嫦娥一號衛星的初步科學成果與嫦娥二號衛星的使命

歐陽自遠

(1 中國科學院國家天文臺, 北京 100012)(2 中國科學院地球化學研究所, 貴陽 550002)

1 嫦娥一號的初步科學成果

北京時間2007年10月24日18 時05 分04秒,嫦娥一號衛星在西昌衛星發射中心成功發射升空。嫦娥一號衛星從發射升空到準確進入環月工作軌道,一共經歷了主動段、調相軌道段、地月轉移軌道段和環月軌道段等4 種不同的軌道,經歷了1 次遠地點變軌、3 次近地點變軌、1 次中途修正、3 次近月制動等8 次變軌過程。2007年11月7日8 時24分,嫦娥一號衛星開始進行第三次近月制動,衛星繞月球的運行周期為127min(2.12h), 進入距月面200km 高的極軌工作軌道,一共歷時13d14h19min,行程200 多萬千米,隨后開始科學探測。

2009年3月1日,嫦娥一號衛星受控撞擊月球的東經52.36°、南緯1.50°的豐富海區域,比預期1年的工作壽命延長4 個多月,圓滿完成各項科學探測使命。

嫦娥一號衛星在軌運行495d,裝載的8 臺(套)科學儀器工作正常,一共取得1.37Tbyte 的原始科學探測數據,地面應用系統研制的0、1、2、3 級科學數據產品約4T byte,并已陸續發布給全國相關的科學家開展探測數據的應用研究[1-2]。2010年5月,嫦娥一號衛星所獲得的全部科學探測數據,在繞月探測工程地面應用系統的網站上對外公布,供全世界的科技工作者研究使用。在月球探測的數據獲取、處理、研究和應用等方面取得了一系列高水平的科學探測成果。

1.1 質量最高的全月球影像圖和月球標準基礎地圖

2008年7月,嫦娥一號衛星CCD 立體相機共獲得508 軌南北緯70°以內和589 軌南北緯70°～90°極區的全月球影像數據,第一次實現了月球表面影像的100%覆蓋。并于2008年11月12日公開發布主要利用正視影像拼接而成的“中國首次月球探測工程全月球影像圖”(圖1), 其在幾何配準精度、數據的完整性與一致性、圖像色調等方面,均明顯優于國際上已有的各類全月球影像圖,是當前國際上數據覆蓋最全、質量最好的全月球影像圖[3]。

利用嫦娥工程多種數據源解算得到全月球地形數據,對全月球圖像數據進行了正射校正,修正了圖像的幾何變形、空間位置和像元灰度,獲得了“全月球正射影像圖”。這是迄今為止國際上變形程度最小、位置精度最高、圖像色調最一致和空間覆蓋最完整的全月球影像圖,將成為新的月球“標準像”——月球基礎地圖(Lunar Base Map)[3]。

在地面應用系統開發的軟硬件環境基礎上,在月球影像數據處理方面已經取得如下成果:

1)2007年11月26日,根據最初19 軌CCD 正射影像圖的一部分,繪制并公開發布第一幅月面平面圖像和三維影像。2)一些典型地區地形地貌特征平面和三維影像,主要有各月海、海灣、各主要山脈、月湖、月谷、月溪和嫦娥撞擊坑、張衡撞擊坑、郭守敬撞擊坑、萬戶撞擊坑、第谷撞擊坑等各類月表典型地貌單元平面與三維影像。3)利用CCD 立體相機313 軌的探測數據,拼接制作了S70°～N70°的月球影像圖,利用CCD 立體相機276 軌的探測數據,編制了S70°～90°和N70°～90°兩極區影像圖。根據589 軌的探測數據,完成了比例尺為1 ∶250 萬的全月球影像圖。4)利用CCD 立體相機制作的500m數字高程模型(DEM)數據制作了一些典型月表地貌單元的3D 景觀數據。5)正在繪制中的月球三維影像圖、撞擊坑大小與分布圖、月球線性和環形構造圖、月球構造區劃圖,將相繼公布發表。

圖1 中國首次月球探測工程全月球影像圖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數字高程模型和三維月球地形圖

