中国月球探测进展(2011-2020年)

回顾2011至2020年10年来中国月球探测的进展,重点介绍嫦娥三号和嫦娥四号任务工程实施情况以及取得的主要科学探测成果,展望中国月球和行星探测的未来发展.

太阳系探测的发展趋势与科学问题分析

分析了太阳系探测的发展趋势,认为从月球到火星是未来太阳系探测的主线,太阳系探测将从普查性探测向重点天体探测转变,从技术实现为主向科学牵引转变,国际合作成为太阳系探测的必然趋势。归纳了太阳系探测的关键科学问题,认为太阳系与行星系统的起源和演化是探测的终极科学目标,寻找地外生命和宜居环境是探测的主要驱动力,预防太阳活动和小天体撞击对地球的灾害性影响是探测的现实意义。在探月工程取得进展之后,中国应以月球和火星探测为主线,以火星探测为切入点,有序开展火星、小行星、太阳、金星、木星系统等太阳系探测任务,牵引航天技术进步,推动行星科学发展。

天语计划——寻找第二个太阳系及探索动态宇宙

像木星和土星这样的冷巨行星对类地行星的形成和宜居性起到了关键作用,因此,对像太阳系这样具有多个冷巨行星的系统的搜寻具有重要意义.Kepler以及TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite)太空望远镜成功地通过凌星的方法发现了大量短周期行星,然而这些巡天项目的观测基线不足以发现更长周期的行星.为此,天语计划将部署两台1m望远镜(天语一号和天语二号),用于结合天语和其他计划的数据通过凌星法来发现冷巨行星及其他行星,并最终发现类太阳系.天语一号具有约10平方度的视场以及高速CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)科学相机,将对超过1000万颗恒星每小时进行一次高精度测光采样,并通过天语二号的多波段测光、光谱仪以及高分辨率成像对天语一号发现的候选行星进行确认.天语望远镜将放置于海拔约4000m的中国青海冷湖,是目前中国境内最好观测台址之一.天语对亮于14等星的测光精度为0.1%,对亮于18等星的测光精度优于1%,天语预计在5yr内将在类太阳周期发现超过300颗凌星行星,其中包括约17颗冷巨行星.基于系统轨道共面以及孪生地球发生率为10%的假设,天语预计将发现1-2个类太阳系,并可被未来的地球2.0计划所证实.此外,天语还将通过多种巡天观测模式测量从亚秒到周时标的光变,探测不同时标的时域现象,包括超新星早期光变、稀有变星和双星、潮汐瓦解事件、Be星、彗星活动以及系外小行星等.这些发现不仅将深化我们对宇宙的理解,还将为公众科学和科普提供重要平台.

常见的恒星质量和恒星形成率计算方法之间的对比

针对斯隆数字巡天计划中有测光及光谱认证的正常星系的样本,利用天文多波段巡天数据,分别使用恒星质量和恒星形成率(SFR)的数种不同计算方法,从原理到结果进行相互对比。研究发现,不同的恒星质量估算方法的结果相互差异并不显著,然而SFR的不同方法之间存在不同程度且重要的误差。因此,在对星系间SFR进行相互比较,或是研究星系演化时的SFR分析时,应使用相类似的观测数据资料,以及同一种SFR估算方式,避免不同估算方式的偏差造成的错误解读。

斯托克斯椭偏仪的非线性最小二乘拟合偏振定标

由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度,从而影响偏振态的测量精度,本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法.该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数,根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式；然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线,进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.实验中使用该方法和传统方法在500～700 nm波段分别定标了KD＊P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.结果显示,新方法在500～600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根（RMS）偏差为1.6％,较传统定标方法提高约0.5％；波长大于600 nm时,由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4％,但仍然远高于传统方法的测量精度.结果表明,提出的方法简单易行,适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标.

火星探测天线组阵数据接收技术研究和验证实验

为了满足我国首次火星探测任务的需要,确保探测器有效载荷科学数据的顺利下传,将采用天线组阵的方式进行数据接收。天线组阵数据接收技术在航天工程中的应用国内尚属首次,为此开展了信号合成方法和处理流程的研究,提出了利用模型计算和基于科斯塔斯环的搜索估计相结合的初始时延和多普勒频差快速估计方法。利用现有的密云站50 m天线和昆明站40 m天线,以嫦娥3号着陆器数传信号为实验对象,开展了天线组阵与数据接收技术检验实验。研究和实验结果表明,全频谱合成方法优于符号流合成方法,其合成损耗小于等于0.45 dB,可用于我国首次火星探测任务天线组阵的信号合成;初始时延和多普勒频差快速估计方法可提高广域组阵信号互相关的搜索效率;所确定的信号合成技术流程和数据处理方法可用于后续信号合成软硬件设备的研制和开发。

月球光学遥感与制图研究进展

在月球探测活动中,光学成像探测是任务重点,也是信息量最大的数据源。航天技术和传感器技术的发展促进了月球光学遥感的发展,月球科学研究也越来越依赖于高分辨率遥感数据,对月球光学遥感与制图的研究是月球探测的关键问题之一。本文扼要论述了其中的几个方面,包括月球光学遥感数据获取系统、月球遥感立体测绘和制图,以及月球控制网构建等方面的研究进展。

