合成孔径雷达在深空探测任务中的应用与发展趋势

合成孔径雷达以飞机、卫星等运动物体为载体,具备全天候、全天时观测能力,俨然成为一种高效的遥感探测手段,在深空探测、军事侦察、地形测绘、灾害监测、农林生长监测和洋流观测等众多领域广泛应用。对几个国外深空探测器携带的SAR系统的技术状态、科学目标和探测成果进行了梳理,并作出了相应的比较分析,希望能够对中国未来深空探测任务提供一定的帮助。同时,对未来深空探测星载SAR发展趋势进行分析,星载SAR逐渐向着高分辨率、多参数、多模式、多基成像和轻量化等多方面发展,终将在更丰富的应用领域中发挥重要的作用。

表层穿透雷达在月球和深空探测中的应用

对月球以及更远天体或者空间环境的探测是人类航天活动的重要方向。开展月球和深空探测有利于研究太阳系起源、演化与现状,以及生命起源与演变等重大科学问题,有利于催生基础性、前瞻性的学科与技术。相比光学探测方法,雷达具有强穿透性、极化特性以及不受光照限制等优势,是探测天体特性的有效手段之一,在月球和深空探测中发挥了重要作用。电磁波能够穿透几米到几千米的次表层,可用于探测月球和深空目标的表层介电常数、次表层结构、电离层及水冰等。按照探测方式的不同,表层穿透雷达探测主要包括地基雷达、环绕器雷达及巡视器雷达3种方式。针对不同的科学目标,不同的探测方式具有各自的优势和不足。回顾了表层穿透雷达在月球、火星以及小行星等探测中的科学应用,总结了已经投入使用以及计划中的各种雷达科学载荷的探测任务、参数设计、工作原理和探测结果,展望了在未来利用表层穿透雷达进行月球和深空探测的发展趋势。

深空探测天文自主导航技术综述

自主导航技术在提高深空探测器自主生存能力、减轻地面测控负担、完成探测任务特殊阶段导航等多方面具有明显的优势,已经成为世界各国研究的热点。我国火星探测工程已经启动,将来还有其他小行星、彗星和行星及其卫星的探测计划。详细阐述了发展天文自主导航技术的必要性,阐述天文导航技术的基本原理及优势,并对国内外深空天文自主导航技术以及应用情况进行概述,总结了发展天文自主导航的关键技术。根据分析提出我国发展深空探测自主导航技术的建议与思考。

基于深空探测器下行信号的太阳风观测及通信链路的影响综述

在上合期间,日冕和太阳风严重影响深空通信链路。论述了非均匀太阳风对深空通信的影响,综述了基于深空探测器下行信号的太阳风观测,以及通过反演技术进行太阳风和日冕特性研究的国内外进展。以我国的深空探测为背景,提出一套基于探测器下行信号的太阳风观测方案,并可利用现有探测器进行预先观测研究。在我国深空探测任务开始后,在数据通信和测轨的同时,进行全过程的观测实验。

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.

深空探测天线阵大气相位扰动修正方法综述

大气相位扰动的实时修正,是深空探测天线阵微弱信号合成的关键技术。首先研究了造成大气相位扰动的原理及特点,对比分析了电离层和对流层对信号合成时的相位扰动影响。总结了国内外对流层延迟模型的研究现状,并对其应用于相位扰动实时修正中的不足进行了分析。阐述了深空探测与射电天文天线阵修正方法的异同,针对几种基于实测的深空阵大气相位扰动修正技术进行了对比研究。最后总结常用修正技术的不足,提出结合多种测量方法的综合修正技术,展望了高频段信号相位延迟的研究。

月球表面矿物二向性反射特性实验研究

月表物质成分探测是月球探测的重要组成部分。研究矿物在光学波段的吸收特征,可以达到识别月表矿物的目的。作为月岩的风化产物,月壤的成分包括了主要的月球成岩矿物：斜长石、橄榄石、辉石等。本课题以斜长石和单斜辉石作为研究对象,旨在研究单矿物的二向性反射特性。影响月壤反射率的因素包括成分、表面物理特性等多种因素,研究中选用美国ASD公司Filedspec3光谱仪,测量单矿物不同颗粒粒度状态下350~2500nm的二向性反射特征。结果表明,观测几何角度变化对反射率的影响较大,有明显的二向性特征,在方位角180°及0°方位热点较明显。反射率随粒径降低而增加。实验结果可为月表矿物反演研究提供有力的证据。二向性反射方向的研究也为合理选择观测几何条件提高月表信息获取精度成为可能。

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.

