嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的初步科學(xué)成果與嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的使命

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái), 北京 100012)(2 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 貴陽(yáng) 550002)

1 嫦娥一號(hào)的初步科學(xué)成果

北京時(shí)間2007年10月24日18 時(shí)05 分04秒,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星從發(fā)射升空到準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)月工作軌道,一共經(jīng)歷了主動(dòng)段、調(diào)相軌道段、地月轉(zhuǎn)移軌道段和環(huán)月軌道段等4 種不同的軌道,經(jīng)歷了1 次遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌、3 次近地點(diǎn)變軌、1 次中途修正、3 次近月制動(dòng)等8 次變軌過(guò)程。2007年11月7日8 時(shí)24分,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星開(kāi)始進(jìn)行第三次近月制動(dòng),衛(wèi)星繞月球的運(yùn)行周期為127min(2.12h), 進(jìn)入距月面200km 高的極軌工作軌道,一共歷時(shí)13d14h19min,行程200 多萬(wàn)千米,隨后開(kāi)始科學(xué)探測(cè)。

2009年3月1日,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星受控撞擊月球的東經(jīng)52.36°、南緯1.50°的豐富海區(qū)域,比預(yù)期1年的工作壽命延長(zhǎng)4 個(gè)多月,圓滿完成各項(xiàng)科學(xué)探測(cè)使命。

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行495d,裝載的8 臺(tái)(套)科學(xué)儀器工作正常,一共取得1.37Tbyte 的原始科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù),地面應(yīng)用系統(tǒng)研制的0、1、2、3 級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品約4T byte,并已陸續(xù)發(fā)布給全國(guó)相關(guān)的科學(xué)家開(kāi)展探測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究[1-2]。2010年5月,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星所獲得的全部科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù),在繞月探測(cè)工程地面應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)站上對(duì)外公布,供全世界的科技工作者研究使用。在月球探測(cè)的數(shù)據(jù)獲取、處理、研究和應(yīng)用等方面取得了一系列高水平的科學(xué)探測(cè)成果。

1.1 質(zhì)量最高的全月球影像圖和月球標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)地圖

2008年7月,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星CCD 立體相機(jī)共獲得508 軌南北緯70°以內(nèi)和589 軌南北緯70°～90°極區(qū)的全月球影像數(shù)據(jù),第一次實(shí)現(xiàn)了月球表面影像的100%覆蓋。并于2008年11月12日公開(kāi)發(fā)布主要利用正視影像拼接而成的“中國(guó)首次月球探測(cè)工程全月球影像圖”(圖1), 其在幾何配準(zhǔn)精度、數(shù)據(jù)的完整性與一致性、圖像色調(diào)等方面,均明顯優(yōu)于國(guó)際上已有的各類(lèi)全月球影像圖,是當(dāng)前國(guó)際上數(shù)據(jù)覆蓋最全、質(zhì)量最好的全月球影像圖[3]。

利用嫦娥工程多種數(shù)據(jù)源解算得到全月球地形數(shù)據(jù),對(duì)全月球圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了正射校正,修正了圖像的幾何變形、空間位置和像元灰度,獲得了“全月球正射影像圖”。這是迄今為止國(guó)際上變形程度最小、位置精度最高、圖像色調(diào)最一致和空間覆蓋最完整的全月球影像圖,將成為新的月球“標(biāo)準(zhǔn)像”——月球基礎(chǔ)地圖(Lunar Base Map)[3]。

在地面應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟硬件環(huán)境基礎(chǔ)上,在月球影像數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)取得如下成果:

1)2007年11月26日,根據(jù)最初19 軌CCD 正射影像圖的一部分,繪制并公開(kāi)發(fā)布第一幅月面平面圖像和三維影像。2)一些典型地區(qū)地形地貌特征平面和三維影像,主要有各月海、海灣、各主要山脈、月湖、月谷、月溪和嫦娥撞擊坑、張衡撞擊坑、郭守敬撞擊坑、萬(wàn)戶撞擊坑、第谷撞擊坑等各類(lèi)月表典型地貌單元平面與三維影像。3)利用CCD 立體相機(jī)313 軌的探測(cè)數(shù)據(jù),拼接制作了S70°～N70°的月球影像圖,利用CCD 立體相機(jī)276 軌的探測(cè)數(shù)據(jù),編制了S70°～90°和N70°～90°兩極區(qū)影像圖。根據(jù)589 軌的探測(cè)數(shù)據(jù),完成了比例尺為1 ∶250 萬(wàn)的全月球影像圖。4)利用CCD 立體相機(jī)制作的500m數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)制作了一些典型月表地貌單元的3D 景觀數(shù)據(jù)。5)正在繪制中的月球三維影像圖、撞擊坑大小與分布圖、月球線性和環(huán)形構(gòu)造圖、月球構(gòu)造區(qū)劃圖,將相繼公布發(fā)表。

圖1 中國(guó)首次月球探測(cè)工程全月球影像圖Fig.1 Global Lunar Image M ap of China's First Lunar Exploration Project

1.2 精度和分辨率最高的全月球數(shù)字高程模型和三維月球地形圖

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星激光高度計(jì)共獲得了約916 萬(wàn)個(gè)月表測(cè)高數(shù)據(jù),是目前國(guó)際上最多的測(cè)高采樣數(shù)據(jù),制作了空間分辨率為3km 左右的全月球數(shù)字高程模型(DEM)(圖2)。利用覆蓋全月球的嫦娥一號(hào)立體相機(jī)三線陣CCD 數(shù)據(jù),采用三線陣數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法,解算了全月球的地形數(shù)據(jù),制作了全月球三維數(shù)字地形產(chǎn)品, 數(shù)據(jù)全球平差的平面中誤差為192m,高程中誤差為120m;全月球數(shù)字高程模型(DEM)空間分辨率達(dá)500m,等高線數(shù)據(jù)的等高距達(dá)500m。全月球數(shù)字地形圖產(chǎn)品(包括數(shù)字高程模型、正射影像和數(shù)字等高線圖)在數(shù)據(jù)覆蓋范圍、平面定位與高程精度、空間分辨率等方面均明顯優(yōu)于國(guó)際現(xiàn)有全月球數(shù)字地形產(chǎn)品[4]。

圖2 根據(jù)激光高度計(jì)探測(cè)數(shù)據(jù)制作的全月球DEM 圖Fig.2 DEM map of the moon f rom CE-1 laser altimeter

1.3 建立了月球影像數(shù)據(jù)和激光高度計(jì)數(shù)據(jù)的處理方法

圍繞獲取月表三維影像圖,地面應(yīng)用系統(tǒng)有針對(duì)性地開(kāi)展了一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn),主要集中在CCD立體相機(jī)圖像數(shù)據(jù)處理與全月球平面圖像數(shù)據(jù)拼接關(guān)鍵技術(shù)方法,月表三維影像制作關(guān)鍵技術(shù)方法,激光高度計(jì)測(cè)距數(shù)據(jù)處理方法,激光高度計(jì)高程數(shù)據(jù)處理方法, 激光高度計(jì)偽彩色月球渲染地形圖(DEM)制作方法,CCD 立體相機(jī)圖像數(shù)據(jù)與激光高度計(jì)測(cè)距數(shù)據(jù)聯(lián)合處理方法等。研制了CCD 立體相機(jī)圖像處理、激光高度計(jì)數(shù)據(jù)處理、月表三維影像演示成果攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理、月表三維影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)等軟件產(chǎn)品[3]。

