嫦娥一号卫星的初步科学成果与嫦娥二号卫星的使命

欧阳自远

(1 中国科学院国家天文台, 北京 100012)(2 中国科学院地球化学研究所, 贵阳 550002)

1 嫦娥一号的初步科学成果

北京时间2007年10月24日18 时05 分04秒,嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心成功发射升空。嫦娥一号卫星从发射升空到准确进入环月工作轨道,一共经历了主动段、调相轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段等4 种不同的轨道,经历了1 次远地点变轨、3 次近地点变轨、1 次中途修正、3 次近月制动等8 次变轨过程。2007年11月7日8 时24分,嫦娥一号卫星开始进行第三次近月制动,卫星绕月球的运行周期为127min(2.12h), 进入距月面200km 高的极轨工作轨道,一共历时13d14h19min,行程200 多万千米,随后开始科学探测。

2009年3月1日,嫦娥一号卫星受控撞击月球的东经52.36°、南纬1.50°的丰富海区域,比预期1年的工作寿命延长4 个多月,圆满完成各项科学探测使命。

嫦娥一号卫星在轨运行495d,装载的8 台(套)科学仪器工作正常,一共取得1.37Tbyte 的原始科学探测数据,地面应用系统研制的0、1、2、3 级科学数据产品约4T byte,并已陆续发布给全国相关的科学家开展探测数据的应用研究[1-2]。2010年5月,嫦娥一号卫星所获得的全部科学探测数据,在绕月探测工程地面应用系统的网站上对外公布,供全世界的科技工作者研究使用。在月球探测的数据获取、处理、研究和应用等方面取得了一系列高水平的科学探测成果。

1.1 质量最高的全月球影像图和月球标准基础地图

2008年7月,嫦娥一号卫星CCD 立体相机共获得508 轨南北纬70°以内和589 轨南北纬70°～90°极区的全月球影像数据,第一次实现了月球表面影像的100%覆盖。并于2008年11月12日公开发布主要利用正视影像拼接而成的“中国首次月球探测工程全月球影像图”(图1), 其在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面,均明显优于国际上已有的各类全月球影像图,是当前国际上数据覆盖最全、质量最好的全月球影像图[3]。

利用嫦娥工程多种数据源解算得到全月球地形数据,对全月球图像数据进行了正射校正,修正了图像的几何变形、空间位置和像元灰度,获得了“全月球正射影像图”。这是迄今为止国际上变形程度最小、位置精度最高、图像色调最一致和空间覆盖最完整的全月球影像图,将成为新的月球“标准像”——月球基础地图(Lunar Base Map)[3]。

在地面应用系统开发的软硬件环境基础上,在月球影像数据处理方面已经取得如下成果:

1)2007年11月26日,根据最初19 轨CCD 正射影像图的一部分,绘制并公开发布第一幅月面平面图像和三维影像。2)一些典型地区地形地貌特征平面和三维影像,主要有各月海、海湾、各主要山脉、月湖、月谷、月溪和嫦娥撞击坑、张衡撞击坑、郭守敬撞击坑、万户撞击坑、第谷撞击坑等各类月表典型地貌单元平面与三维影像。3)利用CCD 立体相机313 轨的探测数据,拼接制作了S70°～N70°的月球影像图,利用CCD 立体相机276 轨的探测数据,编制了S70°～90°和N70°～90°两极区影像图。根据589 轨的探测数据,完成了比例尺为1 ∶250 万的全月球影像图。4)利用CCD 立体相机制作的500m数字高程模型(DEM)数据制作了一些典型月表地貌单元的3D 景观数据。5)正在绘制中的月球三维影像图、撞击坑大小与分布图、月球线性和环形构造图、月球构造区划图,将相继公布发表。

图1 中国首次月球探测工程全月球影像图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数字高程模型和三维月球地形图

