地月空間碎片地基探測能力現狀與啟示

李海濤, 陳少伍, 辛曉生, 徐得珍

(北京跟蹤與通信技術研究所, 北京 100094)

1 引言

2020年12月17日凌晨, 攜帶月壤的嫦娥五號返回艙成功著陸在內蒙古四子王旗預定著陸區, 標志著我國探月工程“繞、 落、 回” 三步走圓滿收官[1]。 2022年中國政府發布的《2021 中國的航天》 白皮書指出: 未來五年, 中國將繼續實施月球探測工程, 發射“嫦娥六號” 探測器、完成月球極區采樣返回, 發射“嫦娥七號” 探測器、 完成月球極區高精度著陸和陰影坑飛躍探測, 完成“嫦娥八號” 任務關鍵技術攻關, 與相關國家、 國際組織和國際合作伙伴共同開展國際月球科研站建設。 深化載人登月方案論證, 組織開展關鍵技術攻關, 研制新一代載人飛船, 夯實載人探索開發地月空間基礎[2]。 此外, 我國也已完成載人月球探測關鍵技術攻關和方案深化論證, 形成了具有中國特色的載人登月任務實施方案。

2022年11月16日, 美國國家航空航天局(NASA) 登月火箭太空發射系統托舉獵戶座飛船, 在美國佛羅里達州肯尼迪航天中心39B 發射臺首飛升空, 執行不載人飛行測試“阿爾忒彌斯1 號” 任務, 開啟繞月之旅, 為未來載人試飛和人類探索月球鋪路。 當地時間2022年11月28日, NASA 新一代登月火箭計劃“阿爾忒彌斯1號” 的“獵戶座” 太空艙飛行到地球外約43 萬公里的位置, 這是用于載人的航天器飛行的最遠距離。 2022年12月11日, 執行美國“阿爾忒彌斯1 號” 無人繞月飛行測試任務的“獵戶座” 飛船返回地球, 于美國東部時間11日12 時40 分(北京時間12日1 時40 分) 降落在下加利福尼亞半島以西太平洋水域。 至此, 阿爾忒彌斯1 號任務圓滿成功[3]。 “阿爾忒彌斯1 號” 任務完成后,NASA 就已經在為第二步, 也就是2024年開展“阿爾忒彌斯2 號” 載人繞月飛行測試作準備,而“阿爾忒彌斯3 號” 登月任務預計于2025年進行[4-6]。

2022年6月28日, 美國商業航天公司“先進太空” (Advanced Space) 的“頂石號” (CAPSTONE) 12U 立方星由商業火箭公司“火箭實驗室” (Rocket Lab) 公司“電子號” (Electron) 發射, 歷經通信失聯、 姿態異常等故障后, 于11月14日成功成為第一個進入月球近直線暈軌道(NRHO) 的航天器, 任務后續計劃開展星間無線電測量和自主導航試驗驗證[7]。 2022年8月4日韓國首個月球探測器由美國SpaceX 公司的“獵鷹” 9 號火箭發射入軌, 并于12月16日成功進入環月軌道[8]。 2022年12月11日,日本初創航天企業ispace 公司的“白兔-R” 探測器也由美國SpaceX 公司的“獵鷹” 9 號火箭搭載升空, 并于3月21日成功進入環月大橢圓軌道[9]。 該探測器原計劃將在今年4月26日嘗試在月球表面軟著陸, 但在最后垂直降落階段地面與探測器失去聯系, 初步判斷故障原因是器上推進劑耗盡導致無法控制著陸速度, 探測器最終撞擊月面[10]。 與此同時, NASA 的重返月球計劃還與一批商業航天企業進行了深度合作。 根據NASA 與美國私營航天企業簽署的協議, 美國宇航機器人技術公司研制的“游隼” (Peregrine) 著陸器已完成全部測試工作[11], 計劃年內作為“火神” (Vulcan) 運載火箭首飛任務(目前暫定5月), 啟程前往月球[12]。 此外,年內美國私營航天企業直覺機器公司的“新星-C” (Nova-C) 著陸器也將搭乘獵鷹9 號運載火箭, 在月球南極區域表面搜尋可能存在的水冰[13]。

