嫦娥系列探月衛(wèi)星無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)簡介

平勁松,王明遠(yuǎn),張素君,,簡念川,王震,3,鄢建國,4,孟橋,陳從顏,席禹豪,唐繼斐,張?zhí)煲?李文瀟,6,張洪波,汪敏

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012;2.中國科學(xué)院上海天文臺(tái),上海200030; 3.中國科學(xué)院新疆天文臺(tái),烏魯木齊830011;4.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430070; 5.東南大學(xué)空間學(xué)院,南京210018;6.北京師范大學(xué)天文系,北京100875;7.中國科學(xué)院云南天文臺(tái),昆明650011)

嫦娥系列探月衛(wèi)星無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)簡介

平勁松1,王明遠(yuǎn)1,張素君1,2,簡念川2,王震1,3,鄢建國1,4,孟橋5,陳從顏5,席禹豪5,唐繼斐5,張?zhí)煲?,李文瀟1,6,張洪波1,汪敏7

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012;2.中國科學(xué)院上海天文臺(tái),上海200030; 3.中國科學(xué)院新疆天文臺(tái),烏魯木齊830011;4.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430070; 5.東南大學(xué)空間學(xué)院,南京210018;6.北京師范大學(xué)天文系,北京100875;7.中國科學(xué)院云南天文臺(tái),昆明650011)

在“嫦娥1/2/3號(hào)”系列探測任務(wù)中開展了行星無線電科學(xué)探測實(shí)驗(yàn),這些工作包括:使用天文VLBI技術(shù)對(duì)探測器進(jìn)行工程和科學(xué)測軌、定位觀測,開環(huán)和閉環(huán)測速測距觀測,基于微波觀測重構(gòu)和優(yōu)化月球重力場模型,通過重力異常揭示質(zhì)量瘤和撞擊盆地。星載或器載主/被動(dòng)雷達(dá)設(shè)備還用于探測月壤和月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在“嫦娥2號(hào)”任務(wù)中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)利薩如軌道飛行的測控,以及對(duì)圖塔蒂斯小行星的飛掠探測。在“嫦娥3號(hào)”任務(wù)中,實(shí)現(xiàn)了多通道開環(huán)3向相位測距和多普勒測速技術(shù)。該月球無線電相位測距技術(shù)LRPR作為一種新的空間測量技術(shù),可以用于測定臺(tái)站的位置、潮汐、星體的自轉(zhuǎn)特性。還可以與月球激光測距技術(shù)LLR融合,監(jiān)測月球動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)變化,并有潛力用于未來的火星探測任務(wù)。

無線電科學(xué);嫦娥;月球探測;多普勒;VLBI

0 引 言

深空探測任務(wù)中的無線電跟蹤數(shù)據(jù)可以直接用于月球與行星科學(xué)研究。這類探測是通過分析提取探測器到地球之間的無線電波傳播途徑上的擾動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。測控通信載波無線電信號(hào)的相位與幅度變化被用于反演行星大氣和電離層的結(jié)構(gòu)[1]、月球與行星重力場[2-3]、行星質(zhì)量、環(huán)的特征、歷表,以及驗(yàn)證廣義相對(duì)論效應(yīng)。這類探測任務(wù)幾乎被融入所有的深空探測任務(wù)之中。在中國的繞月探測任務(wù)中也毫不例外地被成功用于對(duì)探測器的精密定軌和對(duì)月球重力場模型的反演優(yōu)化[4]。

VLBI(very long baseline interferometry)技術(shù)被引入中國天文觀測的歷史有30年左右。從2003年開始,這項(xiàng)技術(shù)被用于中國的月球和深空探測的測控任務(wù),在“嫦娥1/2/3號(hào)”月球系列探測中發(fā)揮了重要作用。從2007年開始在任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了DOR和DOD VLBI技術(shù)。在“嫦娥1號(hào)”繞月探測任務(wù)中[5-6],統(tǒng)一S波段測控(USB)數(shù)據(jù)和VLBI數(shù)據(jù)被用于月球重力場分析。在“嫦娥2號(hào)”任務(wù)中這些技術(shù)導(dǎo)引了探測器在日地L2平動(dòng)點(diǎn)附近開展了利薩如軌道的飛行探測,之后又飛掠了圖塔蒂斯小行星。為了更好地抑制電離層的影響,還把探測頻段提高到了X波段。開環(huán)鏈路測量還被中俄聯(lián)合火星探測任務(wù)所采納[7-8]。任務(wù)實(shí)現(xiàn)的相干信號(hào)DOR鏈路,為研發(fā)測試月球無線電測距技術(shù)提供了前所未有的機(jī)遇。