1.4 獲取月球表面某些元素、礦物的分布圖

我國(guó)首次月球探測(cè)在月球化學(xué)元素和物質(zhì)成分方面的探測(cè)重點(diǎn)放在某些關(guān)鍵性元素、巖石類(lèi)型和分布上。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星伽馬射線譜儀共獲取了1 103軌有效探測(cè)數(shù)據(jù),已完成U、K、Th 的元素含量分布圖的編制。嫦娥一號(hào)干涉成像光譜儀共獲得了706 軌有效探測(cè)數(shù)據(jù),覆蓋了月球南北緯70°以內(nèi)84%的月表區(qū)域(相當(dāng)于全月球的79%)。通過(guò)對(duì)FeO、TiO2元素含量的反演,結(jié)合伽馬射線譜儀和X 射線譜儀探測(cè)的元素含量與分布數(shù)據(jù),相互融合進(jìn)行克里普巖、斜長(zhǎng)巖和玄武巖的粗略劃分,評(píng)估月球某些礦產(chǎn)資源如鈦鐵礦、稀土與放射性元素等的開(kāi)發(fā)利用前景。

1.5 全月球四頻段微波亮度溫度數(shù)據(jù)

嫦娥一號(hào)微波探測(cè)儀共獲取了1 690 軌探測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)累積時(shí)間約2 642h,數(shù)據(jù)多次覆蓋了全月球表面。嫦娥一號(hào)微波探測(cè)儀科學(xué)數(shù)據(jù)包括3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz 和37.0GHz 四個(gè)頻段的微波輻射亮度溫度(亮溫),是國(guó)際上首次采用被動(dòng)微波遙感技術(shù)測(cè)量全月球微波輻射信息,進(jìn)而探測(cè)月壤特性,反演月壤厚度。目前已處理得到全月球不同光照條件的微波輻射亮溫,月球表面的亮溫分布明顯受到月球地形和物質(zhì)組成的影響(圖3)[5-6]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步反演月壤厚度,評(píng)估氦-3資源[7]。

圖3 根據(jù)嫦娥一號(hào)微波探測(cè)儀科學(xué)數(shù)據(jù)獲得的37GH z 全月球黑夜、白晝亮度溫度(亮溫)分布圖[6]Fig.3 Global brightness temperature map of the Moon from Chang'e-1 Microwave Radiometer(37.0 GHz night and daytime)

1.6 獨(dú)特的近月空間高能粒子和太陽(yáng)風(fēng)離子數(shù)據(jù)

在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星上,安裝了1 臺(tái)太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器和2 臺(tái)太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器,進(jìn)行了月球軌道空間環(huán)境探測(cè)。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間,多次經(jīng)過(guò)月球背面的屏蔽區(qū)、行星際空間、地球磁層的磁鞘和磁尾區(qū)等4 個(gè)空間區(qū)域。太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器共獲取了1 846 軌有效探測(cè)數(shù)據(jù), 累積時(shí)間為2 868.5h;太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器獲取了1 815 軌有效探測(cè)數(shù)據(jù),累積時(shí)間為2 852.3h,其中約60%的時(shí)間處于太陽(yáng)風(fēng)中。

空間環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)的初步分析和對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)它們與地球磁場(chǎng)和月表帶電粒子之間相互作用過(guò)程中的一些獨(dú)特物理現(xiàn)象。太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器還監(jiān)測(cè)到月球兩極日夜交界面附近,從日側(cè)向夜側(cè)速度逐漸增加的粒子流、月球向陽(yáng)面的太陽(yáng)風(fēng)離子反射現(xiàn)象等空間環(huán)境事件,這些事件揭示了太陽(yáng)風(fēng)中的等離子體物理過(guò)程和與月球相互作用過(guò)程,將加深我們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)與無(wú)大氣弱磁化天體相互作用的認(rèn)識(shí),對(duì)豐富太陽(yáng)輻射及其與地球磁場(chǎng)和行星(月球)的相互作用具有特殊的意義。進(jìn)一步深入地分析與比對(duì)研究,有望獲得更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

1.7 獲得撞擊月球前的高分辨月面影像

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星經(jīng)軌道調(diào)整、速度減為1.627km/s 后,目標(biāo)瞄準(zhǔn)撞擊點(diǎn),當(dāng)衛(wèi)星降落到距離月面59km 高度時(shí),CCD 立體相機(jī)開(kāi)機(jī),邊下降、邊拍照。從開(kāi)機(jī)拍攝到撞擊月面的15min 內(nèi),CCD 立體相機(jī)工作到最后一刻,一共下傳撞擊前1 469km的高分辨月面影像,為研究月面精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了高質(zhì)量素材。2009年3月1日16 時(shí)13 分10 秒,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)確撞擊月球東經(jīng)52.36°、南緯1.50°的豐富海預(yù)定撞擊點(diǎn)。