可見, 未來月球探測已經成為人類航天活動的熱點, 特別是載人月球探測活動。 然而,月球軌道殘存的廢棄航天器等形成的軌道碎片對在軌飛行的月球探測器和航天員將構成嚴重威脅, 這也使得對環月軌道碎片的探測需求逐步提上議事日程。

2 環月軌道空間碎片現狀

2.1 印度“月船1 號”

“月船1 號” 是印度空間研究組織的第一個月球探測器, 搭載了超光譜圖像儀、 三維地貌測繪相機、 激光高度計、 低能X 射線譜儀等載荷,獲取月球高分辨率地質、 礦物和地形圖。 該探測器于2008年10月22日發射升空, 最終運行在高度為100km 的環月圓軌道, 其尺寸為1.5m ×1.5m×1.5m, 一側安裝太陽能電池板。

2009年8月27日協調世界時 (Universal Time Coordinate, UTC) 20: 00,月船1 號在與地面通信過程中失聯。 失聯后, 地面無法對其進行測控, 也無法獲取其準確的軌道位置信息。 由于月球上布滿了質量瘤, 重力場模型精度有限, 其軌道預報誤差隨著時間的推移不斷增大。

2.2 日本月亮女神子衛星

日本月亮女神探測器于2007年9月14日,在日本種子島航天中心發射升空, 一同升空的還有兩顆小衛星 (中繼子衛星Okina 或Rstar;甚長基線干涉測量子衛星Ouna 或Vstar)。月亮女神主探測器運行在距離月球100km 高度的極地圓軌道上, Okina 和Ouna 分別運行在軌道高度為100km×2400km 和100km ×800km 極軌上。 兩個子衛星均為八面柱體, 尺寸為0.99m×0.99m×0.65m,太陽能電池板貼裝在衛星柱面上。 2009年2月12日, Okina 撞擊月球表面。 2009年6月10日,月亮女神主探測器降低軌道高度, 受控撞擊月球, 任務結束。 2009年6月主任務結束后,Ouna 還在月球軌道運行, 地面已經不再對其進行軌道測量。

3 NASA 環月軌道雷達探測試驗

3.1 NASA月球軌道雷達探測系統

2016年美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA) 下屬的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)為了驗證地基雷達對月球軌道目標的探測能力,發起了地基雷達對月球航天器的探測試驗。 2016年7月～8月, JPL 利用現有的地基行星雷達系統, 主要有戈爾德斯通太陽系雷達 (Goldstone Solar System Radar, GSSR)、 綠岸射電天文望遠鏡(Green Bank Telescope, GBT) 和阿雷西博(Arecibo) 行星雷達系統, 成功探測到了美國在軌的月球勘測軌道器(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO)、 印度失聯的月船1 號和日本廢棄的環月小衛星Ouna。

地基行星雷達早期主要用于開展行星雷達天文學研究工作。 其基本工作原理如圖1 所示, 地基雷達大功率發射機發送調制過的雷達信號(通常為調頻連續波、 偽隨機碼調制連續波信號),雷達信號達到探測目標后經目標反射, 形成雷達回波信號, 并最終由接收天線接收并進行處理,從而獲得目標信號方位、 俯仰、 距離(延遲)、多普勒及回波功率等信息, 利用方位、 俯仰、 距離、 多普勒等信息實現對目標的軌道確定及改進, 利用距離、 多普勒及回波功率等信息實現對目標成像。

圖1 行星雷達的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of how planetary radar works

圖2 戈爾德斯通太陽系雷達70m 天線和綠岸天文臺100m 天線Fig.2 Goldstone solar system radar 70m antenna and Green Bank observatory 100m antenna