自“嫦娥1號(hào)”計(jì)劃開始,無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在中國的月球與深空探測中逐步得到了發(fā)展。中國VLBI網(wǎng)參與了歐洲空間局(ESA)的月球、火星和金星探測器跟蹤,并把同波束VLBI技術(shù)用于月女神探測計(jì)劃和“嫦娥3/4號(hào)”探測計(jì)劃。基于單天線的測量技術(shù)也被用于對(duì)“嫦娥1/2號(hào)”探測器的實(shí)時(shí)追蹤,以及用于對(duì)月球重力場的探測。特別地,借助對(duì)火星快車和金星快車的探測機(jī)會(huì),我們成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)行星大氣和電離層的掩星探測,獲得了行星大氣物理特征的擴(kuò)線分布。在這項(xiàng)技術(shù)中研制的多普勒和行星無線電科學(xué)接收機(jī),已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了3向多普勒測速和相位測距,并且在進(jìn)一步的優(yōu)化中。

“嫦娥3號(hào)”是中國的第一顆月球軟著陸探測計(jì)劃。在“嫦娥3/4號(hào)”任務(wù)中使用了S/X波段雙頻測控鏈路,俄羅斯的月球-全球/資源探測計(jì)劃中,使用了X/Ka雙頻測控鏈路。雙頻同時(shí)的觀測可以有效地扣除行星際等離子體介質(zhì)和電離層的影響。同時(shí),這些軟著陸器由于不在移動(dòng),是月球表面固定的無線電信標(biāo)源。對(duì)它們的精密測量,實(shí)際上就相當(dāng)于對(duì)月球本身運(yùn)動(dòng)的測量。這些信標(biāo)源結(jié)合高精度的測速和測距觀測,可以用來測量月球與地球之間的距離變化,與LLR技術(shù)聯(lián)合檢測月球的物理天平動(dòng)。這類觀測實(shí)現(xiàn)的月球行星無線電相位測距技術(shù),可以克服LLR技術(shù)在光學(xué)波段遇到的困難和問題,主要包括:無法在滿月和新月時(shí)順利觀測;受到臺(tái)站惡劣天氣氣候的干擾;臺(tái)站幾何構(gòu)型等。對(duì)于LRPR技術(shù),理論上可以全天候觀測,而且對(duì)臺(tái)站的要求不苛刻,配備了原子鐘的地面射電天文臺(tái)站大都可以方便地實(shí)施。這類技術(shù)可以用于對(duì)美國INSIGHT火星探測計(jì)劃的觀測和后續(xù)的中國火星探測計(jì)劃。

本文第1節(jié)介紹了“嫦娥1號(hào)”任務(wù)中開展的以探測器精密定軌和月球重力場重建為核心的無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)情況;第2節(jié)介紹了“嫦娥2號(hào)”任務(wù)中安排的新技術(shù)實(shí)驗(yàn);第3節(jié)介紹了“嫦娥3/4號(hào)”任務(wù)中實(shí)施和將要實(shí)施的月球無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 “嫦娥1號(hào)”探測任務(wù)中的無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)

“嫦娥1號(hào)”月球探測器是中國獨(dú)立發(fā)射的第一顆月球探測衛(wèi)星,主要目標(biāo)是獲取月球表面的三維影像和月面物質(zhì)分布[5]?！版隙?號(hào)”繞月探測衛(wèi)星于2007年10月24日發(fā)射,經(jīng)過過調(diào)相段、地-月轉(zhuǎn)移段、月球捕獲段和環(huán)月飛行段等多次軌道調(diào)整后,成為繞月極軌道衛(wèi)星,平均高度為200 km?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星任務(wù)期間積累了大量的USB測距測速跟蹤數(shù)據(jù)和擴(kuò)頻信號(hào)VLBI數(shù)據(jù)。之前中國天文VLBI網(wǎng)對(duì)ESA的SMART-1月球探測器進(jìn)行了驗(yàn)證觀測,在所有的基線上獲得了4～5 ns的測量精度,見圖1。

圖1 Smart-1 VLBI跟蹤數(shù)據(jù)先驗(yàn)和擬合殘差對(duì)比Fig.1 Pre-and post-fit residual of the tracking delays of Smart-1

