国外深空探测光学遥感载荷发展现状与启示

周峰 郑国宪 苏云

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

深空探测是指对太阳系内除地球之外的行星及其卫星、小行星和彗星以及太阳系以外的银河系乃至整个宇宙进行探测的航天活动[1]。深空探测任务总的科学目标是探索太阳系乃至整个宇宙的起源、发展和演化。具体包括太阳系内各天体的起源、发展和演化、地球以外生命和水的存在、空间资源的开发利用、扩展人类生存空间等，为人类社会的可持续发展服务[2]。

进入21世纪，人类的深空探测迎来了一个新纪元。自2003年以来，世界各航天国家纷纷推出新的深空探测发展战略、规划和计划，并力求建立全球深空探测战略与结构体系，为了寻找天体中水和生命的迹象，实现一系列科学目标，全面展开对整个太阳系以及更远深空的探测。

作为深空探测的一个重要组成部分，光学遥感载荷起着无法替代的作用，研究国外光学遥感载荷的发展情况，对我国的深空探测光学遥感载荷的发展具有一定的借鉴意义。

2 国外深空探测光学遥感载荷发展现状

从1958年8月17日美国发射第一个月球探测器先驱者0号开始，人类迈向太阳系的深空探测活动至今己有50多年的历史。据统计，截止到2010年12月，人类已发射过的向月球以远的太阳系天体开展的探测活动共220多次，成功和部分成功120多次，超过一半。其中，探测目标以月球为主，占总数超过一半。探测金星和火星的比例接近40%，但金星探测活动绝大多数都是在1990年以前开展的[3]。因此，下面将以月球和火星探测为重点，介绍国外深空探测光学遥感载荷近十几年来的发展情况。

2.1 月球探测主要光学遥感载荷及分类

人类的月球探测始于20世纪50年代末，沉寂于20世纪70年代的Apollo载人登月计划。20年后，人类重启月球探测活动，美国已经开始重返月球，于20世纪90年代发射了“克莱门汀”（Clementine）与“月球勘探者”（Lunar Prospector）月球探测卫星，共搭载了15个遥感器，从地形地貌、月面测量、月球物理和月表物质成分等各个方面对月球进行了较全面的探测。

进入21世纪，美国、欧空局、日本、中国和印度等国家或组织纷纷开始制定或实施新的月球探测计划，在全球掀起新一轮月球探测热潮。中国、日本和印度均成功发射了各自的月球轨道探测器，并取得了一系列重要的成果。美国于2009年6月18日发射了“月球勘测轨道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter），较之前的月球任务，获取的月球数据的技术指标获得大幅度提高，对深化月球的认识以及登月工程的实施都具有重要意义[4]。表1为近几年国外月球探测卫星搭载的主要光学遥感载荷[5-9]。

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根据月球探测光学遥感载荷的发展情况，按科学目标光学遥感载荷大致可以分为以下4类：1）研究月球矿物组成和分布，月球内部结构；2）勘查地形地貌，绘制月球地图；3）研究月球空间气候，探寻月球阴影区水冰；4）其它科学目标（包括拍摄地球升起的过程，引力场、物质流研究，火山、环形山探测等）。具体分类见表2。

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2.2 火星探测主要光学遥感载荷及分类

美国和苏联早在20世纪60年代就开始了探索火星的活动，其探索结果表明火星上有可能存在人类生存必需的水及其它一些元素，这对研究地球和太阳系的起源、形成和演变以及充分开发、利用太空资源具有非常重要的意义。因此，随着空间探测技术的不断进步，特别是在进入20世纪90年代以后，美国等国家加快了探索火星的步伐，发射了一系列的火星探测器，获得了有关火星的新数据和资料以供科学工作者进行研究。

不仅如此，日本、德国、意大利和法国等国家也纷纷加入了火星探测的队伍，并制定了相应的火星探测计划。尤其是2003年欧空局发射的“火星快车”，取得了举世瞩目的科学成果。随着火星探测活动的不断深入，火星探测必将成为新世纪航天领域的新热点[10]。表3为近十几年国外火星探测所搭载的主要光学遥感载荷[11-17]。

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根据火星探测光学遥感载荷的发展情况，按照科学目标火星探测光学遥感载荷大致可以分为以下5类，见表4。

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2.3 其它天体探测光学遥感载荷及分类

除了月球和火星外，深空探测其它天体的探测活动也开展的如火如荼。表5所示为近十几年除月球和火星外国外其它天体探测所搭载的主要光学遥感载荷[18-25]。

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总的来说，不管深空探测的目标是哪个天体，按科学目标光学遥感载荷主要分为以下3类：