嫦娥一號衛星激光高度計共獲得了約916 萬個月表測高數據,是目前國際上最多的測高采樣數據,制作了空間分辨率為3km 左右的全月球數字高程模型(DEM)(圖2)。利用覆蓋全月球的嫦娥一號立體相機三線陣CCD 數據,采用三線陣數字攝影測量方法,解算了全月球的地形數據,制作了全月球三維數字地形產品, 數據全球平差的平面中誤差為192m,高程中誤差為120m;全月球數字高程模型(DEM)空間分辨率達500m,等高線數據的等高距達500m。全月球數字地形圖產品(包括數字高程模型、正射影像和數字等高線圖)在數據覆蓋范圍、平面定位與高程精度、空間分辨率等方面均明顯優于國際現有全月球數字地形產品[4]。

圖2 根據激光高度計探測數據制作的全月球DEM 圖Fig.2 DEM map of the moon f rom CE-1 laser altimeter

1.3 建立了月球影像數據和激光高度計數據的處理方法

圍繞獲取月表三維影像圖,地面應用系統有針對性地開展了一系列的科學實驗,主要集中在CCD立體相機圖像數據處理與全月球平面圖像數據拼接關鍵技術方法,月表三維影像制作關鍵技術方法,激光高度計測距數據處理方法,激光高度計高程數據處理方法, 激光高度計偽彩色月球渲染地形圖(DEM)制作方法,CCD 立體相機圖像數據與激光高度計測距數據聯合處理方法等。研制了CCD 立體相機圖像處理、激光高度計數據處理、月表三維影像演示成果攝影測量數據處理、月表三維影像標準產品生產等軟件產品[3]。

1.4 獲取月球表面某些元素、礦物的分布圖

我國首次月球探測在月球化學元素和物質成分方面的探測重點放在某些關鍵性元素、巖石類型和分布上。嫦娥一號衛星伽馬射線譜儀共獲取了1 103軌有效探測數據,已完成U、K、Th 的元素含量分布圖的編制。嫦娥一號干涉成像光譜儀共獲得了706 軌有效探測數據,覆蓋了月球南北緯70°以內84%的月表區域(相當于全月球的79%)。通過對FeO、TiO2元素含量的反演,結合伽馬射線譜儀和X 射線譜儀探測的元素含量與分布數據,相互融合進行克里普巖、斜長巖和玄武巖的粗略劃分,評估月球某些礦產資源如鈦鐵礦、稀土與放射性元素等的開發利用前景。

1.5 全月球四頻段微波亮度溫度數據

嫦娥一號微波探測儀共獲取了1 690 軌探測數據,數據累積時間約2 642h,數據多次覆蓋了全月球表面。嫦娥一號微波探測儀科學數據包括3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz 和37.0GHz 四個頻段的微波輻射亮度溫度(亮溫),是國際上首次采用被動微波遙感技術測量全月球微波輻射信息,進而探測月壤特性,反演月壤厚度。目前已處理得到全月球不同光照條件的微波輻射亮溫,月球表面的亮溫分布明顯受到月球地形和物質組成的影響(圖3)[5-6]。在此基礎上進一步反演月壤厚度,評估氦-3資源[7]。

圖3 根據嫦娥一號微波探測儀科學數據獲得的37GH z 全月球黑夜、白晝亮度溫度(亮溫)分布圖[6]Fig.3 Global brightness temperature map of the Moon from Chang'e-1 Microwave Radiometer(37.0 GHz night and daytime)

1.6 獨特的近月空間高能粒子和太陽風離子數據

在嫦娥一號衛星上,安裝了1 臺太陽高能粒子探測器和2 臺太陽風離子探測器,進行了月球軌道空間環境探測。嫦娥一號衛星在軌運行期間,多次經過月球背面的屏蔽區、行星際空間、地球磁層的磁鞘和磁尾區等4 個空間區域。太陽高能粒子探測器共獲取了1 846 軌有效探測數據, 累積時間為2 868.5h;太陽風離子探測器獲取了1 815 軌有效探測數據,累積時間為2 852.3h,其中約60%的時間處于太陽風中。

