月球是地球的天然卫星。月球围绕地球沿近圆轨道运行，它绕地球公转的周期和其自转周期相同，均为27.3天，平均月地距离约为38万千米。月球平均半径为1738千米，面积与亚洲面积差不多，质量约为地球的1/81，密度为地球的3/5。月球是一个毫无生机的世界，表面几乎没有大气和磁场，其表面昼夜温度可从约130℃变化到约-180℃。月球本身不发光，我们看到的月光是它所反射的太阳光。月球表面的重力加速度只有地球表面的1/6。
中国目前实施的航天活动，全部是在地球引力场作用下的环绕地球运动的航天器，实现对地遥感、通信、数据传输、载人飞行等任务。目前中国航天器所到达的距地球最远距离约4万千米。通过几十年的航天实践，对地球轨道航天器的规律及地球空间环境有了较充分的了解和研究。而要实现月球探测，则必须使航天器飞出地球引力场，进入到38万千米远的空间。由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点，因此，月球探测卫星与一般的地球卫星有很大的不同。研制月球探测卫星的主要技术难点和关键主要表现在以下几方面。
轨道设计
轨道设计与控制是实现月球探测卫星绕月飞行的基本保证。必须正确认识月球卫星轨道设计的客观规律，寻找合理的工程实施途径。
（1）为实现卫星绕月飞行，卫星必须脱离地球引力场，进入月球引力场。卫星脱离地球引力飞向月球的过程是沿着一条精心设计的地月转移轨道飞行的，这条轨道设计的理论基础是三体问题，不同于以往地球卫星的二体问题。
（2）月球的自转周期与绕地球公转的周期相同，月球卫星相邻两条轨道的轨迹间距很小，这对遥感的覆盖十分有利，只要遥感器的覆盖宽度合适，经过28天后就可以对全月面实现覆盖。
（3）月球的赤道面与太阳视运动的黄道面基本重合，因此倾角为90°的极月轨道的轨道面与黄道面基本垂直。由于卫星轨道面在惯性空间基本没有摄动，阳光对轨道面的照射方向在一年内将变化360°，这对电源和热控的设计都将产生不利的影响。
（4）由于月球引力场的异常复杂性，使月球卫星的轨道极不稳定，具体的表现是近月点的高度会有较大的变化，轨道越低这种变化越显著，甚至会坠入月面，轨道高度保持的任务十分艰巨，这也是目前国际上在寻找和研究冻结轨道的动因。
由于上述特点，月球探测卫星的轨道设计需解决下列一些关键问题：
（1）地月转移轨道的分析求解地月转移轨道是整个轨道的关键部分，分析求解地月转移轨道，不仅在设计标称轨道而且在实时轨道修正时也是必须的。在整个飞行过程上需要多次根据变化了的月球位置重新找出一条新的地月转移轨道。
（2）中途修正的数学模型、方法和软件这必须是工程实用的，因为很大部分的工作是在卫星上完成的。
（3）利用调相轨道扩大发射窗口包括增加可发射的日期和在发射当日发射窗口的扩大。
（4）月球卫星轨道的长期性状研究
（5）月球卫星轨道捕获、调整以及长期运行中轨道调整的控制策略和具体方法
（6）基于对科学目标和具体要求的深入了解，对月球卫星轨道进行优化设计
（7）有限推力与脉冲推力之间的偏差分析，研究优化的轨道调整策略
（8）用于实时跟踪测轨的精确数学模型和软件用于地球同步高度以下的地球卫星的跟踪测轨软件我国是成熟的，但是超过这个高度，特别是地月转移轨道段的飞行器的跟踪测轨模型和软件我国还需重新研制。
（9）月球卫星的跟踪测轨方法、模型和软件也需重新研制
（10）月球卫星测轨预报的精度分析主要是月球引力场模型误差的影响。
图5-11 月球探测卫星在对月遥测的同时，把数据发送回地球
测控和数据传输
月球探测卫星的测控和数据传输分系统要完成卫星的遥测、遥控、测距、测速和测角以及探测数据的传输等任务，以保证地面可以监视星上设备的工作状态，测量卫星的飞行轨道，对卫星发出指令，操控卫星实现预定的任务目标，制导、导航与控制并把科学探测获得的数据发送回地面，用于进一步的解译和分析（图5-11）。
地球与月球间距离达38万多千米，是以往地球卫星的10倍以上，测控信号的空间衰减明显增大。同时为实现卫星绕月飞行，需经历复杂的轨道转移过程，这个过程中的测控任务对星上和地面测控系统提出了更高要求。因此需研究中国现有的测控体系的适应性以及与天文测量系统联合使用的可行性，提高信号增益和信噪比，并保证一定的测控精度和数据传输量要求。