面向移动端月球形貌展示的快速三维地图平台搭建

受限于移动设备运算能力和三维地图数据网络传输速度,如何在快速移动端流畅地显示月球三维地图,展示月球形貌细节,还是一个难点。为解决这一问题,本文首先考察已有的移动端三维地图实现方法,在此基础上研究了一种基于前后台异步渲染策略的三维月球地图实现方案;基于嫦娥月球数据,构建了一个月球三维形貌地图原型系统,并成功应用于移动端的嫦娥月球三维形貌数据发布。

日像仪观测太阳射电信号左右旋圆偏振的方法

使用Microwave Office软件,仿真分析MUSER-I（0.4-2 GHz）和MUSER-II（2-15 GHz）3 d B定向耦合器.电桥采用多节耦合器实现,且每节耦合器的长度为中心频率波长的1/4,对电桥进行分析并制作实物.实测结果表明,MUSER-I的3 d B定向耦合器的输出幅度在（-3±0.2）d B,输出端口相位差在91.9°-89°之间;MUSER-II的3 d B定向耦合器的电压驻波比在全频带范围内小于1.31,输出端口相位差在96.05°-85°之间.通过日像仪系统接收太阳左旋和右旋圆偏振射电信号,并计算信号的圆偏振度,得到观测圆偏振度与太阳信号本身圆偏振度之间的误差和太阳信号本身偏振度的关系.当太阳信号本身极化度为10%时,误差最大为9.4%.

从宋代“客星”到中国“天眼”中的脉冲星——“李约瑟难题”试答

研究和分析了中国古代天文学的辉煌成就与当今中国＂天眼＂——500 m口径球面射电望远镜（FAST）科学目标——脉冲星的关系。针对宋朝天文学家记录的客星与FAST正在进行的脉冲星观测,详述了宋代客星记录在世界科技史上的贡献;介绍了脉冲星发现历史与基本天体物理特征,以及脉冲星作为FAST科学目标的意义。以客星到脉冲星的千年追寻为线索,探索和尝试回答＂李约瑟难题＂,认为现代科学是人类文明共同体的长期探索结晶,中国在科学早期的发育过程中播撒了创新火种,而西方在文艺复兴运动中不断完善了科学体系,其中东西方科技的交流与传播得益于蒙古帝国在丝绸之路的远征与开拓。

“新视野号”探测冥王星及柯伊伯带综述

迄今为止飞得最快的航天器、人类发射的第一个冥王星探测器——"新视野号",经过约9年的行星际旅行,于2015年1月15日抵达距地球约47亿千米的冥王星附近,开始探测冥王星、冥卫、以及它们所处的柯伊柏带其他天体。柯伊柏带是1992年才发现的太阳系新大陆,虽然冥王星已被重新定义为矮行星,却从一颗颇具争议的行星成为数千颗冰冻小天体的"领头羊"。本文介绍了"新视野号"的科学目标和有效载荷,分析了"新视野号"采用的探测器长期休眠、木星借力、太空核能等关键技术,探讨了冥王星和柯伊柏带探测的意义。作为太阳系的冷库,柯伊伯带天体保留着太阳系形成时的原始状态,对它的探测,有助于揭示太阳系行星形成时的关键环节。"新视野号"也可能发现新的太阳系行星,其成果将有助于我们更深入地认识太阳系。

航天器姿态跟踪的非线性离散滑模仿真模型设计

为提高三轴稳定刚体航天器对时变参数摄动及外界环境干扰的鲁棒性能,提出一种基于非线性离散滑模控制的姿态跟踪控制系统设计方法.建立了航天器姿控模型,针对该模型中存在的时变特性与干扰力矩,将原系统进行反馈线性化解耦和模型离散化,由离散指数趋近律推导了离散滑模姿态控制律.依据某航天器的模型数据进行的仿真结果表明,所设计的离散滑模姿控系统在确保航天器姿态稳定的同时,实现了各通道的解耦控制,可有效减小干扰引起的姿态角跟踪偏差,对系统外干扰和内部参数摄动都具有良好的鲁棒性能,同时还验证了对指令跟踪的动态性能与采样周期的关系.

基于实时参数的大气折射模型和射电望远镜指向修正方法

在传统射电望远镜指向误差修正模型的基础上,考虑大气折射对指向精度的影响,提出了一种利用实时的温度、大气压强和相对湿度等数据实现大气折射角度精确计算的指向修正模型.针对不同的气象条件,对这一模型和传统模型的修正精度进行了仿真分析和对比,并将该模型应用到了上海天文台天马站65米射电望远镜的指向修正中.在65米射电望远镜Ku频段的观测实验验证表明,新的指向修正模型优于传统模型,65米指向精度在20°仰角以下提高了25.8%,15°仰角以下提高了45%,10°仰角以下提高了60%,总的俯仰指向精度达到5.00″,比传统方法提高了5.3%.基本消除了由大气折射引起的低仰角指向精度恶化.

