深空探测对我国地面测控站升级的需求

我国近年建成的深空测控网可以对未来的火星探测任务和其他深空探测任务实现自主测量和控制,并且同时具备对深空探测器的微波测速测距和VLBI测量能力.遥远深空探测任务加大了微波信号在星-地链路之间的往返传输时间,改变了测控链路信号的上、下行路线几何构型,导致同一个天线系统难以对探测器同步完成上、下行链路的业务,是对目前地面测控通信能力的挑战.本文以典型的火星探测为例,分析了深空探测器的微波闭环跟踪测控对我国深空测控系统单站设备的升级需求,并对深空站相应的改造提出了建议:1)单站单一天线上、下行时分交替测控模式;2)利用设置了单一天线的多个深空测控站协同三程开环链路测控,实现对探测器的控制和遥测;3)采用DSN/JPL/NASA的方案,在每个深空测控站配置多套天线系统,全部天线共用台站时频资源实现单站闭环上、下行实时连续测控.

嫦娥系列探月卫星无线电科学实验简介

在"嫦娥1/2/3号"系列探测任务中开展了行星无线电科学探测实验,这些工作包括:使用天文VLBI技术对探测器进行工程和科学测轨、定位观测,开环和闭环测速测距观测,基于微波观测重构和优化月球重力场模型,通过重力异常揭示质量瘤和撞击盆地。星载或器载主/被动雷达设备还用于探测月壤和月球内部结构。在"嫦娥2号"任务中,实现了对拉格朗日平动点利萨如轨道飞行的测控,以及对图塔蒂斯小行星的飞掠探测。在"嫦娥3号"任务中,实现了多通道开环3向相位测距和多普勒测速技术。该月球无线电相位测距技术LRPR作为一种新的空间测量技术,可以用于测定台站的位置、潮汐、星体的自转特性。还可以与月球激光测距技术LLR融合,监测月球动力学运动变化,并有潜力用于未来的火星探测任务。

月面冯·卡门撞击坑的着陆选址和科学探测目标浅析

冯·卡门(Von Kármán)撞击坑位于月球背面南极-艾肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地中部,是中国"嫦娥4号"计划的优先级较高的探测目标。对该撞击坑的着陆和探测,有助于揭示月球形成和演化的一些关键问题,在月球科学研究中具有重大的意义。论文概要总结了冯·卡门撞击坑的研究意义和科学价值:结合LRO卫星LOLA数据、Clementine UV-VIS数据、GRAIL数据、"嫦娥2号"卫星CELMS等数据,简要分析了冯·卡门撞击坑的地形、成分、深部结构和亮温分布等特征及其科学意义:结合这些研究成果和前人对冯·卡门撞击坑的研究期望,提出了3个预选着陆区和可能的科学发现。

“嫦娥”-1号探测数据新证认两个月球背面质量瘤区域

月球重力场与地形数据组合,可以揭示月球壳、幔等内部结构,还可以揭示月壳中的物质分布异常集中的区域–质量瘤区域。利用“嫦娥”-1月球地形模型,并结合优化的月球重力场,新证认“嫦娥”-1发现的月球背面中尺度撞击盆地Fitzgerald-Jackson、以及南极区域的Amundsen-Ganswindt是两个质量瘤异常区。同时也进一步确认了Amundsen-Ganswindt盆地的存在,消除了在这个问题上的不确定性。这类中尺度的月球质量瘤的发现证明了“嫦娥”-1号月球探测数据在测月学研究中具有独特的优势和特点。

月球电离层掩星探测研究

日本SELENE/KAGUYA探测任务提供了研究月球电离层的机会。采用无线电掩星探测技术和趋势外推算法,消除地球电离层和行星际等离子体的干扰影响,残余的信号相位信息的变化反映了月球电离层的信息,估算出月球周围附近近似对称分布的稀薄电离层中电子总含量(TEC)约为每立方米10-14个。

NASA历表在深空导航中的发展和比较

利用不同版本的数值历表,对我国正在进行的探月工程以及后续的金星、火星和木星等深空探测中的导航问题进行分析和讨论。对DE405、DE421和DE430的动力学模型及其使用的观测数据进行了分析比较,考察了历表的精度和稳定性。并根据DE430历表简单讨论了木星在我国深空探测站的可视问题,为以后深空导航提供参考。简单讨论了中科院国家天文台行星无线电研究团组基于月球无线电测距(LRR)发展我国自己的历表以及开展基于月球深空导航计划的可行性。

利用VLBI技术进行深空航天器跟踪的仿真分析

差分VLBI(D-VLBI)技术常用于测量航天器相对于参考射电源的角位置,用其跟踪深空航天器可取得足够高的精度。针对深空探测任务中D-VLBI技术的特性,提供了观测时间间隔的设置参考,通过仿真分析,研究了航天器和参考射电源之间的角距离、传播路径上的介质差异等因素及其对观测精度的影响,为后续深空航天器飞行任务的设计提供技术支持。

