1、探月工程介紹

　　探月工程作為國家重大科技專項，是我國在發(fā)展人造衛(wèi)星和載人航天之后，空間科學和技術發(fā)展的第三個里程碑。國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）是探月工程的主要參研單位之一，承擔的任務主要包括如下方面：

　　（1）有效載荷總體；

　　（2）星/器上有效載荷分系統(tǒng)集成管理控制系統(tǒng)；

　　（3）有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)；

　　（4）部分科學探測載荷設備研制；

　　（5）空間天氣保障任務。

　　截止2019年，空間中心已完成嫦娥一號、二號、三號、四號等任務。

　　空間中心作為探月工程有效載荷總體單位，是聯(lián)系科學家與有效載荷的橋梁，也是聯(lián)系衛(wèi)星總體和有效載荷的紐帶?？臻g中心以有效載荷的技術狀態(tài)管理、產(chǎn)品保證質(zhì)量管理、計劃進度管理為中心，為有效載荷各個研制單位提供技術支持，同時在載荷與衛(wèi)星系統(tǒng)、地面應用系統(tǒng)和測控系統(tǒng)之間建立起有效的溝通協(xié)調(diào)機制，確保高標準、高質(zhì)量、高效率地完成有效載荷的研制任務。

　　空間中心在承擔探月工程任務的過程中，精心組織，團結協(xié)作，在院內(nèi)外兄弟單位的支持下，有效載荷總體的職能得到了充分的發(fā)揮，建立健全了各項工程研制的規(guī)章制度，在各型號任務過程中逐步形成了一套適應有效載荷分系統(tǒng)產(chǎn)品研制特點的組織管理方法，為我國探月工程的順利實施作出了突出貢獻。在突破一個又一個技術難關的同時也鍛煉了隊伍、培養(yǎng)了人才，具備了可持續(xù)發(fā)展的能力。

　　空間中心為探月工程成功實施所做出的巨大貢獻得到了黨和國家的高度認可：

2007年獲“繞月探測工程突出貢獻單位”稱號

2008年獲繞月探測工程國防科學技術進步獎特等獎

2009年獲國務院頒發(fā)的繞月探測工程國家科學技術進步獎特等獎

2010年獲“探月工程嫦娥二號任務突出貢獻單位”稱號（見上圖）

2011年獲中華全國總工會頒發(fā)的“全國五一勞動獎狀”（見上圖）

2011年獲工業(yè)和信息化部頒發(fā)的國防科學技術進步獎特等獎

2012年獲國務院頒發(fā)的國家科學技術進步獎特等獎

2014年獲中華全國總工會頒發(fā)的“工人先鋒號”（見上圖）

2015年獲工業(yè)和信息化部頒發(fā)的嫦娥三號工程國防科學技術進步獎特等獎。

　　2、 嫦娥一號任務

　　主要實現(xiàn)繞月探測，科學目標的重點為月球三維影像分析、月球有用元素和物質(zhì)類型的全球含量與分布特點、月壤厚度探查以及地月空間環(huán)境探測。工程上的核心是實現(xiàn)從地球走向月球，充分利用我國現(xiàn)有成熟航天技術，研制和發(fā)射月球探測衛(wèi)星，突破地月飛行、遠距離測控和通信、繞月飛行、月球遙測與分析等技術，并建立我國月球探測航天工程初步系統(tǒng)。

　　空間中心承擔了嫦娥一號衛(wèi)星有效載荷的技術和管理總體工作，同時還開展了相關載荷和項目的研制工作，主要包括：

　　（1）微波探測儀分系統(tǒng)

　　微波探測系統(tǒng)由微波接收機單元、微波數(shù)管單元、低端觀測天線、高端觀測天線組合、低端定標天線、高端定標天線組合、微波電纜組件共7臺設備組成。主要對月壤的厚度進行估計和評測，這是國際上首次系統(tǒng)地采用被動微波遙感的手段對月表進行探測。高端觀測天線組合包括3種頻段，它和低端觀測天線一起接收微波輻射信號；低端定標天線和高端定標天線組合的頻段與觀測天線相同，主要起到定標作用，它們都連接到微波接收機單元上，由微波接收機單元進行相應的探測信號處理；微波數(shù)管單元提供電源、控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。

　　（2）空間環(huán)境探測分系統(tǒng)

