歐陽自遠(yuǎn)

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

1 嫦娥一號的初步科學(xué)成果

北京時間2007年10月24日18 時05 分04秒,嫦娥一號衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。嫦娥一號衛(wèi)星從發(fā)射升空到準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)月工作軌道,一共經(jīng)歷了主動段、調(diào)相軌道段、地月轉(zhuǎn)移軌道段和環(huán)月軌道段等4 種不同的軌道,經(jīng)歷了1 次遠(yuǎn)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(wèi)星開始進(jìn)行第三次近月制動,衛(wèi)星繞月球的運行周期為127min(2.12h), 進(jìn)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(xué)探測。

2009年3月1日,嫦娥一號衛(wèi)星受控撞擊月球的東經(jīng)52.36°、南緯1.50°的豐富海區(qū)域,比預(yù)期1年的工作壽命延長4 個多月,圓滿完成各項科學(xué)探測使命。

嫦娥一號衛(wèi)星在軌運行495d,裝載的8 臺(套)科學(xué)儀器工作正常,一共取得1.37Tbyte 的原始科學(xué)探測數(shù)據(jù),地面應(yīng)用系統(tǒng)研制的0、1、2、3 級科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品約4T byte,并已陸續(xù)發(fā)布給全國相關(guān)的科學(xué)家開展探測數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究[1-2]。2010年5月,嫦娥一號衛(wèi)星所獲得的全部科學(xué)探測數(shù)據(jù),在繞月探測工程地面應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)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(shù)據(jù)獲取、處理、研究和應(yīng)用等方面取得了一系列高水平的科學(xué)探測成果。

1.1 質(zhì)量最高的全月球影像圖和月球標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)地圖

2008年7月,嫦娥一號衛(wèi)星CCD 立體相機(jī)共獲得508 軌南北緯70°以內(nèi)和589 軌南北緯70°～90°極區(qū)的全月球影像數(shù)據(jù),第一次實現(xiàn)了月球表面影像的100%覆蓋。并于2008年11月12日公開發(fā)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(zhǔn)精度、數(shù)據(jù)的完整性與一致性、圖像色調(diào)等方面,均明顯優(yōu)于國際上已有的各類全月球影像圖,是當(dāng)前國際上數(shù)據(jù)覆蓋最全、質(zhì)量最好的全月球影像圖[3]。

利用嫦娥工程多種數(shù)據(jù)源解算得到全月球地形數(shù)據(jù),對全月球圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)像”——月球基礎(chǔ)地圖(Lunar Base Map)[3]。

在地面應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境基礎(chǔ)上,在月球影像數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)取得如下成果:

1)2007年11月26日,根據(jù)最初19 軌CCD 正射影像圖的一部分,繪制并公開發(fā)布第一幅月面平面圖像和三維影像。2)一些典型地區(qū)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(jī)313 軌的探測數(shù)據(jù),拼接制作了S70°～N70°的月球影像圖,利用CCD 立體相機(jī)276 軌的探測數(shù)據(jù),編制了S70°～90°和N70°～90°兩極區(qū)影像圖。根據(jù)589 軌的探測數(shù)據(jù),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(jī)制作的500m數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)制作了一些典型月表地貌單元的3D 景觀數(shù)據(jù)。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(huán)形構(gòu)造圖、月球構(gòu)造區(qū)劃圖,將相繼公布發(fā)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(shù)字高程模型和三維月球地形圖

嫦娥一號衛(wèi)星激光高度計共獲得了約916 萬個月表測高數(shù)據(jù),是目前國際上最多的測高采樣數(shù)據(jù),制作了空間分辨率為3km 左右的全月球數(shù)字高程模型(DEM)(圖2)。利用覆蓋全月球的嫦娥一號立體相機(jī)三線陣CCD 數(shù)據(jù),采用三線陣數(shù)字?jǐn)z影測量方法,解算了全月球的地形數(shù)據(jù),制作了全月球三維數(shù)字地形產(chǎn)品, 數(shù)據(jù)全球平差的平面中誤差為192m,高程中誤差為120m;全月球數(shù)字高程模型(DEM)空間分辨率達(dá)500m,等高線數(shù)據(jù)的等高距達(dá)500m。全月球數(shù)字地形圖產(chǎn)品(包括數(shù)字高程模型、正射影像和數(shù)字等高線圖)在數(shù)據(jù)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(yōu)于國際現(xiàn)有全月球數(shù)字地形產(chǎn)品[4]。

圖2 根據(jù)激光高度計探測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和激光高度計數(shù)據(jù)的處理方法