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。

月球东海盆地的矿物光谱特征及遥感探测

东海盆地是月球上最年轻的大型撞击盆地之一,其地形地貌和矿物与岩石类型分布将有助于我们深入理解月球撞击盆地形成过程和地质演化历史。LOLA高程数据揭示东海盆地为保存完好的多环撞击盆地。基于月球矿物绘图仪(M3)反射率数据,在东海盆地发现了尖晶石、辉石、结晶斜长石、橄榄石等矿物,采用修正高斯模型(MGM)进行混合矿物光谱分解获取了矿物端员,利用光谱角分类方法(SAM)作出了Maunder撞击坑的主要矿物分布图。发现的纯结晶斜长石矿物与最近其他月球探测(如Kaguya)相吻合,为月球岩浆洋模型提供了新约束条件。在Lowell撞击坑中央峰发现尖晶石分布,并利用多光谱成像仪(MI)数据进行了验证;利用MGM方法,在Maunder建造上发现结晶斜长石与尖晶石的混合矿物,我们通过分析认为东海盆地的尖晶石在外卢克山脉上可能有更广泛的分布。

“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。

月球风暴洋地区元素丰度研究：“嫦娥二号”X射线谱仪探测数据分析

月球表面的元素丰度是研究月表物质分布的基础数据,可以提供月球地质演化历史的重要信息。探月工程"嫦娥二号"卫星搭载了一台X射线谱仪,自2010年10月1日发射以来,获得了丰富的观测数据。在X射线谱仪长达7个月的对月球观测期间,发生过多次太阳爆发。文中利用2011年2月16日9时一次太阳M级爆发事件时X射线谱仪的观测数据,建立了定量反演元素丰度的方法,获得了月球正面风暴洋地区Mg、Al、Si、Ca和Fe的含量。通过各区域的元素含量比较,从风暴洋南部沿飞行轨迹向北,Si含量逐渐升高,这种差异可能反映了不同时期玄武岩浆的成分差异。Ⅱ区域的Fe含量高于其他5个区域,但Ca、Mg、Al含量低于其他5个区域,说明II区域相对其他地区受高地物质的混染影响较小。月球风暴洋中6个探测区域的元素平均含量分别是Mg 7.3%、Al 8.4%、Si 15.8%、Ca 6.0%、Fe 18.6%。最后,分析了"嫦娥二号"XRS数据反演月表元素含量可能存在的误差。

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。

月球两极探测进展

从20世纪开始月球探测成为人类太空探测的重要内容,月球探测的手段越来越多样化,探测的分辨率越来越高,探测的区域也逐渐由全月转变为局部。月球的南北极区由于特殊的地理条件存在大面积的永久阴影区,因此一直以来备受国内外学者的重视。介绍了目前国内外对月球极区探测在光学影像、数字高程、水冰以及亮度温度等方面取得的重要科学成果,并且介绍了探测设备的参数,为我国正在开展的月球探测提供参考和建议。

基于遥感探测数据的月球玄武岩分类研究进展

月球玄武岩是月球岩石构成的重要种类之一,出露月表面积占全月表的17%,主要填充在月球正面的大型平坦盆地中。月海玄武岩被认为是来源于早期岩浆分异作用产生的月幔堆积物重熔,在超压作用下喷出月表,因而较为年轻,较少受到大的撞击扰动,保存的信息较为完整。不同的玄武岩地质单元的时代、分布和体积提供了月幔熔融作用的时空分布记录,有助于理解月幔演化、月球内部成分结构和物质组成,具有十分重要的研究价值。介绍了玄武岩的探测背景,以及主要组成矿物的结构、化学成分及光谱表现,重点介绍了基于遥感探测数据的玄武岩分类情况,并总结了目前研究成果中存在的不足。

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。

基于环绕器穿透雷达的火星次表层介电参数反演及其在水冰探测中的应用

火星是太阳系中的类地行星之一,研究火星的演变和现状对进一步了解地球环境的形成和未来演化具有重要意义。对火星表面地形地貌的探测和研究表明,火星表面曾经存在液态水,因此寻找火星上的水冰是进行火星探测的重要科学目标之一。在火星探测中,穿透雷达利用电磁波的穿透特性获得分层界面的回波时延与信号强度来反演次表层物质的介电常数和损耗角正切。次表层的介电特性参数有助于推断该层介质的物理特性以及是否存在水冰等重要信息,进而了解火星的气候和地质演化历史。文章介绍了环绕器雷达的探测原理;然后介绍了利用次表层探测雷达的回波数据来反演火星介质的介电参数的方法,以及这些方法在探测火星水冰中的科学应用和成果;最后对我国的环绕器雷达应用前景做出了展望。

“天问二号”任务科学目标和有效载荷配置

回顾了近30年国际上小行星探测任务的科学目标和载荷配置。在总结小行星探测主要科学问题的基础上,对中国行星探测工程“天问二号”探测任务的对象选择、科学目标和有效载荷配置进行了论述。围绕实现科学目标探测,并提出了相应的科学研究内容和有效载荷技术指标。