基于這個(gè)技術(shù)能力,該網(wǎng)也全程參與了對(duì)“嫦娥1號(hào)”的S頻段測控任務(wù),包括最后的受控撞擊到月面的全部過程。在受控撞擊月球的觀測階段,VLBI延遲和延遲率數(shù)據(jù)用于分析撞擊時(shí)刻和撞擊落點(diǎn)。從干涉測量數(shù)據(jù)分析來看,最后的有效數(shù)據(jù)時(shí)刻扣除光行時(shí)之后,給出的撞擊月表時(shí)刻是2009年3月9日UTC8 h13 m6.51 s。月面經(jīng)緯度高程分別是52.273 2°,1.644 0°和-3.56 km(以月球平均半徑1 738 km的球面為參照面),不確定度為0.004 0°, 0.016 8°和0.18 km。對(duì)應(yīng)的垂直于視線方向的位置測量誤差為0.52 km,全部位置誤差為0.55 km。這項(xiàng)技術(shù)為后續(xù)的月球軟著陸位置的工程測量提供了技術(shù)保障。

這類測距測速和VLBI測量數(shù)據(jù)可以用來進(jìn)行或參與月球重力場的解算。對(duì)月球探測器的精密定軌與人造地球衛(wèi)星的精密定軌類似,都是基于牛頓動(dòng)力學(xué)原理,結(jié)合觀測資料對(duì)初始軌道和重力場模型進(jìn)行改正。定軌過程涉及觀測量方程和運(yùn)動(dòng)微分方程。t時(shí)刻觀測量方程建立形式如下:

式中:Oc為t時(shí)刻通過模型計(jì)算得到的觀測量; f0為觀測時(shí)刻數(shù)據(jù)類型決定的幾何關(guān)系;r?、r?·為對(duì)應(yīng)時(shí)刻航天器的位置和速度,在計(jì)算測量值時(shí)需要轉(zhuǎn)化到太陽系質(zhì)心系下進(jìn)行計(jì)算;b為測量過程中的常數(shù)偏差;RFc為由大氣折射、電離層延遲、應(yīng)答機(jī)時(shí)延以及天線相位中心與幾何中心誤差等引起的測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)修正值,這一部分的改正可以在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段完成。方程中待估計(jì)的觀測模型參數(shù)有:動(dòng)力學(xué)參數(shù)p,包括航天器初始位置和速度(或者衛(wèi)星軌道根數(shù))、重力場球諧系數(shù)、大氣阻力系數(shù)、光壓系數(shù)等力模型參數(shù);以及與測量量和測站有關(guān)的常值偏差b等。其中,重力場由球諧函數(shù)展開形式表示

任務(wù)前的仿真分析表明,使用“嫦娥1號(hào)”測控?cái)?shù)據(jù)可以有效反演50階次以內(nèi)的月球全球重力場,而對(duì)更高階次的重力成分不太敏感。與飛行在100 km高度的“月女神”主衛(wèi)星比較,除采用了不同幾何構(gòu)型的軌道之外,“嫦娥”衛(wèi)星飛行過程中動(dòng)量輪卸載的頻度是每24～36 h/次,一個(gè)完整的自由飛行弧段可以包括18圈之多,是“月女神”的4～6倍。使用上述方法和數(shù)據(jù),成功獲得了50階次的CEGM01重力場模型。進(jìn)一步融合了“月女神”中繼星、VRAD星及主衛(wèi)星的雙程測距測速數(shù)據(jù),“月女神”中繼星與主衛(wèi)星的四程測速數(shù)據(jù),美國“月球勘察者”(LP)月球探測器正常任務(wù)段跟蹤數(shù)據(jù),美國1960年代發(fā)射的Apollo15與Apollo16子衛(wèi)星數(shù)據(jù),Lunar Orbiter I-V及Celementine等探測器的軌道跟蹤數(shù)據(jù),成功獲得了100階次的月球重力場模型CEGM02,模型重力異常分布見圖2。該項(xiàng)工作使得“嫦娥1號(hào)”成為繼LP探測器和“月女神”探測器之后,全球第3個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)月球重力場模型優(yōu)化的月球探測器。“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)的應(yīng)用使得月球全球重力場模型的長波長部分精度得到顯著提高,相比于“月女神”探測器模型在10階以內(nèi)精度提高1～2倍,在20階以內(nèi)有明顯改進(jìn)。低階重力場對(duì)揭示月球核幔邊界的低黏性半流體層的潮汐動(dòng)力學(xué)特性有著重要的作用。

圖2 月球表面自由空氣重力異常分布(單位:毫伽)Fig.2 Free air gravity of the Moon on the surface(Unit:mGal)