GSSR 位于美國加利福尼亞州南部的莫哈韋沙漠, 該雷達系統與NASA 深空網戈爾德斯通深空通信綜合設施DSS -14 深空測控設備共用70m 全動天線。 GSSR 由雷達天線、 X 頻段發射機和低噪聲接收機組成, 上述設備配合信號處理單元進行地基雷達探測。 GSSR X 頻段工作波長為3.5cm、 發射功率約為500kW。 雷達探測的位置誤差為150m、多普勒誤差為0.1Hz、 速度誤差為1mm/s。[14,15]

GBT 位于美國西弗吉尼亞州阿利根尼山脈,其天線口徑為100m, 是目前世界上最大的全動射電望遠鏡, 可實現85%天球覆蓋。 GBT 是美國國家科學基金會(美國國會所屬的獨立聯邦機構)投資建造, 于2001年投入使用[16]。

阿雷西博行星雷達位于波多黎各, 是美國天文電離層中心的研究設施, 是全球最強大、 最活躍的行星雷達, 主要用于無線電天文學、 雷達天文學和電離層/大氣科學研究活動。 阿雷西博天線是一個固定的球面反射望遠鏡, 口徑為305m,如圖3 所示, 其可探測范圍在當地天頂方向20°范圍內。 阿雷西博行星雷達安裝了兩臺發射機,其可以工作在UHF 頻段和S 頻段。 UHF 頻段發射機工作頻率為430.00MHz, 工作波長為70cm, 峰值功率為2500kW, 平均功率為150kW。 S 頻段發射機工作頻率為2380MHz, 工作波長為12.6cm,連續波輸出功率為1000kW。 2020年8月和11月, 阿雷西博天線的輔助鋼纜和主鋼纜先后斷裂, 同年11月9日美國國家科學基金會停止運行該設備。[17,18]

圖3 阿雷西博行星雷達305m 口徑天線Fig.3 Arecibo planetary radar 305m antenna

3.2 JPL 對美國在軌LRO 地基雷達探測

LRO 是目前NASA 唯一在軌運行的月球軌道航天器, 其尺寸較大且軌道位置已知, 成為地基雷達探測試驗的首選目標。

LRO 是美國2004年提出的“新太空探索計劃” 的首次任務, 搭載了宇宙射線望遠鏡、 中子探測儀、月球激光高度計、月球勘測相機、 微型射頻合成孔徑雷達等載荷, 主要獲取全天月溫圖、月球大地坐標、 高分辨率彩色圖像等科學數據, 同時開展月球極區水冰探測。 LRO 于2009年5月18日發射, 目前運行在距離月表約50km高度的極地圓軌道, 軌道周期為113min。 LRO 的尺寸為3.86m×2.61m×2.74m, 展開后太陽能電池板面積為4.26m ×3.2m, 高增益天線向外伸出2.59m。 2016年7月2日, JPL 利用戈爾德斯通太陽系雷達和綠岸射電天文望遠鏡組成雙站雷達系統對LRO 進行了探測, 其中GSSR 負責發射雷達信號, GBT 負責接收雷達回波信號, 觀測示意如圖4 所示。

圖4 GSSR-GBT 雙站雷達系統觀測示意圖Fig.4 GSSR-GBT two-station radar system observation diagram

JPL 利用LRO 的精密軌道預報數據, 首次成功探測到了LRO 回波信號。 圖5 (a) 為未經多普勒補償的原始回波多普勒- 功率圖, 表明在相應的多普勒頻率范圍內探測到回波, 回波持續了2.5min, 持續時間及信噪比與預期一致。圖5 (b) 為多普勒補償后的LRO 雷達回波成像結果, 顯示了5min 觀測弧段內回波功率隨時間變化情況, 回波中心頻率范圍變小, 信噪比更強。