空間環境探測數據的初步分析和對比研究,發現它們與地球磁場和月表帶電粒子之間相互作用過程中的一些獨特物理現象。太陽風離子探測器還監測到月球兩極日夜交界面附近,從日側向夜側速度逐漸增加的粒子流、月球向陽面的太陽風離子反射現象等空間環境事件,這些事件揭示了太陽風中的等離子體物理過程和與月球相互作用過程,將加深我們對太陽風與無大氣弱磁化天體相互作用的認識,對豐富太陽輻射及其與地球磁場和行星(月球)的相互作用具有特殊的意義。進一步深入地分析與比對研究,有望獲得更多的科學發現。

1.7 獲得撞擊月球前的高分辨月面影像

嫦娥一號衛星經軌道調整、速度減為1.627km/s 后,目標瞄準撞擊點,當衛星降落到距離月面59km 高度時,CCD 立體相機開機,邊下降、邊拍照。從開機拍攝到撞擊月面的15min 內,CCD 立體相機工作到最后一刻,一共下傳撞擊前1 469km的高分辨月面影像,為研究月面精細結構提供了高質量素材。2009年3月1日16 時13 分10 秒,嫦娥一號衛星準確撞擊月球東經52.36°、南緯1.50°的豐富海預定撞擊點。

總之,繞月探測工程是中國邁向深空探測的第一步,通過嫦娥一號衛星為期1年多的在軌業務運行,獲得了大量的探測數據,在月球基礎科學和深空數據處理和反演方法等各個方面都取得了豐碩的成果。

2 嫦娥二號衛星的使命——承前啟后,持續發展

根據我國月球探測工程的規劃,我國的月球探測工程(嫦娥工程)分為“繞”、“落”、“回”三期工程。一期工程為繞月探測,對月球進行全球性、整體性和綜合性探測;二期工程為月面軟著陸和巡視勘察,對著陸區進行精細的就位探測與月球車巡視勘測;三期工程為月球采樣返回,在著陸區進行就位采樣和巡視鉆孔取樣,樣品返回地球后開展系統的高精度的實驗室分析研究[8-10]。當前,繞月探測工程已經取得了圓滿成功,目前正在實施月球探測二期工程。二期工程的第一顆衛星嫦娥二號(Chang'e-2)將于2010年10月在西昌衛星發射中心發射。

與嫦娥一號相比,嫦娥二號衛星作為“探月二期工程”的先導星,在技術上將實現六個方面的創新突破,通過執行對月球進行“精細探測”的任務,有利于今后嫦娥三號(Chang'e-3)衛星能夠安全地在月球表面軟著陸。

嫦娥一號衛星裝載了CCD 立體相機和激光高度計,主要負責“平面掃描”和“立體測繪”,圓滿完成了對全月球地形地貌的普查性探測。探月二期工程將實施月面軟著陸,開展著陸器就位探測和月球車巡視勘測。嫦娥二號衛星作為二期工程的先導星,在工程上的主要任務是試驗驗證部分關鍵技術和新設備,試驗新的奔月軌道,降低探月工程二期的技術風險。嫦娥二號衛星在科學上的首要任務是對月面著陸區進行詳查,精細地測繪著陸區的地形地貌。為此,嫦娥二號衛星相對嫦娥一號衛星做了多方面改進和提高,主要包括:

1)嫦娥二號衛星與嫦娥一號衛星的軌道設計不同。嫦娥一號發射后,先是環繞地球飛行了7d,經過4 次變軌才進入奔月軌道。從發射到進入環月軌道總共歷時大約13d14h19min,行程200 多萬千米。這次發射的嫦娥二號將新開辟地月之間的“直航航線”,即直接發射至地月轉移軌道,待幾次中途修正和近月制動后,即進入繞月軌道,這將使嫦娥二號的地月飛行時間縮短至120h。

2)嫦娥二號衛星較嫦娥一號衛星距月表200km 的軌道要低,將在距月球表面約100km 高度的極軌軌道上繞月運行,這樣,有利于對重點地區作出精細測繪。

3)嫦娥二號衛星直飛月球的方式,對運載火箭的入軌精度和入軌速度提出了更高要求。另一方面要求火箭的總沖增加,執行此次任務的長征-3C 火箭,較之前運送嫦娥一號上天的長征-3A 火箭增加了兩個助推器,使嫦娥二號衛星直接進入200km/380 000km的地月轉移軌道。

