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欧洲木星冰月探测器（JUICE）被戏称为“一杯果汁”。设计木星冰月探测器需要考虑的主要因素是与太阳的距离太大、太阳能发电不足。最坏情况下的太阳能常数只有每平方米46瓦，所以它的太阳能电池针对“低强度/低温”条件进行了优化。此外，为了这次遥远的飞行，科学家们还对木星冰月探测器的结构、电子设备、姿控设备及应急系统进行了精心的设计。

木星冰月探测器的儿童宣传画

总体设计

木星的辐射环境比较恶劣。需要捕获木星和木卫三的轨道，以及实施大量的飞越操作（共计超过25次重力辅助和飞越）。要求航天器携带约3000千克化学推进剂。

因为距离地球的距离太远，导致信号往返时间长达1个多小时，所以需要仔细地预先规划和航天器自主执行操作。为了对地通信，木星冰月探测器配备了一个直径约3米的高增益天线，每天至少提供每秒1.4吉比特的下行带宽。

木星冰月探测器的本体并没有非常特殊的地方，采用了当代航天器的标准设计模式。它采用中央承力筒结构，两个推进剂储罐位于筒内，筒的下部连接星箭适配器。围绕着承力筒，布置了6块剪切壁和4片轻型外壁。推力器设置在底面，顶板上安装各类传感器和冰卫星探测雷达天线。这可以让传感器远离推力器的射流，避免污染。

光学工作台靠近星敏感器和导航相机，容纳具有严格指向要求的仪器，并且尽量缩短和相关电子设备之间的距离。

用10.6米长的吊臂安装了三台磁探测传感器，满足磁环境洁净度要求，也避免了深度修改或者大量屏蔽其他平台电子设备。

位于航天器天顶部分的二级结构容纳了粒子环境实验套件仪器的其他部分，这里也可以避免受推力器射流的影响，而不会干扰视野。

沿着中央承力筒的顶部安装了大部分仪器和平台电子单元，来应对恶劣的木星辐射环境，保持一定温度，以及静电放电和电磁干扰的有效屏蔽。

高增益天线可在X和Ka频段下载平均每秒1.4吉比特的科学数据，并确保遥测遥控链路的常规操作和安全模式操作，并支持无线电科学实验。高增益天线还能在行星际转移的有光照巡航阶段充当遮阳伞，保护设备免受高太阳通量的影响。

太阳能电池阵列在寿命结束条件下提供730W电力。

木星冰月探测器的大型太阳能电池

425牛双组元主发动机与主推力轴同轴，在四组各两台20牛双组元推力器的协助下，执行主要任务机动。另外还安装了6组各2台10牛推力器，作为故障的备份，也可以用作姿态控制。

电池也在承力筒顶部，为电子设备提供额外的屏蔽效应。承力筒内还有4个反作用飞轮。

探测器电子架构

木星冰月探测器的电气架构围绕中央命令和数据管理单元构建，该单元包含了中央计算机（即指令、遥测和数据管理、故障检测隔离和恢复管理，以及分别用于科学和内务数据存储的单独大容量存储器）。远程接口单元是独立的，提供标准化接口，但也确保接口与非标准平台设备（推进器、太阳传感器、反作用轮）的接口适配。

作为一种深空探测器，木星冰月探测器在大多数时候都要靠自主控制来航行，因为从火星附近到地球的往返无线电传输需要80分钟左右，基本不可能遥控操作。

因此，欧空局为它设计了两种天地通信模式。在行星际巡航的安静期间，天地传输时间只有每周8小时。开始执行科学任务后，实施每天一次8小时的地面站通信。如果发生紧急情况，欧空局地面站网络可以确保24小时不间断覆盖。

木星冰月探测器总装完成

具体到探测器的各个子系统，有些子系统需要很少的干预，比如电源管理是完全自主的，地面只有几个参数需要设置，具体取决于任务阶段（电池充电水平、电池充电/放电电流）。但是，任务规划时需要注意，不要将电池耗尽到最低充电状态，确保电池在长日食之前充满电。热控制也是完全自主的，地面只需改变特定操作所需的一些温度阈值。

另一些子系统完全在地面控制之下，如仪器和通信子系统。观测活动完全由地面站编程控制，通信的遥测部分也由地面控制。地面站安排好传输会话，并在X波段和Ka波段对数据速率进行编程，尽量提高每日的数据回传数量。通信子系统的遥控链是完全自主的。

姿态和轨道控制子系统

姿态和轨道控制子系统需要地面大量指令，欧洲空间运行中心的飞行动力学团队负责准备和验证所有姿轨控制系统命令，提供太阳和行星星历表（包括木星、月亮），确定科学姿态剖面、轨道机动的速度增量，操纵导航相机图像采集。当所有这些数据都加载到航天器上之后，航天器会自主执行姿态控制命令，自动把电池阵列指向太阳，把中增益天线指向地球，并在达到所要求的的速度增量时停止推力器点火。导航主要使用专用测距会话方式，把收集到的辐射数据在地面上进行处理，然后发出指令。地面站会处理导航相机采集到的光学图像，进一步改善在木星卫星附近的导航。这种方法在木星系统中是强制性的，因为木星卫星的星历表并不准确，要确保低空飞越目标，就必须采用基于导航相机图像的自主制导校正。

木星冰月探测器的中增益天线（左）和高增益天线（右）

自主应急系统

木星冰月探测器作为深空探测器，必须考虑紧急情况下的对策。在很多时候，如果用80分钟来往返传输信息，加上地面的分析和决策时间，就会错过应对时机。所以它的自主应急系统是非常重要的。这项功能分成几个类别。