多层月球模型的自转动力学与着陆探测

着重于寻找月核证据并将月核模型引入月球天平动理论中,探讨如何将多种空间探测技术应用于毫角秒精度的月球天平动观测,进而测定液态和固态月核参量。通过讨论多层月球的月球物理参数、流体核的几何与动力学椭率、松散黏滞的月幔,可获得月球相关详细信息与参量,这些参量对评估多层结构的月球自由天平动很重要。物理天平动的解析理论还可应用于未来多种月球工作中,期望在近代月球科学研究基础上能有进一步发展。

表层穿透雷达在月球与深空探测应用中的研究进展及趋势

表层穿透雷达是一种利用电磁波探测有损介电材料内部结构及材料性能变化的地球物理方法,是目前唯一能够穿透荒芜的行星表面,寻找到隐藏水冰迹象的探测手段,同时也是最适合对行星浅层土壤结构和岩石变化引起的电磁不连续进行成像的无损检测方法。回顾了表层穿透雷达在地外行星探测几十年的发展历史,列出目前国内外采用表层穿透雷达技术的探测任务,总结了这些探测任务所载雷达的科学目标、探测性能及探测成果。在此基础上结合雷达技术发展的最新动态,给出表层穿透雷达在月球与深空探测应用中的主要发展趋势。

基于CELMS数据的月球东海微波辐射特性研究

根据月壤(FeO+TiO2)含量数据和"嫦娥2号"卫星CELMS数据,对月球东海地区微波辐射特性进行了研究。结果表明,在东海内部(FeO+TiO2)含量较高的地区,其正午和午夜时刻的亮温值都比较高,亮温差值也比较大,但亮温及亮温差值的分布随频率变化呈现不均匀性;Maunder撞击坑的(FeO+TiO2)含量较低,但其低频和高频亮温及亮温差值的表现正好相反;区域F(约10°S/106°W)、G(约5°S/104°W)和以(13°S/103°W)为中心的区域的微波辐射存在明显异常。这些区域的微波辐射特性对研究东海地区的形成演化过程具有重要意义。

双层结构月球的自由天平动与受迫天平动

根据JPL/NASA发布的月球行星历表DE430/LE430提供的月球物理参数,计算了月球主转动惯量;使用刚体月球转动微分方程获得的月球物理天平动解析关系式,计算了不同分层模型的月球自由天平动三个模式的频率及周期,比较并讨论了不同的解析结果;在此基础上,评估了月球受迫天平动一个模式的幅度。

基于太空风化的尖晶石二向性反射特性研究

简要介绍了不同太空风化条件下尖晶石的光谱特性,特别是利用Hapke模型计算了不同太空风化条件下尖晶石的二向性反射率分布特征。模拟的结果显示,对M3数据,可比较0.6μm和1.9μm附近的吸收特征;对IIM数据,则需要先分析太空风化程度,然后比较0.6μm和0.9μm附近的吸收特征来判断是否为尖晶石。该结论为选择探月传感器的波段组合识别尖晶石提供了依据,也为应用M3数据和"嫦娥1号"IIM数据的尖晶石判别奠定了基础。

藏匿在冯·卡门坑南部下方的月球质量瘤

月球着陆探测的候选着陆区域的质量异常分布,预示着对应区域发生过复杂的动力学演化过程,存在着异常丰富的物质组成。对月球的质量异常分布或重力场异常的探测是基于绕月卫星重力探测方法获取的,结合"嫦娥1号"月球探测获得的月球重力场异常模型与地形探测模型的数据,分析揭示存在于月球背面的质量瘤区域,研究结果表明:使用多次任务的数据首次证认了一个位于中尺度撞击区域,冯·卡门(Von Kármán)撞击坑的南半部和边缘的正下部的质量瘤,暂定编号CEFC04,冯·卡门撞击坑是该区域形成后,又一次大型撞击产生的。这类显著的被藏匿的中尺度月球质量瘤的发现,对探测研究月球的演化有重要意义。

月球表面“冷点”和“热区”研究:嫦娥二号微波亮温数据分析

月球微波亮温数据是研究月球表面物理性质的重要数据源。本文基于嫦娥二号微波辐射计37 GHz通道微波亮温数据,计算了亮温数据月球地方时,获取了月球一天中不同时间段的12幅月表微波亮温分布图。其中,月球白天亮温正异常区("热区")和月球夜晚点状亮温负异常区("冷点")是最为显著两类亮温单元。"热区"和"冷点"具有独特的亮温特征和昼夜变化规律:相对周围环境,"热区"在月球白天亮温明显偏高,夜晚亮温较低,"冷点"在月球夜晚亮温明显偏低,白天亮温略高;与同纬度地区相比,"热区"和"冷点"的升温和降温速率都较大。对比分析月表影像图、Ti O2含量、物理温度和石块含量数据,我们发现:"热区"对应月海区Ti O2含量较高,同纬度地区的亮温和Ti O2含量呈明显正相关,较高Ti O2含量是"热区"形成的主要因素;大部分"冷点"中心都对应着年轻辐射纹撞击坑,"冷点"中心夜晚物理温度和岩石含量较高,"冷点"地区亮温与其夜晚温度和石块含量呈负相关分布,较高的石块含量是"冷点"形成的主要因素。