　　空間環(huán)境探測系統(tǒng)由太陽高能粒子探測器、太陽風離子探測器A、太陽風離子探測器B共3臺設備組成。主要探測地月和近月的空間環(huán)境參數(shù)。太陽風離子探測器A和太陽風離子探測器B具有完全相同的技術狀態(tài)。空間環(huán)境探測的3臺設備在軌運行時相對獨立。太陽高能粒子探測器用于監(jiān)測衛(wèi)星軌道空間的高能帶電粒子(主要為質(zhì)子、電子和重離子)成分、能譜、通量和隨時間的變化特征，為研究太陽耀斑及太陽宇宙線服務。太陽風離子探測器用于探測太陽風等離子體的能譜，即太陽風等離子體的能量分布函數(shù)，從中引出平靜和高速太陽風等離子體的特征量，如太陽風的體速度，離子溫度以及數(shù)密度等。

　　（3）有效載荷數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)

　　有效載荷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是整個探月一號衛(wèi)星有效載荷供配電、數(shù)據(jù)管理傳輸和控制的核心。它由載荷配電器、總線控制器、遠置終端、大容量存儲器、高速多路復接器5臺星上設備組成。載荷配電器負責為有效載荷和數(shù)管設備供配電；總線控制器是有效載荷的控制中心，它控制和管理1553B數(shù)據(jù)總線通訊；大容量存儲器存儲全部有效載荷的科學數(shù)據(jù)，并對成像光譜儀的數(shù)據(jù)進行壓縮；高速多路復接器負責各種科學數(shù)據(jù)的復接、信道的糾錯編碼、傳輸數(shù)據(jù)的偽隨機化和傳輸楨的形成，其輸出數(shù)據(jù)流經(jīng)S波段數(shù)傳發(fā)射機下行。

　　（4）有效載荷地面綜合電測分系統(tǒng)

　　嫦娥一號衛(wèi)星有效載荷地面綜合電測系統(tǒng)，是探月工程有效載荷分系統(tǒng)的一個組成部分，是支持有效載荷系統(tǒng)桌面電性能聯(lián)試和參加衛(wèi)星整星測試的專用設備，用于檢測星載有效載荷設備的功能、工作狀態(tài)及與衛(wèi)星系統(tǒng)的匹配和協(xié)調(diào)工作能力。在有效載荷系統(tǒng)桌面聯(lián)試中，該設備是系統(tǒng)級電性能的主要測試工具；在衛(wèi)星系統(tǒng)電性能測試中，該設備是衛(wèi)星測試設備的專用測試設備之一。負責有效載荷系統(tǒng)在模樣、初樣及正樣研制階段所組織的有效載荷桌面電性能聯(lián)試和衛(wèi)星系統(tǒng)組織的衛(wèi)星系統(tǒng)初樣星、正樣星測試（包括電磁試驗、振動試驗、熱真空試驗）、以及發(fā)射場測試等。

　　3、嫦娥二號任務

　　嫦娥二號衛(wèi)星作為探月工程二期的先導星，在嫦娥一號備份星的基礎上進行適應性改造。根據(jù)嫦娥二號的任務要求，除大容量存儲器為新研設備，其余由空間中心研制的微波探測儀、空間環(huán)境探測器、有效載荷數(shù)管的其他設備均根據(jù)任務需求進行了適應性改造。

　　微波天線（左）、太陽風離子探測器（中）、太陽高能粒子探測器（右）

　　　　總線控制器遠置終端

　　高速多路復接器（左）、載荷配電器（右）

　　嫦娥二號大容量存儲器相比嫦娥一號的存儲容量提高3倍，數(shù)據(jù)存儲及處理速率提高100多倍，如果沿用嫦娥一號的技術路線，實現(xiàn)起來雖然簡單，但體積、重量會成倍增加，功耗會成幾十倍增加。在研制進度非常緊張的情況下，研制團隊突破了多項新技術，在存儲容量和數(shù)據(jù)處理速率大幅提高的同時，體積和重量增加不到60%，功耗僅增加一倍。

　　大容量存儲器

　　4、嫦娥三號任務

　　在嫦娥三號任務中，空間中心除承擔有效載荷總體任務以外，還承擔了著陸器載荷電控箱和巡視器有效載荷電控箱的研制任務，地面綜合測試系統(tǒng)任務。

　　著陸器/巡視器有效載荷電控向?qū)善魃洗钶d的各載荷電子學進行了集成設計，通過集成一體的載荷電控箱實現(xiàn)有效載荷工作模式控制和數(shù)據(jù)處理，從而使著陸器有效載荷統(tǒng)一與著陸器數(shù)管分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)接口，巡視器有效載荷統(tǒng)一與巡視器綜合電子分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)接口，并可適應其他新增的工作模式控制和數(shù)據(jù)處理需求。