1）光谱分析类：包括用于研究物质组成、环境及其演化、内部结构等。

2）成像类：包括地形地貌研究、绘图、地质结构分析、寻找着陆点等。

3）工程探测类：包括卫星状态监视、辅助降落、导航、避障、挖掘等。

3 深空探测光学遥感载荷发展趋势

综上所述，根据不同科学目标的任务需求，深空探测光学遥感载荷种类繁多。但从共性看，主要有以下几个发展趋势：

1）随着技术不断进步，光学遥感载荷的性能越来越高，在深空探测中发挥的作用越来越重要，卫星所携带的光学遥感载荷也越来越多；

2）光学遥感载荷所承担的科学目标从单一到多元化、从简单到复杂（例如月球探测光学遥感载荷科学目标从最初的矿物组成和分布到勘查月球地形地貌，再到探寻水冰以及更多其它科学目标）；

3）深空探测光学遥感载荷趋向于集成化、小型化和多功能化，以减轻质量、降低成本、节省燃料、延长整星寿命（许多光学遥感载荷都包含多个通道，或者光谱仪和相机集成为一体）；

4）既重视创新，也重视继承已有探测器的光学遥感载荷（例如从SIR→SIR2以及SPICAM→SPICAV等）；

5）逐渐开始重视光学遥感载荷之间的互相协作，以更好地完成任务（例如LCROSS卫星的所有光学遥感载荷之间的相互配合，HiRISE、CRISM和CTX的配合等）；

6）逐渐开始开展国际合作（例如“印度月船1号”上搭载了6个国际光学遥感载荷）。

4 我国开展深空探测光学遥感载荷研究的启示与建议

4.1 国外深空探测光学遥感载荷的发展对我国的启示

我国的深空探测刚刚起步，而国外已经经历了50多年的发展。我国在开展深空探测活动过程中，应充分借鉴国外的经验和教训，少走弯路。根据国外发展情况，得出以下发展启示：

（1）脚踏实地、循序渐进，确定深空探测各领域的科学目标

深空探测活动技术复杂，风险极高。据统计，在人类50多年的深空探测活动中，截止到2010年12月已发射过对月球以外的太阳系天体开展的深空探测228次，其中完全失败的任务91次，占39.9%；还有4次任务正在飞行途中（新地平线号、罗塞塔、黎明号、STEREO）。建立深空探测技术能力极其困难，而深空探测光学遥感载荷技术能力是关键之一。

另一方面，从国外资料分析，国际深空探测明显分为两个阶段。第一个阶段是美、苏的争霸期，两国争相发展深空探测技术能力，相互争夺深空探测各个领域的第一。从公开文件分析，美国在1997年才系统公布其完整的科学目标，之前大部分都是为了争各个领域的第一而发射，科学目标不完善甚至根本就不明确。第二个阶段从20世纪末至现在，冷战结束以后，俄罗斯的深空探测迅速归于沉寂，反映出没有明确的科学目标作为牵引，深空探测活动根本无法持续发展。20世纪末开始，美国的深空探测活动尤其是各种光学遥感载荷的提出逐渐开始与科学目标建立比较深的联系，其技术能力的建立花费了30多年的时间。

因此，我们应该脚踏实地、循序渐进，逐步搞清楚深空探测各个领域的科学目标，在此基础上有针对性的开展深空探测各领域的光学遥感载荷技术研究，为后续深空探测光学遥感载荷技术能力的建设和提升奠定基础。

（2）有针对性地开展深空探测光学遥感载荷研究工作，实现可持续发展

分析国外过去开展的深空探测历程，不难看出：从技术实现的难易程度和持续发展的角度出发，基本采取了飞越、环绕、着陆、返回的探测方式。在当时的技术条件下，试图跨越某个阶段、一步到位的尝试都失败了，充分说明深空探测任务的技术途径中存在内在的发展规律。因此，在我国未来开展月球探测、火星探测以及其他深空探测活动时，也应该遵循同样的指导原则，尊重航天技术发展的内在规律，有计划、有步骤的开展深空探测任务，实现深空探测活动的可持续发展。

而深空探测光学遥感载荷的研究要紧跟国际形势，瞄准国家深空探测规划，有针对性的开展相关探测任务的光学遥感载荷研究工作，实现深空探测光学遥感载荷的可持续发展。

（3）由简入繁、从易到难，搭建我国特有的深空探测光学遥感载荷技术和能力体系

采取由简入繁、从易到难、单目标与多目标相结合和交叉的方式逐步推进深空探测各类光学遥感载荷关键技术的不断进步，针对探测距离不断增大、环境复杂多变的特点，突破共性关键技术，搭建我国特有的深空探测光学遥感载荷技术和能力体系。从而在2030年后，使我国的深空探测具备对人类已发现的各类天体开展已知形式的各种探测的能力，满足进行太阳系和宇宙的科学探索对深空探测光学遥感载荷的需求。