合成孔径雷达海面溢油探测研究进展

海洋溢油污染不仅严重威胁海洋生态安全、破坏海岸带环境,而且直接和间接地影响着广大人民群众的生活和健康以及区域社会经济的发展。合成孔径雷达因其具有全天候和高灵敏度的观测能力而成为海面油膜探测的主要手段之一。该文从SAR海面油膜探测的基本原理出发,介绍了单极化、全极化和紧缩极化SAR海面油膜探测技术的国内外最新研究进展,对该技术手段在实际应用中遇到的主要困难和挑战做了深入分析,最后总结展望了该技术未来发展的广阔前景。

月球动力学专辑

尽管学界普遍认为：由于月球的体积相对较小,所以比地球和火星的冷却速度快许多;甚至认为早在20亿年前,月球上成规模的火成活动已经停止.然而,多年来的探测和研究结果以及目前仍然发生在月球上的动力学活动,如：频度不低的不同深度的月震、月球激光测距揭示的月球自转不均匀变化以及内部炽热的核幔边界存在的巨大的潮汐加热和耗散,这些动力学过程有力地支持了月球仍然活着这一观点.

利用多线程编程技术生成月球极区太阳高度角数据库

目前,月面太阳能依然是人类进行月面探测的最主要能量来源之一.因此,对月面光照情况的研究不仅为月球的形成演化研究提供重要科学信息,同时也对月球探测有着重要的工程和国防意义.本文利用LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)获得最新的高精度((1/1 024)°)的月面地形数据,创新性地提出了一个基于多线程编程技术的计算算法,实现了并行计算.分辨率和计算效率都较之前的结果有了很大提高,在较短的时间内生成了月球两极地区最低太阳高度角数据库,为今后的月球两极区域高精度和时间长跨度的光照条件分析提供了数据支持.

利用全月重力/地形导纳估计月球弹性层厚度

利用最新的GRAIL月球重力数据和LRO地形数据,计算重力/地形导纳及其相关性。结果表明,最新的测月数据能够在球谐系数达到500阶的时候依然保持比较高的相关性,精度得到很大的提高。全月重力/地形导纳在50阶以下(波长大于~220 km),之后迅速增加,维持在110 mgal/km附近。利用Gauss-Newton迭代法计算得到全月弹性平均厚度Te=11.7 km,表明很有可能月球地形在月球早期就已经形成。

俄罗斯“月球-全球”和“月球-资源”探月任务

俄罗斯月球-全球-1着陆器将于2015年发射,主要目的是测试月球着陆器的软着陆技术。月球-全球-2轨道器计划于2016年发射,将先后在距月面500km、150km和50km的高度上飞行。2017年计划发射的月球-资源-1着陆器,将是搭载大量科学载荷和承担相应探测任务的月面科学研究站。与苏联时期所研制的月球车相比,分别在月球-资源-2和月球-资源-3着陆器上搭载的俄罗斯新一代月球车——月球车-3和月球车-4,将携带更加先进的科学仪器,能够精确分析采集样品的化学成分、光谱特征等。其运行模式包括行走、勘察、接近目标、接触目标和样品采集与分析,将对月球极区表面环境进行全面探测。结合对俄罗斯"月球-全球"和"月球-资源"探月任务的介绍,针对中国的探月计划提出如下建议:探月任务的实施,应以科学研究为主要目的,以建立月球基地为目标,借鉴国外探月技术,开展国际合作,为形成独立的月球科学体系打下坚实基础。

月球撞击坑辐射纹的形成和消失机制及可能的年代学应用

辐射纹是年轻撞击坑周缘呈辐射状分布的明亮细条纹,是月表最显著的地貌特征之一,也是月球科学领域热点研究之一。根据目前对于月球撞击坑辐射纹的形成和类型的认识,分析辐射纹消失相关的空间风化、撞击导致的物质混合等地质过程;比较不同形成年龄撞击坑辐射纹的光学成熟度(OMAT)剖面,发现溅射物逐渐成熟过程中OMAT剖面的演变过程,撞击坑辐射纹OMAT剖面可采用幂函数描述;OMAT剖面形态参数与溅射物暴露年龄(撞击坑形成年龄)有很强的相关性。利用已知年龄且存在辐射纹的撞击坑为参考点,建立辐射纹OMAT形态参数与撞击坑形成年龄的经验关系,提出了约束撞击坑形成绝对年龄的可行方案。