　　載荷電控箱從優(yōu)化系統(tǒng)設計，減少重量、降低功耗和減小體積，提高可靠性的目標出發(fā)，通過優(yōu)化系統(tǒng)頂層設計，實現(xiàn)高性能高可靠的載荷電控箱實現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，取代多個利用率低的電控箱，滿足有效載荷的功能、性能和可靠性要求，有效降低和減少重量、功耗和體積，同時解決有效載荷系統(tǒng)面臨的技術新和計劃進度緊問題。

　　　　巡視器載荷電控箱（左）、著陸器載荷電控箱（右）

　　著陸器有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)和巡視器有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)需要完成對兩器有效載荷系統(tǒng)的集成測試，及著陸探測器測試階段有效載荷的綜合測試，主要任務包括：有效載荷分系統(tǒng)在各個研制階段的系統(tǒng)集成測試、綜合測試，以及在發(fā)射陣地的測試。兩器地面綜合電測系統(tǒng)分別由探測器仿真設備、載荷數(shù)據(jù)處理設備、載荷故障診斷設備、載荷數(shù)據(jù)模擬源設備、自檢設備以及有效載荷地面測試電纜網(wǎng)等部分組成，實現(xiàn)的功能有：探測器仿真、測試序列控制、地面數(shù)據(jù)處理、故障診斷、與探測器地面測試設備數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)自檢等。

　　　　空間中心聯(lián)試大廳

　　5、嫦娥四號任務

　　嫦娥四號作為探月工程四期的首次任務，實現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸和巡視勘查，同時實現(xiàn)了首次地月L2點中繼星對地對月的測控、數(shù)傳中繼。嫦娥四號任務的科學目標包括：月基低頻射電天文觀測與研究；月球背面巡視區(qū)形貌和礦物組份探測與研究；月球背面巡視區(qū)淺層結構探測與研究。

　　在嫦娥四號任務中，空間中心除承擔有效載荷總體、著陸器/巡視器載荷電控箱、地面綜合測試等任務以外，還承擔著中瑞（典）合作巡視器載荷中性原子探測儀（Advanced Small Analyzer for Neutrals, ASAN）及中德合作著陸器載荷月表中子與輻射劑量探測儀（Lunar Lander Neutrons & Dosimetry, LND）的國際合作任務。

　　嫦娥四號國際合作任務中，空間中心兩個科研團隊分別與相應研究領域頂級的國際團隊實現(xiàn)“強強聯(lián)合”，在儀器研制、測試、總裝、科學探測任務規(guī)劃及科學數(shù)據(jù)共同開發(fā)利用等過程中進行了深度合作，出色完成了預定任務，取得重要成果。嫦娥四號國際合作項目的成功實施體現(xiàn)了中心在空間環(huán)境探測領域的先進水平，以及在國際合作方面的豐富經(jīng)驗，也為后續(xù)任務中的國際合作工作樹立了重要范例。

　　6、嫦娥五號任務

　　2020年11月24日，長征五號遙五運載火箭搭載嫦娥五號探測器成功發(fā)射升空并將其送入預定軌道。12月17日，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品著陸地球。嫦娥五號任務是中國探月工程的第六次任務，也是中國航天最復雜、難度最大的任務之一（截至2020年12月），實現(xiàn)了中國首次月球無人采樣返回，助力月球成因和演化歷史等科學研究。

圖：嫦娥五號國旗展示

　　中科院空間中心承擔了嫦娥五號有效載荷總體工作，有效載荷分系統(tǒng)配置了7臺（套）科學載荷，用于完成采樣區(qū)現(xiàn)場就位科學目標探測，為有選擇地進行月壤取樣提供了依據(jù)，建立了現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實驗室分析數(shù)據(jù)的聯(lián)系。同時，還承擔了著陸器上的載荷數(shù)據(jù)處理器的研制，用于有效載荷分系統(tǒng)一體化設計，滿足有效載荷系統(tǒng)工程設計約束，同時還配備了一套地面綜合測試系統(tǒng)，用于各階段的集成測試和綜合測試。