月球和行星自由空氣重力場的異常是由其星體表面形狀的起伏和內(nèi)部物質(zhì)密度空間異常分布共同產(chǎn)生的。利用月球重力場并與地形數(shù)據(jù)組合,可以為揭示月球殼、幔等內(nèi)部物理特征,探究月球深部構(gòu)造及層圈形態(tài),為研究早期月球內(nèi)部物質(zhì)演化與運(yùn)動(dòng)過程提供強(qiáng)有力的證據(jù),還可以揭示月殼中的物質(zhì)分布異常集中的區(qū)域——質(zhì)量瘤區(qū)域。利用“嫦娥1號(hào)”月球地形模型,結(jié)合優(yōu)化的月球重力場,證認(rèn)了月球背面中尺度撞擊盆地Fitzgerald-Jackson是質(zhì)量瘤異常區(qū),證明了“嫦娥1號(hào)”月球探測數(shù)據(jù)在測月學(xué)研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

通常結(jié)合月球自由空氣重力異常FAGA和地形DEM凹陷,Ⅰ～Ⅱ型月球質(zhì)量瘤盆地可以清晰地判定出來[2-3,9]。然而有些自然環(huán)境可能掩蓋質(zhì)量異常盆地。比如僅僅使用地形地貌數(shù)據(jù)有可能會(huì)錯(cuò)過對(duì)一個(gè)侵蝕很嚴(yán)重的古老盆地的辨認(rèn)。特別是當(dāng)一個(gè)尺度相當(dāng)?shù)暮罄m(xù)撞擊盆地破壞了該地區(qū)的形貌時(shí),這個(gè)問題就更加顯著。有時(shí)候一個(gè)比較顯著的地形凹陷盆地,其對(duì)應(yīng)的FAGA表現(xiàn)得不明顯,也可能錯(cuò)過對(duì)一個(gè)很大的質(zhì)量異常區(qū)的證認(rèn)。對(duì)于尺度在數(shù)百千米的撞擊盆地而言,判明其是否是質(zhì)量異常盆地,進(jìn)一步揭示那些被隱匿的質(zhì)量異常盆地,需要結(jié)合DTM、DEM、FAGA和月球布格重力異常(BGA)多種數(shù)據(jù)。

圖3 新證認(rèn)的月球隱性BGA盆地的地形(左)與BGA分布(右)Fig.3 Newly identified lunar hidden BGA basins,LAM(left) topography and BGA(right)

使用“嫦娥1號(hào)”探測器獲得的CEGM02月球重力異常模型以及CETM-s01激光高度計(jì)地形模型,我們計(jì)算了月球地形對(duì)自由空氣重力異常的貢獻(xiàn),進(jìn)一步獲得了月球布格重力異常BGA,對(duì)BGA的貢獻(xiàn)一般來自于月球內(nèi)部質(zhì)量和密度分布的不均勻。數(shù)據(jù)模型表明,月球南極的South Pole-Aitken (SPA)盆地就是月球表面最大的BGA質(zhì)量異常區(qū)域。我們還在月球的背面以及邊緣部分證認(rèn)了其他8個(gè)中尺度的月球BGA質(zhì)量盆地。圖3(a)～3(b)給出了部分新發(fā)現(xiàn)的隱匿的質(zhì)量異常盆地的地形和BGA分布特征圖。其中南極區(qū)域的Amundsen-Ganswindt盆地最早是在1969年阿波羅時(shí)代被提及或發(fā)現(xiàn)。在當(dāng)時(shí)獲得的影像中,這里隱隱約約是一個(gè)335 km直徑的區(qū)域凹陷,不能完全確認(rèn)是一個(gè)盆地,因其位于阿門德森和甘斯溫特2個(gè)撞擊坑之間而得名。1994年發(fā)射升空的Clementine探測器得到了這個(gè)區(qū)域的新的影像圖。這時(shí)的影像圖由于沒有直接的激光高度計(jì)數(shù)據(jù),仍然無法完全確定該地區(qū)為盆地,該盆地的存在與否一直是一個(gè)爭議問題。直到“嫦娥1號(hào)”發(fā)射升空后,順利地獲取了該地區(qū)的地形圖。如圖3(a)所示,與周圍區(qū)域比較,可以清晰地看到該地區(qū)要凹陷3～5 km,周圍被很陡的峭壁所環(huán)繞。利用“嫦娥1號(hào)”地形數(shù)據(jù)和重力異常數(shù)據(jù),如圖3(c)可以確定該地區(qū)的中心位置在東經(jīng)122°、南緯85°,直徑335 km。與歷史上早期判定的中心位置相比較要更靠南4°左右。與Fitzgerald-Jackson盆地類似,該地區(qū)的布格重力異常非常強(qiáng),達(dá)到了300～400 m Gal,是典型的布格重力異常區(qū)——質(zhì)量瘤地區(qū)。歷史觀測表明,該地區(qū)屬于比較古老的前酒海紀(jì)。