嫦娥一号卫星激光高度计共获得了约916 万个月表测高数据,是目前国际上最多的测高采样数据,制作了空间分辨率为3km 左右的全月球数字高程模型(DEM)(图2)。利用覆盖全月球的嫦娥一号立体相机三线阵CCD 数据,采用三线阵数字摄影测量方法,解算了全月球的地形数据,制作了全月球三维数字地形产品, 数据全球平差的平面中误差为192m,高程中误差为120m;全月球数字高程模型(DEM)空间分辨率达500m,等高线数据的等高距达500m。全月球数字地形图产品(包括数字高程模型、正射影像和数字等高线图)在数据覆盖范围、平面定位与高程精度、空间分辨率等方面均明显优于国际现有全月球数字地形产品[4]。

图2 根据激光高度计探测数据制作的全月球DEM 图Fig.2 DEM map of the moon f rom CE-1 laser altimeter

1.3 建立了月球影像数据和激光高度计数据的处理方法

围绕获取月表三维影像图,地面应用系统有针对性地开展了一系列的科学实验,主要集中在CCD立体相机图像数据处理与全月球平面图像数据拼接关键技术方法,月表三维影像制作关键技术方法,激光高度计测距数据处理方法,激光高度计高程数据处理方法, 激光高度计伪彩色月球渲染地形图(DEM)制作方法,CCD 立体相机图像数据与激光高度计测距数据联合处理方法等。研制了CCD 立体相机图像处理、激光高度计数据处理、月表三维影像演示成果摄影测量数据处理、月表三维影像标准产品生产等软件产品[3]。

1.4 获取月球表面某些元素、矿物的分布图

我国首次月球探测在月球化学元素和物质成分方面的探测重点放在某些关键性元素、岩石类型和分布上。嫦娥一号卫星伽马射线谱仪共获取了1 103轨有效探测数据,已完成U、K、Th 的元素含量分布图的编制。嫦娥一号干涉成像光谱仪共获得了706 轨有效探测数据,覆盖了月球南北纬70°以内84%的月表区域(相当于全月球的79%)。通过对FeO、TiO2元素含量的反演,结合伽马射线谱仪和X 射线谱仪探测的元素含量与分布数据,相互融合进行克里普岩、斜长岩和玄武岩的粗略划分,评估月球某些矿产资源如钛铁矿、稀土与放射性元素等的开发利用前景。

1.5 全月球四频段微波亮度温度数据

嫦娥一号微波探测仪共获取了1 690 轨探测数据,数据累积时间约2 642h,数据多次覆盖了全月球表面。嫦娥一号微波探测仪科学数据包括3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz 和37.0GHz 四个频段的微波辐射亮度温度(亮温),是国际上首次采用被动微波遥感技术测量全月球微波辐射信息,进而探测月壤特性,反演月壤厚度。目前已处理得到全月球不同光照条件的微波辐射亮温,月球表面的亮温分布明显受到月球地形和物质组成的影响(图3)[5-6]。在此基础上进一步反演月壤厚度,评估氦-3资源[7]。

图3 根据嫦娥一号微波探测仪科学数据获得的37GH z 全月球黑夜、白昼亮度温度(亮温)分布图[6]Fig.3 Global brightness temperature map of the Moon from Chang'e-1 Microwave Radiometer(37.0 GHz night and daytime)

1.6 独特的近月空间高能粒子和太阳风离子数据

在嫦娥一号卫星上,安装了1 台太阳高能粒子探测器和2 台太阳风离子探测器,进行了月球轨道空间环境探测。嫦娥一号卫星在轨运行期间,多次经过月球背面的屏蔽区、行星际空间、地球磁层的磁鞘和磁尾区等4 个空间区域。太阳高能粒子探测器共获取了1 846 轨有效探测数据, 累积时间为2 868.5h;太阳风离子探测器获取了1 815 轨有效探测数据,累积时间为2 852.3h,其中约60%的时间处于太阳风中。