4)為獲得著陸區的精細地形數據,嫦娥二號激光高度計的激光脈沖發射頻率增至原來5 倍——從嫦娥一號每秒發射1 個激光脈沖提高為每秒發射5個,使留下的“激光足印”間距更小,激光測距精度也可達5m,從而獲得月球上幾個重點區域的高密度高程測量數據。

5)嫦娥二號所攜帶的CCD 立體相機的空間分辨率由嫦娥一號時期的120m 左右提高到小于10m。其它探測設備也將有所改進,所探測到的有關月球的數據將更加詳實。

6)嫦娥二號的有效載荷配置比嫦娥一號少一項,即不采用干涉成像光譜儀探測月球表面的礦物成分。嫦娥二號的主要科學目標是對月球著陸區和其他重點區域進行精細測繪、立體成像,其他科學探測總體上將延續嫦娥一號科學目標,對月球表面元素分布、月壤厚度、近月空間環境等做更進一步的科學探測。這些更高空間分辨率的探測數據可以與嫦娥一號的探測數據進行互相校核,進一步改進月球遙感數據的定量反演算法和模型。

7)嫦娥二號衛星將驗證100km/15km 軌道機動與快速測定軌技術。測試將飛行軌道由100km圓軌道調整為遠月點100km 、近月點15km 的橢圓軌道的能力,部分演練嫦娥三號衛星可能采用的飛行軌道。

8)根據月球探測二期工程的要求,為提高測控精度,除S 頻段外新增了X 頻段的測控。嫦娥二號衛星飛行測控將首次驗證我國新建的X 頻段深空測控體制。相比嫦娥一號衛星使用的S 頻段測控,X 頻段無線電傳輸信號頻率更高,遠距離測控通信效果更好,我國深空測控通信能力將擴展到地球-火星距離。

3 結束語

總之,在嫦娥一號衛星取得圓滿成功之后,嫦娥二號衛星作為探月二期工程的先導星,進行了一系列技術改進。嫦娥二號衛星從發射到第一次近月制動所經歷的時間由13d 縮短為5d,環月軌道高度由200km 降低為100km, CCD 相機像元分辨率由120m 提高到10m, 激光高度計測量月面高程由1次/s 提高到5 次/s。嫦娥二號衛星將獲得月面著陸區地形地貌的精細探測數據,并試驗和驗證探月二期工程的關鍵技術。嫦娥二號衛星將發揮承前啟后、持續發展的先導作用,為探月二期的實施成功奠定科學和技術基礎。

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[1]歐陽自遠, 李春來, 鄒永廖, 等.繞月探測工程的初步科學成果[J].中國科學:地球科學,2010, 40(3):261-280

[2]Ouyang Ziyuan, Jiang Jingshan, Li Chunlai, et al.Preliminary scientific results of Chang'e-1 Lunar orbiter[J].Chin J Space Sci, 2008, 28(5):9-17

[3]李春來, 劉建軍, 任鑫, 等.嫦娥一號圖像數據處理與全月球影像制圖[J].中國科學:地球科學, 2010, 40(3):294-306

[4]李春來, 任鑫, 劉建軍, 等.嫦娥一號激光測距數據及全月球DEM 模型[J].中國科學:地球科學, 2010, 40(3):281-293

[5]Chan K L, Tsang K T, Kong B, et al.Lunar regolith thermal behavior revealed by Chang'e-1 microwave brightness temperature data[J].Earth and Planetary Science Letters, 2010, 295(1-2):287-291

[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

[7]Zheng Yongchun, Ouyang Ziyuan, Blewett D T.Implanted Helium-3 abundance distribution on the moon[C]//39th Lunar and Planetary Science Conference(Lunar and Planetary Science XXXIX), Houston, 2008:1049

[8]國防科工委, 中國科學院, 航天科技集團, 等.我國月球探測工程綜合立項論證報告[R].北京:國防科工委, 2004

[9]歐陽自遠, 編著.月球科學概論[M].北京:中國宇航出版社, 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