事實(shí)上,結(jié)合“嫦娥1號(hào)”地形和重力數(shù)據(jù),我們還首次發(fā)現(xiàn)了3處巨大的月面盾形火山位于風(fēng)暴洋區(qū)域[6]。CEGM02模型對(duì)月球科學(xué)研究的潛在貢獻(xiàn)還體現(xiàn)在:1)顯著提高了月球轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的探測精度,推算出更高精度的月核密度;2)對(duì)月球外核與下月幔的物質(zhì)狀態(tài)(非熔融固態(tài)、熔融液態(tài)、半熔融態(tài))、黏彈性特征有更明確的揭示,初步分析表明更接近半熔融態(tài);3)可以進(jìn)一步對(duì)月球的起源、演化過程提供重要線索。

2 “嫦娥2號(hào)”中的無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)

“嫦娥2號(hào)”是“嫦娥1號(hào)”月球軌道器的備份星,各類載荷的分辨能力都有顯著改進(jìn)。在無線電測量領(lǐng)域,除了繼續(xù)沿用USB測控體制和X頻段偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻VLBI信號(hào)以外,還開展了X波段DOR試驗(yàn)?！版隙?號(hào)”任務(wù)前新增設(shè)了可以工作在S/X波段的18 m測控天線,具備USB和UXB測控能力,而且增大的天線面積使得接收信號(hào)增益提高了將近6 dB,可以實(shí)施更遠(yuǎn)距離的測量。

“嫦娥1號(hào)”軌道器VLBI測量基于USB通信實(shí)現(xiàn),信號(hào)有效帶寬被限制在數(shù)百千赫,電離層影響也很顯著,測量精度被限制在幾納秒水平。為此,在“嫦娥1號(hào)”軌道器上設(shè)置了X波段發(fā)射系統(tǒng),可以發(fā)射數(shù)兆赫帶寬的VLBI偽隨機(jī)噪聲信號(hào),測量精度達(dá)到了1～2 ns,而且大幅抑制了電離層的干擾。這項(xiàng)技術(shù)和USB技術(shù)在探測器轉(zhuǎn)飛拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)和小行星飛掠過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

然而,USB的測速測距測量用于探測器軌道確定和月球重力場分析時(shí)受到了測控條件的限制,主要原因是“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星姿態(tài)維護(hù)、動(dòng)量輪卸載和加載過程發(fā)生在月球的背面,由探測器自主完成,并且沒有記錄發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間,導(dǎo)致軌道被分割成不明確起止時(shí)間的很短弧段,無法合理地確定探測器繞月飛行的精密軌道和月球重力場異常。

數(shù)兆赫帶寬的噪聲信號(hào)對(duì)進(jìn)一步提高VLBI測量構(gòu)成了限制。為此“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星測試了DOR信號(hào)體制,在主載波fo頻點(diǎn)兩邊調(diào)制了2組DOR側(cè)音:fo±(1/N)fo、fo±(1/5N)fo,合理分頻系數(shù)N的設(shè)置滿足利用多頻點(diǎn)測量相對(duì)距離解算模糊度的要求和精度要求。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中X波段DOR側(cè)音信標(biāo)等效帶寬為約40 MHz。在“嫦娥2號(hào)”拓展任務(wù)期間,測控系統(tǒng)完成了深空站的建設(shè),并聯(lián)合中國科學(xué)院VLBI網(wǎng)共同開展了DOR測試驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了0.5～1 ns的DOR延遲測量精度,且VLBI系統(tǒng)差問題得到很好改善。

3 “嫦娥3/4”號(hào)中的無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)

在成功實(shí)施了“嫦娥1/2號(hào)”的繞月探測計(jì)劃之后,我國于2013年底成功實(shí)施了“嫦娥3號(hào)”月球軟著陸和月面巡視探測?！版隙?號(hào)”發(fā)射重量約3.7 t、著陸器重量1.2 t、巡視器重量120 kg,包括20 kg的科學(xué)載荷。這次探測任務(wù)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)月球探測的關(guān)鍵技術(shù),包括:月面軟著陸、月面巡視探測、探測器月夜生存、深空寬帶高速通信和遠(yuǎn)程操控、火箭直接投入地月轉(zhuǎn)移軌道等。著陸器搭載的對(duì)月面實(shí)時(shí)激光和雷達(dá)測距技術(shù)在這個(gè)計(jì)劃中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。圖4顯示了月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲得的著陸器和巡視器在月面的互拍影像。