空间环境探测数据的初步分析和对比研究,发现它们与地球磁场和月表带电粒子之间相互作用过程中的一些独特物理现象。太阳风离子探测器还监测到月球两极日夜交界面附近,从日侧向夜侧速度逐渐增加的粒子流、月球向阳面的太阳风离子反射现象等空间环境事件,这些事件揭示了太阳风中的等离子体物理过程和与月球相互作用过程,将加深我们对太阳风与无大气弱磁化天体相互作用的认识,对丰富太阳辐射及其与地球磁场和行星(月球)的相互作用具有特殊的意义。进一步深入地分析与比对研究,有望获得更多的科学发现。

1.7 获得撞击月球前的高分辨月面影像

嫦娥一号卫星经轨道调整、速度减为1.627km/s 后,目标瞄准撞击点,当卫星降落到距离月面59km 高度时,CCD 立体相机开机,边下降、边拍照。从开机拍摄到撞击月面的15min 内,CCD 立体相机工作到最后一刻,一共下传撞击前1 469km的高分辨月面影像,为研究月面精细结构提供了高质量素材。2009年3月1日16 时13 分10 秒,嫦娥一号卫星准确撞击月球东经52.36°、南纬1.50°的丰富海预定撞击点。

总之,绕月探测工程是中国迈向深空探测的第一步,通过嫦娥一号卫星为期1年多的在轨业务运行,获得了大量的探测数据,在月球基础科学和深空数据处理和反演方法等各个方面都取得了丰硕的成果。

2 嫦娥二号卫星的使命——承前启后,持续发展

根据我国月球探测工程的规划,我国的月球探测工程(嫦娥工程)分为“绕”、“落”、“回”三期工程。一期工程为绕月探测,对月球进行全球性、整体性和综合性探测;二期工程为月面软着陆和巡视勘察,对着陆区进行精细的就位探测与月球车巡视勘测;三期工程为月球采样返回,在着陆区进行就位采样和巡视钻孔取样,样品返回地球后开展系统的高精度的实验室分析研究[8-10]。当前,绕月探测工程已经取得了圆满成功,目前正在实施月球探测二期工程。二期工程的第一颗卫星嫦娥二号(Chang'e-2)将于2010年10月在西昌卫星发射中心发射。

与嫦娥一号相比,嫦娥二号卫星作为“探月二期工程”的先导星,在技术上将实现六个方面的创新突破,通过执行对月球进行“精细探测”的任务,有利于今后嫦娥三号(Chang'e-3)卫星能够安全地在月球表面软着陆。

嫦娥一号卫星装载了CCD 立体相机和激光高度计,主要负责“平面扫描”和“立体测绘”,圆满完成了对全月球地形地貌的普查性探测。探月二期工程将实施月面软着陆,开展着陆器就位探测和月球车巡视勘测。嫦娥二号卫星作为二期工程的先导星,在工程上的主要任务是试验验证部分关键技术和新设备,试验新的奔月轨道,降低探月工程二期的技术风险。嫦娥二号卫星在科学上的首要任务是对月面着陆区进行详查,精细地测绘着陆区的地形地貌。为此,嫦娥二号卫星相对嫦娥一号卫星做了多方面改进和提高,主要包括:

1)嫦娥二号卫星与嫦娥一号卫星的轨道设计不同。嫦娥一号发射后,先是环绕地球飞行了7d,经过4 次变轨才进入奔月轨道。从发射到进入环月轨道总共历时大约13d14h19min,行程200 多万千米。这次发射的嫦娥二号将新开辟地月之间的“直航航线”,即直接发射至地月转移轨道,待几次中途修正和近月制动后,即进入绕月轨道,这将使嫦娥二号的地月飞行时间缩短至120h。

2)嫦娥二号卫星较嫦娥一号卫星距月表200km 的轨道要低,将在距月球表面约100km 高度的极轨轨道上绕月运行,这样,有利于对重点地区作出精细测绘。

3)嫦娥二号卫星直飞月球的方式,对运载火箭的入轨精度和入轨速度提出了更高要求。另一方面要求火箭的总冲增加,执行此次任务的长征-3C 火箭,较之前运送嫦娥一号上天的长征-3A 火箭增加了两个助推器,使嫦娥二号卫星直接进入200km/380 000km的地月转移轨道。