總之,繞月探測(cè)工程是中國(guó)邁向深空探測(cè)的第一步,通過(guò)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星為期1年多的在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行,獲得了大量的探測(cè)數(shù)據(jù),在月球基礎(chǔ)科學(xué)和深空數(shù)據(jù)處理和反演方法等各個(gè)方面都取得了豐碩的成果。

2 嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的使命——承前啟后,持續(xù)發(fā)展

根據(jù)我國(guó)月球探測(cè)工程的規(guī)劃,我國(guó)的月球探測(cè)工程(嫦娥工程)分為“繞”、“落”、“回”三期工程。一期工程為繞月探測(cè),對(duì)月球進(jìn)行全球性、整體性和綜合性探測(cè);二期工程為月面軟著陸和巡視勘察,對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行精細(xì)的就位探測(cè)與月球車(chē)巡視勘測(cè);三期工程為月球采樣返回,在著陸區(qū)進(jìn)行就位采樣和巡視鉆孔取樣,樣品返回地球后開(kāi)展系統(tǒng)的高精度的實(shí)驗(yàn)室分析研究[8-10]。當(dāng)前,繞月探測(cè)工程已經(jīng)取得了圓滿成功,目前正在實(shí)施月球探測(cè)二期工程。二期工程的第一顆衛(wèi)星嫦娥二號(hào)(Chang'e-2)將于2010年10月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。

與嫦娥一號(hào)相比,嫦娥二號(hào)衛(wèi)星作為“探月二期工程”的先導(dǎo)星,在技術(shù)上將實(shí)現(xiàn)六個(gè)方面的創(chuàng)新突破,通過(guò)執(zhí)行對(duì)月球進(jìn)行“精細(xì)探測(cè)”的任務(wù),有利于今后嫦娥三號(hào)(Chang'e-3)衛(wèi)星能夠安全地在月球表面軟著陸。

嫦娥一號(hào)衛(wèi)星裝載了CCD 立體相機(jī)和激光高度計(jì),主要負(fù)責(zé)“平面掃描”和“立體測(cè)繪”,圓滿完成了對(duì)全月球地形地貌的普查性探測(cè)。探月二期工程將實(shí)施月面軟著陸,開(kāi)展著陸器就位探測(cè)和月球車(chē)巡視勘測(cè)。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星作為二期工程的先導(dǎo)星,在工程上的主要任務(wù)是試驗(yàn)驗(yàn)證部分關(guān)鍵技術(shù)和新設(shè)備,試驗(yàn)新的奔月軌道,降低探月工程二期的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星在科學(xué)上的首要任務(wù)是對(duì)月面著陸區(qū)進(jìn)行詳查,精細(xì)地測(cè)繪著陸區(qū)的地形地貌。為此,嫦娥二號(hào)衛(wèi)星相對(duì)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星做了多方面改進(jìn)和提高,主要包括:

1)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星與嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)不同。嫦娥一號(hào)發(fā)射后,先是環(huán)繞地球飛行了7d,經(jīng)過(guò)4 次變軌才進(jìn)入奔月軌道。從發(fā)射到進(jìn)入環(huán)月軌道總共歷時(shí)大約13d14h19min,行程200 多萬(wàn)千米。這次發(fā)射的嫦娥二號(hào)將新開(kāi)辟地月之間的“直航航線”,即直接發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道,待幾次中途修正和近月制動(dòng)后,即進(jìn)入繞月軌道,這將使嫦娥二號(hào)的地月飛行時(shí)間縮短至120h。

2)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星較嫦娥一號(hào)衛(wèi)星距月表200km 的軌道要低,將在距月球表面約100km 高度的極軌軌道上繞月運(yùn)行,這樣,有利于對(duì)重點(diǎn)地區(qū)作出精細(xì)測(cè)繪。

