國(guó)際金星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)展和我國(guó)金星重力梯度計(jì)劃的實(shí)施*

鄭 偉 許厚澤 鐘 敏 劉成恕

(中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077)

1 引言

深空探測(cè)計(jì)劃是20世紀(jì)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)探索空間環(huán)境和利用空間資源的關(guān)鍵途徑，主要包括5個(gè)研究領(lǐng)域:月球探測(cè)、火星探測(cè)、水星/金星探測(cè)、巨行星探測(cè)以及小行星/彗星探測(cè);預(yù)期科學(xué)目標(biāo)是:開發(fā)空間資源、擴(kuò)展生存空間、探索宇宙起源。

金星是太陽(yáng)系中距地球最近的行星(最近4 100萬(wàn)千米)。金星是除太陽(yáng)和月球之外，在天空中能直接看到的最明亮天體。雖然金星和地球被稱為“孿生姊妹”，但金星在諸多方面與地球迥然不同:1)金星自東向西逆向旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)周期(243天)大于公轉(zhuǎn)周期(225天);2)由于日金距離比日地距離短約1/3，因此金星獲得的太陽(yáng)能比地球多1 倍;3)由于金星具有非常濃密的大氣層，因此金星的反照率(0.76)在太陽(yáng)系行星中名列前茅。為了盡快揭開金星的神秘面紗，自20世紀(jì)60年代起，以蘇聯(lián)和美國(guó)為代表的國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)競(jìng)相開展了金星探測(cè)計(jì)劃，并獲得了大量的金星研究數(shù)據(jù)和科學(xué)信息，主要包括:蘇聯(lián)“金星”系列(16 個(gè)探測(cè)器)、美國(guó)“水手”系列(10 個(gè)探測(cè)器:3 個(gè)飛向金星、6 個(gè)飛向火星、1 個(gè)對(duì)金星和水星開展雙星觀測(cè))、美國(guó)“麥哲倫”探測(cè)器、歐洲“金星快車”探測(cè)器、日本“拂曉”探測(cè)器等。

金星重力場(chǎng)的精密探測(cè)決定著環(huán)金飛行器軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)和理想著陸點(diǎn)的合適選?。?－10］。由于當(dāng)前金星重力場(chǎng)信息均是通過環(huán)金飛行器的多普勒跟蹤數(shù)據(jù)獲得，其僅敏感于金星重力場(chǎng)的中低頻信號(hào)，而且探測(cè)精度相對(duì)較低，因此盡早實(shí)施專用金星重力衛(wèi)星計(jì)劃，進(jìn)而構(gòu)建高精度和高空間分辨率的金星重力場(chǎng)模型刻不容緩。

2 國(guó)際金星探測(cè)計(jì)劃研究進(jìn)展

如表1 所示，國(guó)際科研機(jī)構(gòu)共發(fā)射了32 個(gè)金星探測(cè)器，如果將路過金星的探測(cè)器計(jì)算在內(nèi)，總數(shù)已達(dá)40 余個(gè)。

表1 國(guó)際金星探測(cè)計(jì)劃發(fā)展歷程［1－10］Tab.1 Progress in international Venus exploration programs［1－10］

國(guó)際未來金星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)展如表2。

3 金星重力場(chǎng)模型建立進(jìn)展(1980—2002年)

金星重力場(chǎng)模型是指金星引力位按球諧函數(shù)展開中引力位系數(shù)的集合{Clm，Slm}。自蘇聯(lián)于1961年2月4日首次發(fā)射金星探測(cè)器“金星－1A”以來，國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)已利用多種技術(shù)開展了大量的金星重力場(chǎng)測(cè)量。表3 列出了基于金星探測(cè)器觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的主要金星重力場(chǎng)模型，其中MGNP180U 模型是利用“麥哲倫”探測(cè)器的多普勒跟蹤數(shù)據(jù)建立的180 階次金星重力場(chǎng)模型，在180 階處解算金星引力位系數(shù)精度為2.5 ×10－9。雖然MGNP180U 模型是至今為止解算精度較高的金星重力場(chǎng)模型，但由于“麥哲倫”金星探測(cè)器的主要科學(xué)目標(biāo)并非金星重力探測(cè)，因此金星重力場(chǎng)測(cè)量精度有待進(jìn)一步提高。基于地球?qū)Ｓ弥亓πl(wèi)星CHAMP、GRACE 和GOCE 以及月球?qū)Ｓ弥亓y(cè)量衛(wèi)星GRAIL 在高精度探測(cè)重力場(chǎng)方面的卓越貢獻(xiàn)，盡早發(fā)射金星專用重力衛(wèi)星是建立更高精度和更高階次金星重力場(chǎng)模型的優(yōu)選途徑，通過將來專用重力衛(wèi)星測(cè)量金星重力場(chǎng)的預(yù)期精度較目前金星探測(cè)器精度至少提高10 倍。