分层故障检测、隔离和恢复概念

故障检测、隔离和恢复单元（FDIR）有两个主要目标，首要和最重要的目标是确保探测器的完整性，包括平台设备和科学仪器；其次是尽可能优化任务的完成。

在大多数任务阶段，这两个目标可以分开讨论。故障检测、隔离和恢复单元的主要目标是在发生故障时采取“故障安全”行动，选择确保探测器完整性的解决方案。但是在木星轨道捕获和木卫三轨道捕获期间，这两个目标就很难分开了。这个阶段的故障可能会影响探测器的安全并导致任务失败。在这种情况下，故障检测、隔离和恢复单元的目标是“失效操作”行为，也就是发生失效的故障后，还能继续执行任务。这意味着，如果在主发动机增压模式执行之前或期间发生单次故障，探测器能够使用主发动机或其他推力器实现机动。

备份和重新配置概念

木星冰月探测器的所有平台单元都是有备份的，一般采用三种工作模式，①冷备份：使用主单元，备份单元保持关机状态；②温备份：使用主单元，备份单元开机，准备在主单元发生故障时接管；③热备份：同时使用主单元和备份单元。

使用哪种方案，不是一成不变的，而是根据任务阶段的关键程度和其他限制（主要是与功率相关的限制）而改变的。在关键任务阶段，温备份或热备份更受青睐，但会导致更高的功耗，因此不能长期使用。在科学观测期间，应尽量减少平台功率消耗，以便为仪器操作分配尽可能多的功率。

工程师在为木星冰月探测器安装射频系统

只要探测器的完整性得到保证，故障检测、隔离和恢复单元将优先进行本地重新配置（例如，从主单元切换到备份单元）。故障检测、隔离和恢复单元主要服务于第二个目标，也就是尽量减少对科学观测的影响。如果本地重新配置无法实现，探测器将自主切换到安全模式，科学任务将被迫中断。

一般来说，为了避免触发安全模式，将会优先使用热备份。比如说，陀螺仪在通电后，需要大约20秒才能提供良好的测量。在主陀螺仪发生故障而备份陀螺仪未加电的情况下，会导致探测器在没有陀螺仪的情况下运行20秒。这是不安全的。在这种情况下，探测器就只能进入安全模式了。所以在关键任务阶段，要把备份陀螺仪加电，实现温备份，并准备在发生故障时接管主陀螺仪的任务。这样的切换是实时的，并且能避免安全模式。

关键任务阶段的故障应对策略，是关闭所有对任务成功不必要的装置，例如，木星轨道捕获或木卫三轨道捕获设备将在实施轨道机动前关闭。当然，这种策略也是灵活应变的。例如，太阳能电池阵列驱动电子设备在木星轨道捕获/木卫三轨道捕获之前的正常模式下以冷备份运行，但在主机燃烧期间将以热备份运行。这是为了避免主机意外关机的情况下，可以重新配置太阳能电池阵列驱动机构电子设备。

木星冰月探测器的设计不考虑多故障同时发生，但对多故障还是有应对能力的，具体取决于任务阶段的关键程度。例如，双遥测发射故障会在标准任务阶段导致进入安全模式，而关键阶段则会导致遥测发射机关闭，因为遥测发射不是关键机动执行的必备功能；多飞轮故障将在标准任务阶段导致进入安全模式，并切换到推力器控制模式，以继续执行关键机动。

在德国测试的木星冰月探测器

安全模式概念

木星冰月探测器的安全模式由中央命令和数据管理单元管理。如果检测到安全模式已经触发，处理器模块将根据预定义的顺序，重新配置和重新启动（驱动硬件选择在安全模式下使用）。由于故障检测、隔离和恢复单元在安全模式下处于活动状态，因此可以触发一系列重新配置动作。

微波暗室中的木星冰月探测器

在安全模式下，从电源和通信的角度来看，木星冰月探测器会自动置于最安全的配置中：高增益天线指向太阳（有光照情况）或地球（阴影情况），中增益天线指向地球（有光照情况）；太阳能电池阵列指向太阳，有光照情况倾斜70°，直到离开光照区。安全模式所需的参数（例如接地星历表、高增益天线指向选项）存储在以热备份运行的安全防护存储器里。所有参数都定期或按任务相变更新。

从姿轨控的角度来看，木星冰月探测器安全模式首先使用陀螺仪和推力器降低速率，然后使用太阳敏感器，陀螺仪和推力器进行太阳捕获（高增益天线指向太阳）。然后使用星敏感器获取3轴姿态（姿态控制仍然使用推力器）。然后木星冰月探测器自动指向以恢复通信，要么高增益天线指向地球，要么高增益天线保持太阳指向，中增益天线转向地球。最终，姿态控制功能从推力器切换到反作用飞轮，并且可能会不时触发自动轮卸载，具体取决于进入安全模式后的地面干预。如果得到地面的授权，则可以绕过太阳捕获阶段，直接使用星敏感器获取3轴姿态，以加快安全模式的收敛。在最坏的情况下，安全模式在变轨初期发生，探测器可以在没有地面联系的情况下存活约30天。

如果星敏感器没提供有效的测量值，木星冰月探测器将进入生存模式。这种特定模式称为“地球频闪”（是从罗塞塔号探测器继承而来）。高增益天线保持太阳指向，中增益天线移动到固定位置，探测器缓慢旋转，使得中增益天线波束在每次旋转时拦截地球。地面站可以捕获射频信号载波并执行“从生存模式恢复”程序。生存模式恢复非常棘手，姿轨控制系统继续尝试获取星敏感器数据，一旦恢复了有效的测量值，就恢复到通常的安全模式，然后设法恢复正常模式。

木星冰月探测器的中增益天线