红外望远镜站址大气传输和环境背景特性的测量分析研究

大口径的地基红外望远镜必须安装在具有良好大气条件的观测台站才能充分发挥其性能,天空背景辐射和大气传输特性是地基红外望远镜站址选择所需考虑的重要内容。采用消光-小角度散射法在西藏羊八井实测了太阳直接红外辐射和大气背景红外辐射,并根据备选站点的大气参数,采用CART软件计算了当地8~14μm波段整层垂直大气的光谱透过率、太阳直接光谱辐射和地面大气垂直向下的背景光谱辐射,以及相关量的波段积分值,这些结果有助于地基红外太阳望远镜的站址选择。

大型天线面板形变快速检测方法和精度分析

大型天线面板在使用的过程中受到环境及自身重力的影响,不可避免会发生形变,对天线性能产生影响。针对大型天线面板形变的快速动态检测需求,设计了基于高精度三维激光扫描仪的天线面板形变测量方案。采用拟合抛物面的算法进行点云数据配准,统计学和曲面拟合算法进行滤波和天线面板形变分析,通过测量、分析处理天线面板点云数据,获得了70 m天线面板形变信息,实现了高效率、高精度和自动化的大型天线面板形变检测。

基于图形处理器的转变边缘传感器读取系统信号处理技术研究

针对转变边缘传感器读取系统的信号处理需求,在现场可编程逻辑门阵列信号处理模式的基础上,基于图形处理器、通用并行计算架构等平台进行信号仿真处理技术研究;将联合现场可编程逻辑门阵列与图形处理器的信号处理模式应用于TES的信号读取和处理中,简化了算法的复杂度,提高了信号处理系统的灵活性,并利用模拟信号,验证了将该处理模式应用于中国西藏阿里原初引力波探测实验的可行性.

超高精度测光观测及数据处理分析方法

太阳系外行星大气是系外行星领域迅速发展且最具挑战的课题之一,它依赖于高精度的测光和光谱数据。以WASP-103b的近红外地基望远镜CFHT上WIRCam照相机观测的两次次食数据为例,详细介绍高精度测光对观测的要求,阐述所需的数据处理和分析方法。结果表明,采用本文方法,可以利用地面望远镜实现10^(-4)的超高精度较差测光。

有剪切速度的Sweet-Parker薄电流片在非线性阶段的不稳定性研究

以Harris Sheet作为初始条件,使用数值模拟的方法,研究了二级磁岛不稳定重联的一些性质.在模拟中随着初始扰动的加入,Harris Sheet将演化到非线性阶段,形成更薄的有剪切速度的电流片,并伴有一级磁岛产生.当Lundquist数大于或等于10~5时,非均匀剪切速度的Sweet-Parker电流片开始不稳定,并有二级磁岛出现.不稳定Sweet-Parker电流片对应的临界长宽比为65.Lundquist数越大,演化形成的Sweet-Parker电流片越薄,更多的二级磁岛将出现,且沿电流片两边向外喷出,随时间变大,相互合并.二级磁岛的出现使重联率增大,并与Lundquist数之间不再满足S^(-1/2)的关系,而似乎对它的依赖关系不明显.

致密射电源0400+258的毫角秒尺度偏振研究

利用美国甚长基线干涉阵,对致密射电源0400+258进行5 GHz和8 GHz双频段偏振观测,获得毫角秒尺度的辐射强度分布图像,并首次得到这个射电源在5 GHz和8 GHz频段的偏振矢量分布结果。源0400+258呈现单侧核—喷流结构,偏振辐射集中在射电核附近。通过4个频率的偏振分布,首次获得该源毫角秒尺度的旋转量分布。移除介质的影响后,得到该源内禀磁场结构,磁场方向大致沿着喷流方向。

日照对大型天线反射面面型误差的影响及修正方法

大型天线口径大、精度高、结构复杂且长时间在室外工作,日照对天线反射体产生非均匀、实时变化的热变形误差对天线电性能的影响日益突出.本文以景东120 m天线为具体研究对象,通过有限元方法计算在不同的观测姿态和日照环境下天线反射体的非均匀温度分布及其变化规律,探讨主反射面面形在实时变化日照影响下的演变规律,并针对面形非均匀热变形的实时误差开展补偿研究.结果表明,受太阳东升西落的影响,改变天线观测方位角可影响反射体温差变化达4℃,改变天线俯仰角可影响反射体温差变化达1.5℃,说明相同日照环境下,观测方位角对反射体的热影响更大;天线结构热变形在一天中呈现时变性与非均匀性,其中14时的变形量最大.受日照年度变化的影响,改变天线观测方位角将影响反射体温差呈增大、减小再增大的变化规律,其中夏季中午温度标准差最小,为0.1;对应地,反射体热变形全年呈增大、减小再增大的变化规律,其中冬季热变形最大,达2.6 mm,其余季节最大为2 mm,说明冬季日照对天线反射体的热影响更大.基于反射体热误差变化规律,引入误差耦合原理,分析反射体热变形误差,并通过馈源调整机构实现补偿.本文提出的反射体热变形仿真技术及馈源补偿方法可为提升大型天线指向精度提供理论基础与技术支持.