圖5 7月2日GSSR 和GBT 首次探測到LROFig.5 LRO was first detected by GSSR and GBT on July 2

此外, 回波信號表現出明顯的 “閃爍” 特性。 通過分析確認是由于太陽能電池板反射雷達信號造成的。 LRO 太陽能電池板面積較大(展開后4.26m×3.2m)。 當太陽能電池板垂直于雷達視線方向時, 可以高效地反射雷達信號; 而太陽能電池板平行于雷達視線方向時, 則表現為“隱身” 狀態。 因此, 雷達回波的信噪比發生顯著變化, 回波信號強度表現出“閃爍” 現象。

3.3 JPL 對印度月船1 號地基雷達探測

由于JPL 有LRO 的精確軌道數據, 且其尺寸較大, 相對容易探測。 在成功探測到LRO 后,JPL 嘗試利用地基雷達探測其他的月球航天器以進一步驗證能力, 探測目標鎖定在已經失聯的印度月船1 號。

雖然月船1 號確切位置未知, 但是JPL 研究人員根據先驗信息判斷其仍運行在200km 高度的環月軌道, 每圈軌道均會經過月球兩極。 因此,JPL 研究人員在2016年7月2日將GSSR 和GBT天線指向月球北極上方約160km 處, 對月船1 號是否穿越雷達波束進行確認。

GSSR 在4.5h 內持續發送連續波信號, 并兩次探測到月船1 號回波信號, 無多普勒補償的回波信號功率結果如圖6 所示。 圖6 (a) 為2016年7月2日第一次探測到的結果; 圖6 (b) 為第二次探測到的結果, 回波間隔為2h8min。 根據理論分析,月船1 號繞月飛行的軌道周期為2h8min。 實際軌道周期與理論軌道周期一致。 成功探測到月船1 號進一步證明了地基雷達對環月航天器的探測能力。

圖6 7月2日GSSR 和GBT 探測到月船1 號回波功率Fig.6 On July 2, the GSSR and GBT detected the Chandrayaan-1 echo power

月船1 號穿越波束的時刻表明其平近點角相對于2009年估計的軌道漂移了約160°。 根據2016年7月2日兩次探測結果, 利用目標回波信號獲取了其速度和距離信息, JPL 研究人員對月船1 號的軌道進行了初步改進。

在改進軌道之后, JPL 于2016年7月3日又組織對月船1 號進行了4 次探測, 其中2 次采用連續波(僅多普勒測量) 模式, 2 次采用延遲-多普勒成像模式,月船1 號穿越波束時刻與預計結果僅差2min。 圖7 (a) 為月船1 號在經過月球南極時的延遲-多普勒結果, 該圖像的距離分辨率為37.5m/像素, 這也是首次在地月距離上對航天器進行雷達測距。 通過進一步處理, 得到月船1 號在經過月球南極的整個弧段內的成像結果如圖7 (b) 所示。

圖7 7月3日GSSR 和GBT 對月船1 號延遲-多普勒探測結果Fig.7 On July 3, GSSR and GBT's delayed Doppler detection of Chandrayaan-1

通過對雷達回波數據進行處理, 獲得擬合后的月船1 號雷達測量多普勒殘差均方根為4Hz,對應X 頻段速度誤差為0.07m/s。 與典型的NASA 深空網對深空航天器的雙向相干多普勒數據相比, 誤差增大約200 倍, 但足以將月船1 號的軌道確定精度約束至1km 以內。

此次試驗充分證明了地基雷達系統對月球目標的探測能力[19,20]。

3.4 JPL 對日本Ouna 地基雷達探測

為了進一步驗證地基雷達對月球目標的探測能力, JPL 選擇體積更小的日本月亮女神探測任務甚長基線干涉測量子衛星Ouna 作為探測目標。

2016年8月26日, JPL 利用阿雷西博和GBT組成的雙站雷達系統進行了觀測, 其中阿雷西博發送雷達信號, 并由GBT 接收回波信號, 觀測示意如圖8 所示。 Ouna 軌道位置誤差導致其在環月軌道可能分布的空域較大, 地面天線波束寬度也只覆蓋部分空域。 預估Ouna 當天最高位軌道置高度為715km, JPL 將雷達對準距月球北極約715km 高度的位置處, 獲得了初步探測結果, 如圖8 所示。

