USB测距测速方法和甚 长基线干涉测量VLBI联合测轨的方式对月球探测仪进行定轨，根据精确的定轨结果生成 注入数据，并将注入数据传送到月球探测器上，能够实现对例如CE-I这样的卫星探测器搭 载的科学探测仪的在轨控制，从而保证各科学探测仪器的正常运行。图1为本发明提供的月球探测器科学探测仪器在轨运行注入数据的生成方法流 程图。图2为本发明的注入数据块的结构示意图；图3为本发明将注入数据块组帧之后的
9、帧结构示意图。具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。参照图1的流程图，本发明的月球探测器科学探测仪器在轨运行注入数据生成方 法主要包括步骤步骤S101，对月球探测器进行定轨。月球探测器定轨是对月球探测器科学仪器进行在轨控制的首要条件，只有通过精 确的定轨才能准确的知道探测器的运行轨迹及探测器姿态，一方面可以保证探测器上的 探测设备获得精确、可靠的探测数据；另一方面也可以帮助地面工作人员更准确的制定科 学探测仪器的工作计划，保证月球探测器工作的有效性。在本方法中，使用USB(Unified S-Band，统一 S 波
10、)和 VLBI (Very Long Baseline hterferometry，甚长基线干涉测量)联 合测轨的方法对月球探测器进行定轨。USB测距测速测量系统仅能提供月球探测器的视向运动信息，而VLBI则可提供月 球探测器的横向运动信息。同无线电测距测速技术相比，VLBI技术具有诸多优点，例如只 需观测下行单向信号，测角精度高，且测量精度不随距离增加而降低，对天线的支持要求低 等。因此，VLBI技术是无线电测距测速技术的有益补充，在月球探测器跟踪中具有重要的作 用。VLBI观测的主要误差来源有天线和接收机的噪声误差、接收系统以及信号处理数据 系统产生的仪器延迟误差、观测站的时钟误差以及电离
11、层和对流层的传播延迟误差。为了 消除仪器延迟误差和观测站的钟差误差，目前广为采用的是较差VLBI测量，其测量原理是 探测器观测的同时交叉观测探测器附近的位置精确已知的河外射电源，以此消除共同的仪 器延迟误差和观测站时钟误差，电离层和对流层的大气传播误差也部分被消除。目前我国 VLBI的测轨能力为时延精度好于IOns (1ns = 10_9s)，时延率精度约lps/s(lps = 10_12s)。通过VLBI技术的精密测角和USB的测距，结合月面目标位于月球表面这一几何约 束，可以实现对月面目标的精密定位。具体实现是利用一段时间内的VLBI单历元精密测 角，或者是结合USB的距离测量，利用月球转
12、动的相关信息，将单历元的定位结果进行综合 平差处理，以获得月面目标在月球坐标系中的精密位置。使用USB和VLBI联合定轨的精度显著好于USB单独定轨的精度，相对于USB单独 定轨，联合定轨后近地点时刻的轨道预报精度显著的提高。联合定轨相对于USB单独定轨， 不仅在横向上的精度显著提高(横向位置精度提高约70 % )，径向方向的精度同样也提高 很多(径向位置精度提高约50% )。在定轨结束后，将生成探测器在月球轨道上运行的精密轨道根数，作为后续科学 探测仪器数据注入生成的重要输入条件。USB和VLBI联合定轨应用于任何探月卫星，例如“嫦娥一号(CE-I) ”探月卫星， “嫦娥一号(CE-I) ”
13、探月卫星是由中国发射的，是我国走向深空探测的第一步。在“嫦娥一 号(CE-I) ”卫星执行探测任务过程中，使用USB和VLBI两种方式联合定轨，完成对“嫦娥一 号(CE-I) ”卫星的跟踪。为满足测定轨精度的要求，使用国内4个地面站的天线组成VLBI 网，分别是北京密云50m射电天线、昆明40m射电天线以及上海和乌鲁木齐的两部25m射电 天线。同时，还使用青岛和喀什的两部25m天线采用USB方式进行测定轨。在“嫦娥一号(CE-I) ”探测器运行期间，使用上述6部天线分别采用VLBI和USB方式同时对探测器运行轨道进行测定，最大程度上保证了探测器定轨的精确度。在天线接 收到探测器信号后，分别对数
14、据进行处理，再综合计算得到探测器的轨道参数，并以精密轨 道根数的形式发布探测器定轨结果。精密轨道根数中包含六个重要的参数，用以确定探测 器的运行轨迹，分别是长半轴a，偏心率e，轨道倾角i，升交点赤经，近月点幅角和平 近交点。根据这六个参数，使用现有成熟的卫星轨道计算模型，就可以精确的计算出探测 器的运行姿态和轨迹，为后续的工作提供基本的输入条件。步骤S103，确定科学探测仪器的工作参数。科学探测计划是月球探测器科学探测仪器的工作计划。在月球探测器在轨运行的 过程中，地面工作人员需要综合考虑月球探测器的运行状态、探测数据质量以及飞行轨迹 和姿态等因素，制定或调整月球探测器科学探测仪器的探测目标和
15、探测需求，并以科学探 测计划的形式输出。生成科学探测计划的重要输入条件就是月球探测器的定轨结果。探测器定轨结束 后，就可以根据定轨结果精确地计算出月球探测器的运行轨迹，从而确定月球探测器在月 球表面的有效探测区域。精确的定轨结果可以保证探测区域确定的准确性，在此基础上制 定的探测计划可以保证获取的科学探测数据的质量。在生成科学探测计划的时候，除了要 计算月球探测器的运行轨迹外，还需要综合可虑探测区域月球表面的地形信息，以及之前 获取的探测数据的质量。有效探测区域的确定一方面是根据月球探测器的运行轨迹，另一 方面需要参考探测器上各科学探测仪器的特点，进行综合分析确定。完成这项工作之后，将 月球探
16、测器有效探测区域信息与月球表面地形地貌信息结合起来，就可以知道探测器探测 区域的地形特点以及探测区域中是否存在重要的探测目标，从而作为制定科学探测计划的 输入条件。探测器探测区域的地形特点以及探测区域中的重要探测目标，是制定科学探测 计划的重要参考依据。地面工作人员综合分析这些信息，根据工程的任务目标和当前的工 作状态，制定或调整月球探测器上各科学探测仪器的具体工作计划。适时更新的科学探测 计划可以保证科学探测仪器工作的有效性和适应性，提高月球探测器工作的质量和效率。科学探测计划制定了各科学仪器的工作计划，是后续进行注入数据生成的基本输 入条件。以“嫦娥一号(CE-I) ”卫星搭载的C三线阵立体相机为例，说明生成科学探 测计划的过程。CCD立体相机是用来拍摄月球表面影像图的科学仪器设备，在“嫦娥一号 (CE-I) ”卫星绕月飞行过程中，CXD立体相机需要在适当的时间开机拍摄图像，从而完成获 取月球全球影像图的任务目标。地面工作人员在制定CCD立体相机科学探测计划时，需要 参考以下几方面的信息(1) “嫦娥一号(CE-I) ”卫星轨道预报文