“嫦娥3號(hào)”是中國月球探測第2步、月面著陸探測的第1個(gè)實(shí)際實(shí)施任務(wù)。除了搭載許多光學(xué)遙感和就位探測科學(xué)載荷之外,它和“嫦娥4號(hào)”還設(shè)計(jì)搭載了4類無線電科學(xué)設(shè)備,可以開展包括月面天文在內(nèi)的多個(gè)關(guān)聯(lián)領(lǐng)域的探測,后者以往沒有在月面上使用過。在著陸器和巡視器上搭載的關(guān)鍵載荷包括極紫外望遠(yuǎn)鏡、探地雷達(dá)、HF頻帶天文射電頻譜儀。在“嫦娥4號(hào)”任務(wù)中可以通過調(diào)整探地雷達(dá)的頻率和工作模式靈活地實(shí)施天文觀測。探測任務(wù)首次從月面上通過極紫外望遠(yuǎn)鏡觀測太陽活動(dòng)對(duì)地球磁層等離子體的沖擊和影響,研究空間天氣在磁層中的物理過程。探測任務(wù)還設(shè)置了1個(gè)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡用于檢測在月面設(shè)置天文臺(tái)的相關(guān)技術(shù)和要求。

作為“嫦娥3號(hào)”的備份計(jì)劃,“嫦娥4號(hào)”預(yù)計(jì)在2018年之前發(fā)射升空?！版隙?號(hào)”巡視器上將搭載與“嫦娥3號(hào)”巡視器相同的科學(xué)探測載荷。包括4種無線電探測設(shè)備:1)HF和VHF頻段探地雷達(dá)。2)LF以及HF低頻射電天文頻譜儀。3)同波束X-波段VLBI信號(hào)發(fā)射器。4)S和X波段相干無線電測控信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器,用于探測器的高精度測速測距。

HF和VHF雙波段探地雷達(dá):雷達(dá)中心工作頻率分別為500 MHz和50 MHz,采用線偏振天線,用以探測月面以下數(shù)厘米至數(shù)百米的次表層結(jié)構(gòu)。在月女神探測任務(wù)中,搭載的LRS探地雷達(dá)可以數(shù)十米的分辨能力看到月表以下5～10 km的結(jié)構(gòu),并且確認(rèn)了月球質(zhì)量瘤異常盆地的玄武巖填充厚度最大在500～600 m?！版隙?/4號(hào)”的探地雷達(dá)將探測著陸區(qū)域的月壤厚度,并以更高的分辨能力探測其下部的玄武巖填充特性以及其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性。期望可以揭示局部的火成活動(dòng)歷史。

圖4 “嫦娥3號(hào)”任務(wù)Fig.4 Chang'e-3 mission

甚低頻射電天文頻譜觀測:觀測頻率從100 k Hz到1 MHz,或者從1 MHz到10 MHz,單偏振振子天線,配置頻譜分析儀器。由于地球電離層的阻擋,這些頻段是地球上看不見的。頻率低于5 MHz的來自宇宙空間的電磁波幾乎在任何時(shí)段和區(qū)域都難以通過地球的電離層到達(dá)地面。這個(gè)帶域必須突破地球的限制,利用空間探測器上搭載的天文射電天線以及行星軌道器探測雷達(dá)的被動(dòng)探測模式,開展對(duì)該頻帶的觀測。設(shè)備將對(duì)著陸區(qū)上空的電離層等離子頻率及其變化特性、機(jī)制進(jìn)行監(jiān)測研究,探測太陽II型III型爆發(fā)射電爆發(fā)、日冕高層的百米波和千米波爆發(fā)和輻射特性;還可以監(jiān)測地球磁層等離子體的千米波爆發(fā)的空間結(jié)構(gòu)特征并揭示其機(jī)理。除此之外,還有機(jī)會(huì)探測繪制銀河系空間在著陸區(qū)可見區(qū)域及干涉可見區(qū)域電離氫的分布,揭示與甚低頻輻射關(guān)聯(lián)的超新星遺跡演化特征和宇宙線產(chǎn)生機(jī)制;觀測來自河外星系的甚低頻輻射,約束宇宙演化模式和再電離發(fā)生的時(shí)間;檢測Askaryan效應(yīng)產(chǎn)生的超高能宇宙線如中微子轟擊月球表面的甚低頻輻射事件,并通過干涉測量確定事件發(fā)生的位置。特別地,頻率在100～1 000 k Hz的射電天文觀測非常有限,是天文電磁波譜的一個(gè)準(zhǔn)空白領(lǐng)域。另一個(gè)準(zhǔn)空白領(lǐng)域是亞毫米波到遠(yuǎn)紅外波段之間的區(qū)域。利用月球表面的著陸探測機(jī)會(huì),布設(shè)射電天線開展甚低頻天文觀測,將進(jìn)一步開創(chuàng)天文觀測的新領(lǐng)域。