表3 金星重力場(chǎng)模型Tab.3 Venus gravity field models

4 對(duì)我國(guó)實(shí)施金星重力梯度計(jì)劃的建議

4.1 SST-HL/SGG-Doppler-VLBI 觀測(cè)模式的優(yōu)化選取

SST－HL/SGG－Doppler－VLBI(Satellite－to－Satellite Tracking in High－Low/ Satellite Gravity Gradiometry mode associated with Doppler and Very Long Baseline Interferometry)觀測(cè)系統(tǒng)由地球Doppler－VLBI 系統(tǒng)、低軌金星重力梯度衛(wèi)星、聯(lián)系Doppler－VLBI 系統(tǒng)和低軌金星重力梯度衛(wèi)星的中繼高軌衛(wèi)星群組成。該觀測(cè)模式的優(yōu)點(diǎn)如下:1)由于采用傳統(tǒng)金星探測(cè)器的多普勒跟蹤數(shù)據(jù)僅能獲得金星重力場(chǎng)的中長(zhǎng)波信號(hào)，而衛(wèi)星重力梯度張量可直接測(cè)量金星引力位的二階導(dǎo)數(shù)，進(jìn)而反演金星重力場(chǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的中短波信息。因此，衛(wèi)星重力梯度測(cè)量技術(shù)是提高金星中高頻重力場(chǎng)信號(hào)精度的優(yōu)選途徑;2)基于衛(wèi)星多普勒觀測(cè)的傳統(tǒng)衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)主要取決于衛(wèi)星定軌精度的高低，而SST－HL/SGG－Doppler－VLBI 對(duì)定軌精度的要求相對(duì)較低，主要原因是加速度計(jì)陣列本身可測(cè)定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，而且重力梯度數(shù)據(jù)的后處理可進(jìn)一步改善衛(wèi)星的定軌精度;3)金星重力梯度衛(wèi)星在近圓、近極軌和低軌道上連續(xù)飛行可獲得全球覆蓋和規(guī)則分布的重力梯度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的密度和分布取決于衛(wèi)星飛行時(shí)間、數(shù)據(jù)采樣間隔、軌道參數(shù)等;不僅可高精度探測(cè)金星重力場(chǎng)信號(hào)，而且可借鑒地球重力梯度衛(wèi)星GOCE［22－26］整體系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。

4.2 衛(wèi)星軌道高度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于不同金星探測(cè)器的軌道高度敏感于不同階次的金星引力位系數(shù)，因此目前已有金星探測(cè)器僅在特定軌道高度區(qū)間可發(fā)揮優(yōu)越性，而在軌道空間范圍外基本無(wú)能為力。如果我國(guó)將來金星重力梯度衛(wèi)星也設(shè)計(jì)在已有金星探測(cè)器的軌道高度空間范圍，除非金星重力場(chǎng)的反演精度高于它們，否則效果僅相當(dāng)于其測(cè)量的簡(jiǎn)單重復(fù)，對(duì)于金星重力場(chǎng)反演精度的進(jìn)一步提高無(wú)實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。因此，我國(guó)將來金星重力梯度衛(wèi)星的軌道高度應(yīng)盡可能選擇在已有金星探測(cè)器的測(cè)量盲區(qū)，進(jìn)而信息互補(bǔ)。我國(guó)將來金星重力梯度衛(wèi)星雖然攜帶了非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)，但由于有限測(cè)量精度的非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)法將作用于金星重力梯度衛(wèi)星體的非保守力完全平衡掉，同時(shí)軌道和姿態(tài)微推進(jìn)器的頻繁噴氣將導(dǎo)致衛(wèi)星攜帶燃料的大量損耗。因此，適當(dāng)降低我國(guó)將來重力梯度衛(wèi)星的軌道高度有利于提高金星重力場(chǎng)的反演精度，其代價(jià)是略微損失了衛(wèi)星的工作壽命。綜上所述，我國(guó)將來金星重力梯度衛(wèi)星的軌道高度設(shè)計(jì)為50 ～100 km 較合理。

5 我國(guó)實(shí)施金星重力梯度計(jì)劃的重要意義

迄今為止，蘇聯(lián)、美國(guó)、歐洲和日本已發(fā)射了40余顆金星探測(cè)器，另外，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、日本和德國(guó)預(yù)計(jì)于2020—2025年將聯(lián)合開展更高精度和更加全面的金星探測(cè)計(jì)劃。但至今為止，國(guó)際科研機(jī)構(gòu)仍未制定金星專用重力衛(wèi)星測(cè)量計(jì)劃，因此我國(guó)應(yīng)盡早開展金星重力梯度計(jì)劃。

金星重力梯度計(jì)劃是一項(xiàng)多學(xué)科和高技術(shù)相互交叉、滲透和集成的系統(tǒng)工程。由于地球和金星有較多相似之處，因此基于金星的成因、演變和構(gòu)造等方面的科學(xué)信息，有助于研究地球的起源、發(fā)展和演變史，可較大程度提升人類對(duì)地球、金星、太陽(yáng)系、銀河系、以及宇宙起源和演變特性的認(rèn)知和理解。

繼探月計(jì)劃［27－29］和火星探測(cè)計(jì)劃［30－32］之后，金星探測(cè)已成為國(guó)際眾多航天大國(guó)關(guān)注的研究熱點(diǎn)。類似于“嫦娥探月”計(jì)劃，金星重力梯度計(jì)劃的成功實(shí)施將成為提升我國(guó)深空探測(cè)科技水平的重要途徑。目前我國(guó)已在人造衛(wèi)星、載人航天、月球探測(cè)等研究領(lǐng)域取得了重大突破，因此盡早開展金星重力梯度計(jì)劃和積極參與金星資源的開發(fā)和利用是我國(guó)航天科技發(fā)展的重大舉措。

6 結(jié)論

開展金星衛(wèi)星重力梯度計(jì)劃將填補(bǔ)我國(guó)在金星探測(cè)方面的空白，為盡快縮短與國(guó)際先進(jìn)金星探測(cè)水平的差距提供良好的平臺(tái)和機(jī)遇，有助于進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)航天大國(guó)的影響力。

致謝感謝羅俊院士對(duì)本文的幫助。感謝美國(guó)宇航局( NASA)、俄羅斯聯(lián)邦航天局( RSA)、歐洲空間局( ESA)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( JAXA)等研究機(jī)構(gòu)提供金星探測(cè)計(jì)劃的相關(guān)資料。

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