3)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星直飛月球的方式,對(duì)運(yùn)載火箭的入軌精度和入軌速度提出了更高要求。另一方面要求火箭的總沖增加,執(zhí)行此次任務(wù)的長(zhǎng)征-3C 火箭,較之前運(yùn)送嫦娥一號(hào)上天的長(zhǎng)征-3A 火箭增加了兩個(gè)助推器,使嫦娥二號(hào)衛(wèi)星直接進(jìn)入200km/380 000km的地月轉(zhuǎn)移軌道。

4)為獲得著陸區(qū)的精細(xì)地形數(shù)據(jù),嫦娥二號(hào)激光高度計(jì)的激光脈沖發(fā)射頻率增至原來(lái)5 倍——從嫦娥一號(hào)每秒發(fā)射1 個(gè)激光脈沖提高為每秒發(fā)射5個(gè),使留下的“激光足印”間距更小,激光測(cè)距精度也可達(dá)5m,從而獲得月球上幾個(gè)重點(diǎn)區(qū)域的高密度高程測(cè)量數(shù)據(jù)。

5)嫦娥二號(hào)所攜帶的CCD 立體相機(jī)的空間分辨率由嫦娥一號(hào)時(shí)期的120m 左右提高到小于10m。其它探測(cè)設(shè)備也將有所改進(jìn),所探測(cè)到的有關(guān)月球的數(shù)據(jù)將更加詳實(shí)。

6)嫦娥二號(hào)的有效載荷配置比嫦娥一號(hào)少一項(xiàng),即不采用干涉成像光譜儀探測(cè)月球表面的礦物成分。嫦娥二號(hào)的主要科學(xué)目標(biāo)是對(duì)月球著陸區(qū)和其他重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)測(cè)繪、立體成像,其他科學(xué)探測(cè)總體上將延續(xù)嫦娥一號(hào)科學(xué)目標(biāo),對(duì)月球表面元素分布、月壤厚度、近月空間環(huán)境等做更進(jìn)一步的科學(xué)探測(cè)。這些更高空間分辨率的探測(cè)數(shù)據(jù)可以與嫦娥一號(hào)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行互相校核,進(jìn)一步改進(jìn)月球遙感數(shù)據(jù)的定量反演算法和模型。

7)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星將驗(yàn)證100km/15km 軌道機(jī)動(dòng)與快速測(cè)定軌技術(shù)。測(cè)試將飛行軌道由100km圓軌道調(diào)整為遠(yuǎn)月點(diǎn)100km 、近月點(diǎn)15km 的橢圓軌道的能力,部分演練嫦娥三號(hào)衛(wèi)星可能采用的飛行軌道。

8)根據(jù)月球探測(cè)二期工程的要求,為提高測(cè)控精度,除S 頻段外新增了X 頻段的測(cè)控。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星飛行測(cè)控將首次驗(yàn)證我國(guó)新建的X 頻段深空測(cè)控體制。相比嫦娥一號(hào)衛(wèi)星使用的S 頻段測(cè)控,X 頻段無(wú)線電傳輸信號(hào)頻率更高,遠(yuǎn)距離測(cè)控通信效果更好,我國(guó)深空測(cè)控通信能力將擴(kuò)展到地球-火星距離。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之,在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星取得圓滿成功之后,嫦娥二號(hào)衛(wèi)星作為探月二期工程的先導(dǎo)星,進(jìn)行了一系列技術(shù)改進(jìn)。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星從發(fā)射到第一次近月制動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間由13d 縮短為5d,環(huán)月軌道高度由200km 降低為100km, CCD 相機(jī)像元分辨率由120m 提高到10m, 激光高度計(jì)測(cè)量月面高程由1次/s 提高到5 次/s。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星將獲得月面著陸區(qū)地形地貌的精細(xì)探測(cè)數(shù)據(jù),并試驗(yàn)和驗(yàn)證探月二期工程的關(guān)鍵技術(shù)。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星將發(fā)揮承前啟后、持續(xù)發(fā)展的先導(dǎo)作用,為探月二期的實(shí)施成功奠定科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

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