VLBI信標(biāo)源及其同波束VLBI觀測:著陸器和巡視器搭載VLBI信標(biāo)發(fā)射機(jī),可以同時(shí)向地球方向發(fā)射X波段的DOR信號(hào)或偽隨機(jī)碼信號(hào)。中國VLBI網(wǎng)同時(shí)對(duì)落入天線方向束主瓣內(nèi)的2個(gè)探測器的信號(hào)進(jìn)行干涉雙差分測量,雙探測器的時(shí)延的差分為同波束VLBI時(shí)延觀測量。由于兩探測器距離接近,可以有效地消除來自傳播介質(zhì)、臺(tái)站設(shè)備延遲、鐘差的影響,以及消除對(duì)兩者共同的月球自轉(zhuǎn)、月面潮汐、地球自轉(zhuǎn)、地面潮汐、測站位置誤差和運(yùn)動(dòng)的成分,獲得高精度的巡視器-著陸器之間的相對(duì)位置,描繪巡視器的月面行進(jìn)軌跡,為就位探測提供測繪支持。

月球無線電相位測距:自從早期的Luna和Apollo月球探測任務(wù)在月面上設(shè)置了5個(gè)光學(xué)后向角反射器以來,月球激光測距LLR技術(shù)在測量月球的歷表、自轉(zhuǎn)、物理天平動(dòng)和表面固體潮汐方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而目前只有個(gè)別地面臺(tái)站可以開展LLR觀測,而且臺(tái)站的惡劣天氣、新月和滿月期間還將顯著地影響觀測,甚至導(dǎo)致無法實(shí)施觀測。無線電波段的觀測技術(shù)可以規(guī)避這些缺點(diǎn)和限制。

“嫦娥3號(hào)”探測器上設(shè)置了3向測量模式,由主站發(fā)射上行信號(hào),探測器轉(zhuǎn)發(fā)后由2個(gè)或多個(gè)副站接收下行信號(hào),實(shí)現(xiàn)了在同一時(shí)刻多個(gè)測站的測距/多普勒測速測量。其中,主站-副站測量模式的測量模型為三程測距或測速,主站-主站測量模式的測量模型為雙程測距或測速。測距模式采用側(cè)音測距等傳統(tǒng)模式,測量噪聲約1～2 m。

“嫦娥3號(hào)”月球著陸探測任務(wù)中,月球-全球著陸器上設(shè)置了VLBI信標(biāo)和載波鎖相轉(zhuǎn)發(fā)器,這個(gè)設(shè)計(jì)與“嫦娥3/4號(hào)”的安排基本類似。轉(zhuǎn)發(fā)器可以收發(fā)S/X波段的由地面氫原子鐘產(chǎn)生的測控信號(hào)。目前地面VLBI臺(tái)站利用這些原子頻標(biāo)和導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間比對(duì)技術(shù),可以同步到20 ns以內(nèi)。在未來的幾年里,這個(gè)指標(biāo)計(jì)劃提高到5 ns,達(dá)到國際上深空跟蹤站的時(shí)間同步水準(zhǔn)。利用這些技術(shù)條件,就可以針對(duì)“嫦娥3/4號(hào)”月面著陸器開展高精度的開環(huán)、閉環(huán)多普勒測量和載波相位距離測量。從2014年5月開始,每月安排3～4次觀測實(shí)驗(yàn)。積累的這類觀測數(shù)據(jù)可以改進(jìn)包括月球物理天平動(dòng)和固體潮汐在內(nèi)的月球動(dòng)力學(xué)觀測研究。并可用于地球動(dòng)力學(xué)研究。圖5給出了目前針對(duì)“嫦娥3號(hào)”著陸器開展了初步的觀測實(shí)驗(yàn)的一個(gè)測量的結(jié)果的例子。