圖8 8月26日阿雷西博和GBT 初步探測OunaFig.8 On Aug.26, Arecibo and GBT made an initial detection of Ouna

圖9 佳木斯深空站66m 測控設備Fig.966m measurement and control equipment of Jiamusi deep space station

圖10 喀什深空站35m 測控設備Fig.1035m measurement and control equipment of Kashi deep space station

圖12 喀什深空站天線陣系統布局[22]Fig.12 Antenna array system layout of Kashi deep space station

圖8 (a) 表明S 頻段雷達回波的多普勒頻率在-18.4kHz ～-18.0kHz 之間。 圖8 (b) 為回波功率強度隨時間和多普勒頻率的變化情況, 雷達回波信號從2016年8月26日UTC 時間12: 06開始, 共持續約7min。 Ouna 是一個體積較小的八面柱體, 也沒有展開的太陽能電池板, 其回波信號沒有LRO 和月船1 號清晰。

通過地基雷達探測到LRO、 重新發現失聯的月船1 號并初步搜尋到體積更小的Ouna, 證明了GSSR、 GBT 和阿雷西博構成的大型雷達設施協同工作, 可以探測和跟蹤月球軌道上的小型航天器。

4 啟示與建議

4.1 我國深空測控系統現狀與潛力

在探月工程的推動下我國建成了全球布站的深空測控網。 探月工程二期建成了喀什35m 深空站和佳木斯66m 深空站, 探月工程三期建設了阿根廷35m 深空站, 其測控覆蓋率達到90%, 具備支持各類月球和深空探測任務的多頻段遙測、 遙控、 數據接收和跟蹤測量等功能, 是目前世界上功能完備全球布局的三大深空測控網之一。

佳木斯深空站(北緯46°29′37″, 東經130°46′12″), 位于中國黑龍江省佳木斯市東南約45km 樺南縣境內。 在該站建設了一套具備S/X雙頻段測控能力的66m 深空測控設備(綜合考慮氣象等因素暫未考慮Ka 頻段), 于2013年建成并投入使用[12]。

喀什深空站(北緯38°26′34.7″, 東經76°43′40.3″), 位于新疆維吾爾自治區喀什市以南約130km 莎車縣境內。 該站建設了一套具備S/X/Ka三頻段頻測控能力的35m 深空測控設備, 于2013年建成并投入使用[12]。

阿根廷深空站(南緯38°11′28.90″, 西經70°8′58.20″), 位于南美洲阿根廷西部內烏肯省薩帕拉市以北約80km, 站址所處的區域該站建設了一套具備S/X/Ka 三頻段頻測控能力的35m 深空測控設備, 如圖14 所示。 2017年建成并投入運行[21]。

在2020年我國實施首次火星探測任務中, 深空測控系統為了實現4 億千米遠距離測控, 在喀什深空站新建了3 個35m 口徑天線, 通過天線組陣技術將該深空站內的4 個35m 天線組成一個天線陣系統, 組陣后喀什深空站的X 頻段接收能力已經達到了與佳木斯深空站66m 天線相當的水平。 此外, 在后續月球探測工程還規劃在佳木斯深空站再建設一個35m 口徑Ka 頻段深空測控設備。

我國深空測控網采用了國際標準的S、 X 和Ka 三頻段, 頻率范圍覆蓋NASA 和ESA 深空站的頻率范圍, 符合國際電聯和CCSDS 的相關建議,如表1 所示。 目前S 和X 頻段上下行鏈路均可用, Ka 頻段主要用于下行接收。 佳木斯深空站具備S、 X 雙頻段上行發射及下行接收能力, 喀什深空站和阿根廷深空站具備S、 X 雙頻段上行發射及下行接收能力和Ka 頻段下行接收能力, 3 個深空站均配有S、 X 頻段測控發射機, 輸出功率為10kW, EIRP 值分別為93dBW (S 頻段,35m)、 96dBW (S 頻段, 66m)、 104dBW (X 頻段, 35m)、 107dBW (X 頻段, 66m)[23]。