圍繞獲取月表三維影像圖,地面應(yīng)用系統(tǒng)有針對性地開展了一系列的科學(xué)實驗,主要集中在CCD立體相機(jī)圖像數(shù)據(jù)處理與全月球平面圖像數(shù)據(jù)拼接關(guān)鍵技術(shù)方法,月表三維影像制作關(guān)鍵技術(shù)方法,激光高度計測距數(shù)據(jù)處理方法,激光高度計高程數(shù)據(jù)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(jī)圖像數(shù)據(jù)與激光高度計測距數(shù)據(jù)聯(lián)合處理方法等。研制了CCD 立體相機(jī)圖像處理、激光高度計數(shù)據(jù)處理、月表三維影像演示成果攝影測量數(shù)據(jù)處理、月表三維影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)等軟件產(chǎn)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(xué)元素和物質(zhì)成分方面的探測重點放在某些關(guān)鍵性元素、巖石類型和分布上。嫦娥一號衛(wèi)星伽馬射線譜儀共獲取了1 103軌有效探測數(shù)據(jù),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(shù)據(jù),覆蓋了月球南北緯70°以內(nèi)84%的月表區(qū)域(相當(dāng)于全月球的79%)。通過對FeO、TiO2元素含量的反演,結(jié)合伽馬射線譜儀和X 射線譜儀探測的元素含量與分布數(shù)據(jù),相互融合進(jìn)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(chǎn)資源如鈦鐵礦、稀土與放射性元素等的開發(fā)利用前景。

1.5 全月球四頻段微波亮度溫度數(shù)據(jù)

嫦娥一號微波探測儀共獲取了1 690 軌探測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)累積時間約2 642h,數(shù)據(jù)多次覆蓋了全月球表面。嫦娥一號微波探測儀科學(xué)數(shù)據(jù)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(shù)測量全月球微波輻射信息,進(jìn)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(zhì)組成的影響(圖3)[5-6]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步反演月壤厚度,評估氦-3資源[7]。

圖3 根據(jù)嫦娥一號微波探測儀科學(xué)數(shù)據(jù)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(fēng)離子數(shù)據(jù)

在嫦娥一號衛(wèi)星上,安裝了1 臺太陽高能粒子探測器和2 臺太陽風(fēng)離子探測器,進(jìn)行了月球軌道空間環(huán)境探測。嫦娥一號衛(wèi)星在軌運行期間,多次經(jīng)過月球背面的屏蔽區(qū)、行星際空間、地球磁層的磁鞘和磁尾區(qū)等4 個空間區(qū)域。太陽高能粒子探測器共獲取了1 846 軌有效探測數(shù)據(jù), 累積時間為2 868.5h;太陽風(fēng)離子探測器獲取了1 815 軌有效探測數(shù)據(jù),累積時間為2 852.3h,其中約60%的時間處于太陽風(fēng)中。

空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)的初步分析和對比研究,發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象。太陽風(fēng)離子探測器還監(jiān)測到月球兩極日夜交界面附近,從日側(cè)向夜側(cè)速度逐漸增加的粒子流、月球向陽面的太陽風(fēng)離子反射現(xiàn)象等空間環(huán)境事件,這些事件揭示了太陽風(fēng)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(fēng)與無大氣弱磁化天體相互作用的認(rèn)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(jìn)一步深入地分析與比對研究,有望獲得更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

1.7 獲得撞擊月球前的高分辨月面影像

嫦娥一號衛(wèi)星經(jīng)軌道調(diào)整、速度減為1.627km/s 后,目標(biāo)瞄準(zhǔn)撞擊點,當(dāng)衛(wèi)星降落到距離月面59km 高度時,CCD 立體相機(jī)開機(jī),邊下降、邊拍照。從開機(jī)拍攝到撞擊月面的15min 內(nèi),CCD 立體相機(jī)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(xì)結(jié)構(gòu)提供了高質(zhì)量素材。2009年3月1日16 時13 分10 秒,嫦娥一號衛(wèi)星準(zhǔn)確撞擊月球東經(jīng)52.36°、南緯1.50°的豐富海預(yù)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(wèi)星為期1年多的在軌業(yè)務(wù)運行,獲得了大量的探測數(shù)據(jù),在月球基礎(chǔ)科學(xué)和深空數(shù)據(jù)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(wèi)星的使命——承前啟后,持續(xù)發(fā)展

根據(jù)我國月球探測工程的規(guī)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(jìn)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(qū)進(jìn)行精細(xì)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(qū)進(jìn)行就位采樣和巡視鉆孔取樣,樣品返回地球后開展系統(tǒng)的高精度的實驗室分析研究[8-10]。當(dāng)前,繞月探測工程已經(jīng)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(wèi)星嫦娥二號(Chang'e-2)將于2010年10月在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。