圖5 “嫦娥3號(hào)”遙測主載波的一個(gè)多普勒和相位測量結(jié)果Fig.5 Chang'e-3 main carrier LRPR results:Doppler and phase noise

4 結(jié)束語

嫦娥系列探月計(jì)劃中開展無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)探測,可以取得關(guān)于月球演化特征的重要成果?！版隙?號(hào)”重力數(shù)據(jù)不僅發(fā)現(xiàn)了新的隱藏的質(zhì)量瘤異常區(qū),還利用其對(duì)月球重力場長波長部分的精度改進(jìn)證認(rèn)了在月球深處存在著超低黏性的半流體層(如圖6所示),是我國繞月探測的一項(xiàng)重要成果。另外,通過月球大地測量的手段進(jìn)一步揭示月球下月幔熔融區(qū)的存在,改變了人們對(duì)月球的認(rèn)識(shí),為建立更為精細(xì)的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型提供了參考。

圖6 月球內(nèi)部構(gòu)造示意圖Fig.6 Lunar interior structure

月球自轉(zhuǎn)不均勻變化有力地支持了月球仍然活著這一觀點(diǎn)。并且對(duì)于月球而言,來自地球和太陽的潮汐作用也許是主導(dǎo)目前月球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程的關(guān)鍵因素?！版隙?號(hào)”測距驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到毫米分辨能力。利用“嫦娥3/4號(hào)”探測器開展毫米分辨能力的高精度的月球無線電測距觀測,可以進(jìn)一步對(duì)月球的起源、演化過程提供重要的線索。

致謝

本研究數(shù)據(jù)和影像的獲得、實(shí)驗(yàn)的開展,得到了“嫦娥1/2/3號(hào)”月球探測工程任務(wù)測控系統(tǒng)和探月地面應(yīng)用系統(tǒng)的長期支持,在此一并表示感謝。

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通信地址:北京朝陽區(qū)大屯路甲20號(hào)中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(100012)

電話:(010)64807839

E-mail:jsping@bao.ac.cn

[責(zé)任編輯:高莎]

Radio Science Experiments in Chang'e Series Missions

PING Jinsong1,WANG Mingyuan1,ZHANG Sujun1,2,JIAN Nianchuan2,WANG Zhen1,3, YAN Jianguo1,4,MENG Qiao5,CHEN Congyan5,XI Yuhao5,TANG Jifei5, ZHANG Tianyi5,LI Wenxiao1,6,ZHANG Hongbo1,WANG Min7
(1.Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration,National Astronomical Observatories,CAS,Beijing 100012,China; 2.Research Center for Geo-Astrodynamics,Shanghai Astronomical Observatory,CAS,Shanghai 200030,China;3.Nashan Observation Station,Xinjiang Astronomical Observatory,CAS,Urumqi 830011,China;4.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,Wuhan University,Wuhan 430070,China; 5.Institute of Space,South-East University,Nanjing 210018,China;6.Department of Astronomy,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;7.Solar Radio Division,Yunnan Astronomical Observatory,CAS,Kunming 650011,China)

Planetary radio science experiments have been carried out in Chinese lunar exploration missions of Chang'e-1/2/3.The astronomical VLBI technique was adopted for tracking and orbiting of the Chinese Chang'e 1& 2 missions,and played an important role in positioning the orbit injection and hard landing.Besides the orbiters' POD work and lander positioning work using open loop and close loop R&RR and VLBI tracking data,many other experiments have also been done.In orbiter missions,the lunar gravity field model was improved by using Chang'e-1 R&RR data,and new topographical features were discovered based on the new model.Also,the micro-wave passive method was used to study the lunar surface and sub-surface features.In extended mission of Chang'e-2, POD by R&RR and VLBI played key role on L2 Lissajous orbit mission,and on Toutatis asteroid fly-by mission.InChang'e-3 landing mission,a 3-way open loop lunar radio phase ranging and Doppler technique was suggested and tested.This method,called Lunar Radio Phase Ranging(LRPR)can be a new space geodetic technique to measure the station position,earth tide and rotation,lunar orbit,tide and liberation,by means of independent observation, or to work together with Lunar Laser Ranging.Also,it can be used in future Mars mission.

radio science;Chang'e;luna mission;Doppler;VLBI

P691;V556.6

:A

:2095-7777(2014)03-0192-08

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.005

平勁松(1968—),男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:射電天文學(xué),月球與深空探測。

2014-08-01

2014-08-13

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB857101)