表1 深空測控工作頻段Table 1 Deep space TT＆C operating frequency bands

在2012年自行研制了深空測控系統S 頻段和X 頻段10kW 速調管發射機的基礎上, 我國于2017年又實驗成功了X 頻段50kW 連續波速調管高功放, 已經初步具備研發200kW 級大功率發射機的技術基礎。 此外, 在國家高技術發展計劃支持下, 在上行天線組陣技術上也取得了突破, 實現了對同步軌道通信衛星的上行3 個天線組陣技術研究與試驗驗證, 達到了80%的合成效率[24]。

隨著我國近年來在大口徑射電望遠鏡研制方面的突破, 也建設了多個射電望遠鏡, 具體包括中國科學院國家天文臺密云站的50m、 40m 射電望遠鏡, 武清站70m 射電望遠鏡, 國家天文臺貴州500m 球面口徑FAST 望遠鏡, 云南天文臺昆明站40m 射電望遠鏡, 新疆天文臺烏魯木齊站25m射電望遠鏡, 上海天文臺佘山站25m、 天馬站65m。 上述射電天文望遠鏡除了開展射電天文研究外, 還承擔了月球及深空探測工程任務。 密云站和昆明站作為地面應用系統的組成部分承擔了月球及深空探測器科學應用數傳數據接收任務,佘山站、 天馬站、 烏魯木齊站、 密云站和昆明站作為測控系統VLBI 測軌的組成部分承擔了月球及深空探測器VLBI 測軌任務。 上述射電望遠鏡的工作頻段非常寬, 主要覆蓋了UHF、 L、 S、 C、X、 Ka 等多個頻段[25]。

4.2 我國地月空間碎片探測系統發展建議

基于我國已有深空測控網、 射電天文觀測設施和已經具備的工業基礎技術條件, 構建我國地月空間碎片探測系統已經具備了技術上的可行性。 建議按照一次規劃設計、 分步建設實施、 逐漸擴大規模和能力的步驟發展建設。

首先, 依托我國深空測控網在喀什深空站的一個35m 天線或者是佳木斯的66m 天線, 配置50kW 級X 頻段大功率發射機, 具備雷達發射能力, 由國內射電天文觀測設備的上海天馬65m、天津武清70m、 北京密云和云南昆明的40m 等多個天線接收, 共同構成多基地雷達探測系統, 對月球軌道在軌航天器進行地基雷達探測技術驗證, 在具備初步探測能力之后, 進一步發展更高頻率和更大帶寬的高分辨率探測系統。

其次, 在Ka 頻段10kW 級大功率發射技術取得突破的基礎上, 發展基于發射信號空間合成的寬帶組陣雷達系統, 利用喀什深空站的3 個35m天線, 分別配置Ka 頻段大功率發射機, 由上海天馬65m、 佳木斯深空站新建35m、 以及未來將建設的長白山40m 和日喀則40m 天線進行接收,構建Ka 頻段寬帶高精度地月空間探測雷達系統,具備對目標進行成像探測的能力。

最終, 通過進一步擴大喀什深空站35m 天線發射組陣系統的規模, 大幅度提高發射功率, 可以實現更小目標的探測能力, 并可以將探測距離延伸到更遠的日地拉格朗日點乃至可以探測距離地球數千萬千米遠的近地小行星。

5 結論

隨著人類探索月球活動的不斷深入, 甚至還會出現地月空間經濟圈, 對于地月空間碎片的探測感知要求也逐步提上議事日程。 作為負責任的大國和追求航天強國目標的中國, 也應當在地月空間碎片探測領域有所作為, 為構建人類命運共同體貢獻中國智慧、 中國方案、 中國力量。 加快依托已有深空測控設施和射電天文觀測設備, 推動我國地月空間碎片雷達探測系統建設, 將是具有里程碑意義的標志性事件。