與嫦娥一號相比,嫦娥二號衛(wèi)星作為“探月二期工程”的先導(dǎo)星,在技術(shù)上將實現(xiàn)六個方面的創(chuàng)新突破,通過執(zhí)行對月球進(jìn)行“精細(xì)探測”的任務(wù),有利于今后嫦娥三號(Chang'e-3)衛(wèi)星能夠安全地在月球表面軟著陸。

嫦娥一號衛(wèi)星裝載了CCD 立體相機(jī)和激光高度計,主要負(fù)責(zé)“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(wèi)星作為二期工程的先導(dǎo)星,在工程上的主要任務(wù)是試驗驗證部分關(guān)鍵技術(shù)和新設(shè)備,試驗新的奔月軌道,降低探月工程二期的技術(shù)風(fēng)險。嫦娥二號衛(wèi)星在科學(xué)上的首要任務(wù)是對月面著陸區(qū)進(jìn)行詳查,精細(xì)地測繪著陸區(qū)的地形地貌。為此,嫦娥二號衛(wèi)星相對嫦娥一號衛(wèi)星做了多方面改進(jìn)和提高,主要包括:

1)嫦娥二號衛(wèi)星與嫦娥一號衛(wèi)星的軌道設(shè)計不同。嫦娥一號發(fā)射后,先是環(huán)繞地球飛行了7d,經(jīng)過4 次變軌才進(jìn)入奔月軌道。從發(fā)射到進(jìn)入環(huán)月軌道總共歷時大約13d14h19min,行程200 多萬千米。這次發(fā)射的嫦娥二號將新開辟地月之間的“直航航線”,即直接發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道,待幾次中途修正和近月制動后,即進(jìn)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(wèi)星較嫦娥一號衛(wèi)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(qū)作出精細(xì)測繪。

3)嫦娥二號衛(wèi)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(zhí)行此次任務(wù)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(wèi)星直接進(jìn)入200km/380 000km的地月轉(zhuǎn)移軌道。

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

5)嫦娥二號所攜帶的CCD 立體相機(jī)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(shè)備也將有所改進(jìn),所探測到的有關(guān)月球的數(shù)據(jù)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(xué)目標(biāo)是對月球著陸區(qū)和其他重點區(qū)域進(jìn)行精細(xì)測繪、立體成像,其他科學(xué)探測總體上將延續(xù)嫦娥一號科學(xué)目標(biāo),對月球表面元素分布、月壤厚度、近月空間環(huán)境等做更進(jìn)一步的科學(xué)探測。這些更高空間分辨率的探測數(shù)據(jù)可以與嫦娥一號的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行互相校核,進(jìn)一步改進(jìn)月球遙感數(shù)據(jù)的定量反演算法和模型。

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

8)根據(jù)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(wèi)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(wèi)星使用的S 頻段測控,X 頻段無線電傳輸信號頻率更高,遠(yuǎn)距離測控通信效果更好,我國深空測控通信能力將擴(kuò)展到地球-火星距離。

3 結(jié)束語

總之,在嫦娥一號衛(wèi)星取得圓滿成功之后,嫦娥二號衛(wèi)星作為探月二期工程的先導(dǎo)星,進(jìn)行了一系列技術(shù)改進(jìn)。嫦娥二號衛(wèi)星從發(fā)射到第一次近月制動所經(jīng)歷的時間由13d 縮短為5d,環(huán)月軌道高度由200km 降低為100km, CCD 相機(jī)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(wèi)星將獲得月面著陸區(qū)地形地貌的精細(xì)探測數(shù)據(jù),并試驗和驗證探月二期工程的關(guān)鍵技術(shù)。嫦娥二號衛(wèi)星將發(fā)揮承前啟后、持續(xù)發(fā)展的先導(dǎo)作用,為探月二期的實施成功奠定科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

)

[1]歐陽自遠(yuǎn), 李春來, 鄒永廖, 等.繞月探測工程的初步科學(xué)成果[J].中國科學(xué):地球科學(xué),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(shù)據(jù)處理與全月球影像制圖[J].中國科學(xué):地球科學(xué), 2010, 40(3):294-306

[4]李春來, 任鑫, 劉建軍, 等.嫦娥一號激光測距數(shù)據(jù)及全月球DEM 模型[J].中國科學(xué):地球科學(xué), 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(xué)院, 航天科技集團(tuán), 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(yuǎn), 編著.月球科學(xué)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