4)为获得着陆区的精细地形数据,嫦娥二号激光高度计的激光脉冲发射频率增至原来5 倍——从嫦娥一号每秒发射1 个激光脉冲提高为每秒发射5个,使留下的“激光足印”间距更小,激光测距精度也可达5m,从而获得月球上几个重点区域的高密度高程测量数据。

5)嫦娥二号所携带的CCD 立体相机的空间分辨率由嫦娥一号时期的120m 左右提高到小于10m。其它探测设备也将有所改进,所探测到的有关月球的数据将更加详实。

6)嫦娥二号的有效载荷配置比嫦娥一号少一项,即不采用干涉成像光谱仪探测月球表面的矿物成分。嫦娥二号的主要科学目标是对月球着陆区和其他重点区域进行精细测绘、立体成像,其他科学探测总体上将延续嫦娥一号科学目标,对月球表面元素分布、月壤厚度、近月空间环境等做更进一步的科学探测。这些更高空间分辨率的探测数据可以与嫦娥一号的探测数据进行互相校核,进一步改进月球遥感数据的定量反演算法和模型。

7)嫦娥二号卫星将验证100km/15km 轨道机动与快速测定轨技术。测试将飞行轨道由100km圆轨道调整为远月点100km 、近月点15km 的椭圆轨道的能力,部分演练嫦娥三号卫星可能采用的飞行轨道。

8)根据月球探测二期工程的要求,为提高测控精度,除S 频段外新增了X 频段的测控。嫦娥二号卫星飞行测控将首次验证我国新建的X 频段深空测控体制。相比嫦娥一号卫星使用的S 频段测控,X 频段无线电传输信号频率更高,远距离测控通信效果更好,我国深空测控通信能力将扩展到地球-火星距离。

3 结束语

总之,在嫦娥一号卫星取得圆满成功之后,嫦娥二号卫星作为探月二期工程的先导星,进行了一系列技术改进。嫦娥二号卫星从发射到第一次近月制动所经历的时间由13d 缩短为5d,环月轨道高度由200km 降低为100km, CCD 相机像元分辨率由120m 提高到10m, 激光高度计测量月面高程由1次/s 提高到5 次/s。嫦娥二号卫星将获得月面着陆区地形地貌的精细探测数据,并试验和验证探月二期工程的关键技术。嫦娥二号卫星将发挥承前启后、持续发展的先导作用,为探月二期的实施成功奠定科学和技术基础。

)

[1]欧阳自远, 李春来, 邹永廖, 等.绕月探测工程的初步科学成果[J].中国科学:地球科学,2010, 40(3):261-280

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[3]李春来, 刘建军, 任鑫, 等.嫦娥一号图像数据处理与全月球影像制图[J].中国科学:地球科学, 2010, 40(3):294-306

[4]李春来, 任鑫, 刘建军, 等.嫦娥一号激光测距数据及全月球DEM 模型[J].中国科学:地球科学, 2010, 40(3):281-293

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[6]Zheng Yongchun, Zou Yongliao, Chan K L, et al.Global brigh tness tem perature of the moon:result from Chang'e-1 microw ave radiometer[J].European Planetary Science Congress, 2010, 5:EPSC2010-2224

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[8]国防科工委, 中国科学院, 航天科技集团, 等.我国月球探测工程综合立项论证报告[R].北京:国防科工委, 2004

[9]欧阳自远, 编著.月球科学概论[M].北京:中国宇航出版社, 2005

[10]Zheng Yongchun, Ouyang Ziyuan, Li Chunlai, et al.China's Lunar Exploration Program:Present and future[J].Planetary and Space Science, 2008, 56:881-886