在中国现有的地面测控网和应用地面站的支持下，测控和数据传输分系统可以完成主动段、停泊轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段4个过程的测控任务，以及环月轨道段的科学数据传输任务。为满足天线对地通信指向和数据率的需要，要求卫星采用高增益两自由度定向天线（图5-12），定向天线的机构和控制技术是测控和数据传输分系统的关键技术。
图5-12 月球卫星上使用的可双轴转动的定向天线
月球探测卫星从环绕地球飞行到准确进入环绕月球的飞行轨道，需经历多次复杂的轨道和姿态机动，信息传输时延大，要求控制精度高、实时性强。在环月运行期间还要保证卫星以一定的姿态飞行。因此，对月球探测卫星的制导、导航与控制分系统的功能、性能和可靠性提出了很高的要求。
卫星在绕月飞行期间，要求天线对地定向以传递探测信息，光学有效载荷对月定向进行探测，太阳阵对太阳定向以保证能源供应。这是一个复杂的三体定向问题，对敏感器和机构及其控制都提出了更高要求。
月球周围没有稳定的二氧化碳圈，因此无法用传统的红外敏感器来实现对月球的姿态确定。需采用其他手段，如星敏感器加陀螺再加上轨道外推的方法，或研制新型的月球紫外敏感器。
因此，GNC系统需解决的主要关键技术为GNC系统的设计和对月定向姿态确定。
（1）月球探测卫星GNC系统设计
月球探测卫星的制导、导航与控制是中国航天控制的新领域。除上面两项关键技术外，还有如下的新问题需要着重研究和精心设计：①近地点变轨技术；②奔月转移段的轨道和姿态控制；③近月点捕获制动技术；④两自由度天线指向控制技术。在现有成熟技术和预研成果的基础上，这些问题都是可以解决的。
（2）对月姿态确定
在环月轨道正常运行期间，对月面观测要求卫星对月定向。姿态控制的反馈量是卫星实际姿态相对于轨道参考系的姿态误差角。对于姿态误差，必须进行实时测量和计算。确定对月定向姿态可能采用的方案有两个，都需要进行技术攻关。
①星敏感器+陀螺+轨道外推
用星敏感器和陀螺测量星体相对于惯性空间的姿态。为了获得相对于当地轨道坐标系的姿态，必须在星上进行实时轨道外推，获得轨道坐标系与惯性坐标系的关系。因此，地面测控系统轨道测定精度和星上轨道外推都需要达到较高精度。
轨道外推误差包括：
誗地面测控系统的定轨误差在星上轨道外推时的误差传播。
誗轨道外推动力学模型的误差。美国“克莱门汀号”卫星要求轨道确定的18小时位置预报精度为36千米，使用16×16阶月球重力场模型。月球勘探者使用改进的75×75阶模型后24小时位置预报精度280米，据分析其残余误差仍然主要由模型误差引起。对于较粗糙的模型，位置误差在千米量级。
誗星上计算机的外推模型近似的误差。即使掌握了足够精确的模型，阶数很高的模型仍难以在星上计算机中实现，限制了星上实时位置预报精度。
②紫外敏感器+陀螺
由于月球没有像地球一样的红外辐射，普通卫星用的红外地球敏感器无法用于月球卫星的姿态测量，而紫外敏感器则可以直接测量卫星的对月姿态。
紫外三轴姿态敏感器是一种工作在紫外光频段、使用CCD器件的成像敏感器。它可以敏感来自太阳、地球、月球和恒星的紫外光辐射，通过对其CCD图像进行处理从而获得各种天体中心及边缘方向的信息。它可以集太阳敏感器、地球或月球敏感器、星敏感器等姿态测量功能于一身，用一个敏感器就可以完成三轴姿态的确定。
利用紫外敏感器在紫外频段中观测月球的某些特征来定出月心方向，从而直接得到卫星对月心的滚动、俯仰信息，并通过同时观测月球附近的恒星来确定卫星的偏航姿态。
热控技术
月球探测卫星在地月转移轨道及环月轨道运行期间，要经历复杂的热环境。保证星上所有设备在正常的工作温度范围是热控分系统必须完成的任务。
由于月球没有大气层，因此月表昼夜温度可从约130℃变化到约-180℃，其反照、红外辐射随时间变化较大。同时卫星在绕月运行期间，与太阳的相对位置呈0°~360°变化，因此热控的外部环境更加复杂多变，给星上热控分系统的设计增加了很多难度。热控分系统需要分析研究整个飞行过程中的外热流环境，采用被动为主、主动为辅的方式，充分利用现有成熟技术设备，适当采用百叶窗、相变材料等先进技术。
绕月探测是开展月球全面探测的重要手段，也是后续开展着陆等探测的必经之路。中国绕月探测工程的顺利实施，必将获得大量科学探测与技术验证成果，实现中国深空探测领域零的突破，为后续工程的实施奠定坚实的基础。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