　　中科院空間中心的科學家通過對嫦娥五號采回的月球樣品開展了地面分析研究，獲得了一系列的重大科學成果。例如，揭示了嫦娥五號著陸點月壤礦物組成和太空風化作用等。 

圖：嫦娥五號數(shù)據(jù)處理器正樣產(chǎn)品

圖：嫦娥五號有效載荷分系統(tǒng)正樣產(chǎn)品桌面聯(lián)試

　　8、天問一號任務

　　天問一號于2020年7月23日在文昌航天發(fā)射場由長征五號遙四運載火箭發(fā)射升空，成功進入預定軌道。2021年2月10日，天問一號與火星交會，成功實施捕獲制動進入環(huán)繞火星軌道。2021年5月15日成功實現(xiàn)軟著陸在火星表面。2021年5月22日，祝融號火星車成功駛上火星表面，開始巡視探測。2021年6月11日，國家航天局舉行了天問一號探測器首批科學影像圖的發(fā)布，標志著中國首次火星探測任務取得圓滿成功。天問一號在火星上首次留下中國印跡，首次實現(xiàn)通過一次任務完成火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標，實現(xiàn)了中國在深空探測領域的技術跨越而進入世界先進行列。 

圖：祝融號火星車與著落器“合影”

　　天問一號火星探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，其中環(huán)繞器的探測科學任務著眼于火星全球性和綜合性的探測，開展火星總體性和全局性的研究與科學認知；著陸巡視器由進入艙和火星車組成，火星車巡視探測科學任務著眼于火星局部地區(qū)，開展高精度科學探測。

　　從總的科學目標出發(fā)，環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)配置了8臺（套）科學載荷，任務包括：（1）火星大氣電離層分析及行星際環(huán)境探測；（2）火星表面和地下水冰的探測；（3）火星土壤類型分布和結構探測；（4）火星地形地貌特征及其變化探測；（5）火星表面物質(zhì)成分的調(diào)查和分析。著陸巡視器有效載荷分系統(tǒng)配置了6臺（套）科學載荷，任務包括：（1）火星巡視區(qū)土壤結構（剖面）探測和水冰探查；（2）火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類型探測；（3）火星巡視區(qū)大氣物理特征與表面環(huán)境探測。

　　中科院空間中心承擔了有效載荷總體工作，負責有效載荷分系統(tǒng)頂層設計；組織有效載荷產(chǎn)品全周期研制；負責有效載荷計劃進度管理、質(zhì)量產(chǎn)保管理；組織有效載荷分系統(tǒng)驗收、聯(lián)試；對項目全要素（軟件/FPGA、元器件、環(huán)境試驗、文件、經(jīng)費等）實施管理。

　　同時，還承擔了環(huán)繞器離子與中性粒子分析儀、環(huán)繞器載荷控制器和火星車載荷控制器的研制工作。

　　離子與中性粒子分析儀主要探測任務為：對火星等離子體中的粒子特性進行探測，了解火星大氣逃逸；研究太陽風和火星大氣的相互作用、火星激波附近中性粒子加速機制。主要功能為：獲取火星離子和中性粒子數(shù)據(jù)；測量火星空間環(huán)境中的離子通量，分辨主要離子成分，獲得這些離子成分的密度、速度、溫度等物理參量；測量中性能量粒子的通量，分辨H、He、O等主要中性粒子成分。

圖：火星環(huán)繞器離子與中性粒子分析儀正樣產(chǎn)品

　　環(huán)繞器載荷控制器和火星車載荷控制器，分別是一臺集成化的多功能電子設備，主要功能是管理和控制各個有效載荷的工作及運行狀態(tài)，提供有效載荷分系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺的統(tǒng)一電接口。具體功能是為分系統(tǒng)內(nèi)部各載荷提供供配電、模擬量遙測采集、OC指令控制、載荷熱控管理、科學數(shù)據(jù)和工程參數(shù)的處理，以及自主化運行管理等功能。

圖：環(huán)繞器載荷控制器和火星車載荷控制器

　　同時，環(huán)繞器載荷分系統(tǒng)和火星車載荷分系統(tǒng)各配備了一套地面綜合測試系統(tǒng)，用于各階段的集成測試和綜合測試。

　　中科院空間中心的科學家通過對天問一號的探測數(shù)據(jù)進行了分析研究，獲得了一系列的重大科學成果。例如，離子與中性粒子分析儀對太陽風的探測數(shù)據(jù)，揭示了太陽風等離子體的特征與變化等。