（4）加强工程与科学的联合

国外深空探测的模式是由科学家带队提出需求，工程师根据需求寻求解决的方法。只有这种科学与工程的紧密结合，才能有针对性的研制出先进的光学遥感载荷。我国目前的情况是科学与工程脱节，工程师研制出的光学遥感载荷所获得的数据不是科学家想要的结果。因此，光学遥感载荷工程研制单位应该与中科院及高校等科学单位联合，明确科学目标需求。

4.2 我国开展深空探测光学遥感载荷研究的建议

目前，我国正在开展2030年前的深空探测规划。为了保证历次任务的顺利实施，应该提前开展光学遥感载荷技术的研究，建议重点开展以下几方面的工作：

（1）深入研究国外先进光学遥感载荷技术

深空探测活动已经开展了50多年，国外已经进行了200多次深空探测活动，这些案例对我国的深空探测活动有很好的借鉴意义。因此，我们不但要研究国外已经发射的深空探测光学遥感载荷的技术发展情况，更要实时跟踪国外深空探测的最新动向和新技术的应用，积极参与国家深空探测规划的建设，掌握国家对深空探测光学遥感载荷的需求，并展开国内深空探测各领域的用户需求及科学目标的调研分析和创新，深入开展深空探测光学遥感载荷技术研究工作。

例如，国外最近几次深空探测任务中多次采用了低温光谱仪和远紫外光谱仪载荷，这些载荷可以满足什么样的科学目标、获得了哪些科学研究成果、采用了什么样的先进技术，这些都需要我们进行深入学习和研究，才能结合我国国情提出合理的科学目标并推动技术的进步。

（2）做好我国深空探测光学遥感载荷技术发展战略规划

近年来，世界各主要航天国家都十分重视深空探测战略的制定工作，以宏大的视野、从战略的高度明确未来各自的发展方向和重点。从1997年起，美国每3年一次对其深空探测规划进行更新和完善。欧空局也于2004年2月3日正式宣布了其雄心勃勃的“曙光女神”超大规模星际探索计划。日本、印度也通过规划促进深空探测的发展。

我们应该根据国家深空探测规划，制定系统的深空探测光学遥感载荷技术发展战略规划，明确长远发展的目标和需要重点扶持的专项技术，并及早开展相应的研究工作，对整个深空探测的可持续发展具有十分重要的意义。深空探测光学遥感载荷的技术难度大，研制周期长，需要攻克的关键技术多。因此，需要尽早开展深空探测光学遥感载荷共性关键技术的研究工作。在明确任务规划后，需要尽早合理安排专项关键技术的预研，避免某些环节出现“瓶颈”，制约深空探测任务的进程，甚至导致任务无法实施。

（3）开展典型、共用和继承性光学遥感载荷研究，提炼共性关键技术

根据国外深空探测光学遥感载荷的发展情况可知，国外深空探测光学遥感载荷具有很强的继承性，甚至直接采用备份载荷，即使不同天体探测器的光学遥感载荷也有很多相似和通用之处。在深入开展各领域深空探测光学遥感载荷研究的同时，提炼各领域光学遥感载荷的典型技术和共性关键技术，并结合我国国情及时提出创新性技术，为我国深空探测光学遥感载荷的发展和战略规划提供技术支持。

针对对国外深空探测光学遥感载荷的研究情况，建议重点发展轻小型化技术、低温光学技术、超高光谱分辨率光谱仪技术和紫外光学载荷技术等。

（4）既注重技术创新，又注重技术的继承性和衔接性

深空探测是一项复杂的工程，包含几十甚至上百种专业，不管哪个专业的新技术的出现都需要创新，只有创新才能不断推进深空探测光学遥感载荷技术的进步。

从国外深空探测光学遥感载荷的发展来看，共性关键技术之间存在多种多样的内在联系，彼此之间有一定的继承性和衔接性。通过关键技术的继承和衔接，确定各次任务可靠完成。同时，通过实施上述规划中共性关键技术的突破和验证，能够逐步建立和完善探测距离逐步延伸至太阳系外（含黄道面以外），探测对象包括有大气无大气、强引力弱引力、高温度低温度，探测形式涵盖飞越、撞击、环绕、伴飞、附着、着陆、巡视、大气机动、采样返回等多种深空探测目标及深空探测形式组合的光学遥感载荷工程技术能力体系，实现深空探测光学遥感载荷技术的不断深化发展，保证我国研制和发射各类深空探测任务目标的能力。

（5）积极开展国际交流与合作

由于深空探测项目涉及的技术领域广泛，没有哪个国家可以在所有领域都处于世界领先地位。我国在深空探测领域与欧美国家尚有较大差距，在光学遥感载荷方面差距也较大，特别是在探测器、低温光学等领域。因此，我国应该积极开展国际合作，使资源得到充分利用，优势互补，使探测器性能最优化，为深空探测规划历次任务的顺利实施奠定基础。

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