鄭 偉 許厚澤 鐘 敏 劉成恕

(中國科學(xué)院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室，武漢 430077)

1 引言

深空探測計劃是20世紀(jì)國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)探索空間環(huán)境和利用空間資源的關(guān)鍵途徑，主要包括5個研究領(lǐng)域:月球探測、火星探測、水星/金星探測、巨行星探測以及小行星/彗星探測;預(yù)期科學(xué)目標(biāo)是:開發(fā)空間資源、擴(kuò)展生存空間、探索宇宙起源。

金星是太陽系中距地球最近的行星(最近4 100萬千米)。金星是除太陽和月球之外，在天空中能直接看到的最明亮天體。雖然金星和地球被稱為“孿生姊妹”，但金星在諸多方面與地球迥然不同:1)金星自東向西逆向旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)周期(243天)大于公轉(zhuǎn)周期(225天);2)由于日金距離比日地距離短約1/3，因此金星獲得的太陽能比地球多1 倍;3)由于金星具有非常濃密的大氣層，因此金星的反照率(0.76)在太陽系行星中名列前茅。為了盡快揭開金星的神秘面紗，自20世紀(jì)60年代起，以蘇聯(lián)和美國為代表的國際眾多科研機(jī)構(gòu)競相開展了金星探測計劃，并獲得了大量的金星研究數(shù)據(jù)和科學(xué)信息，主要包括:蘇聯(lián)“金星”系列(16 個探測器)、美國“水手”系列(10 個探測器:3 個飛向金星、6 個飛向火星、1 個對金星和水星開展雙星觀測)、美國“麥哲倫”探測器、歐洲“金星快車”探測器、日本“拂曉”探測器等。

金星重力場的精密探測決定著環(huán)金飛行器軌道的優(yōu)化設(shè)計和理想著陸點的合適選?。?－10］。由于當(dāng)前金星重力場信息均是通過環(huán)金飛行器的多普勒跟蹤數(shù)據(jù)獲得，其僅敏感于金星重力場的中低頻信號，而且探測精度相對較低，因此盡早實施專用金星重力衛(wèi)星計劃，進(jìn)而構(gòu)建高精度和高空間分辨率的金星重力場模型刻不容緩。

2 國際金星探測計劃研究進(jìn)展

如表1 所示，國際科研機(jī)構(gòu)共發(fā)射了32 個金星探測器，如果將路過金星的探測器計算在內(nèi)，總數(shù)已達(dá)40 余個。

表1 國際金星探測計劃發(fā)展歷程［1－10］Tab.1 Progress in international Venus exploration programs［1－10］

國際未來金星探測計劃進(jìn)展如表2。

3 金星重力場模型建立進(jìn)展(1980—2002年)

金星重力場模型是指金星引力位按球諧函數(shù)展開中引力位系數(shù)的集合{Clm，Slm}。自蘇聯(lián)于1961年2月4日首次發(fā)射金星探測器“金星－1A”以來，國際眾多科研機(jī)構(gòu)已利用多種技術(shù)開展了大量的金星重力場測量。表3 列出了基于金星探測器觀測數(shù)據(jù)建立的主要金星重力場模型，其中MGNP180U 模型是利用“麥哲倫”探測器的多普勒跟蹤數(shù)據(jù)建立的180 階次金星重力場模型，在180 階處解算金星引力位系數(shù)精度為2.5 ×10－9。雖然MGNP180U 模型是至今為止解算精度較高的金星重力場模型，但由于“麥哲倫”金星探測器的主要科學(xué)目標(biāo)并非金星重力探測，因此金星重力場測量精度有待進(jìn)一步提高。基于地球?qū)Ｓ弥亓πl(wèi)星CHAMP、GRACE 和GOCE 以及月球?qū)Ｓ弥亓y量衛(wèi)星GRAIL 在高精度探測重力場方面的卓越貢獻(xiàn)，盡早發(fā)射金星專用重力衛(wèi)星是建立更高精度和更高階次金星重力場模型的優(yōu)選途徑，通過將來專用重力衛(wèi)星測量金星重力場的預(yù)期精度較目前金星探測器精度至少提高10 倍。

表3 金星重力場模型Tab.3 Venus gravity field models

4 對我國實施金星重力梯度計劃的建議

4.1 SST-HL/SGG-Doppler-VLBI 觀測模式的優(yōu)化選取

SST－HL/SGG－Doppler－VLBI(Satellite－to－Satellite Tracking in High－Low/ Satellite Gravity Gradiometry mode associated with Doppler and Very Long Baseline Interferometry)觀測系統(tǒng)由地球Doppler－VLBI 系統(tǒng)、低軌金星重力梯度衛(wèi)星、聯(lián)系Doppler－VLBI 系統(tǒng)和低軌金星重力梯度衛(wèi)星的中繼高軌衛(wèi)星群組成。該觀測模式的優(yōu)點如下:1)由于采用傳統(tǒng)金星探測器的多普勒跟蹤數(shù)據(jù)僅能獲得金星重力場的中長波信號，而衛(wèi)星重力梯度張量可直接測量金星引力位的二階導(dǎo)數(shù)，進(jìn)而反演金星重力場精細(xì)結(jié)構(gòu)的中短波信息。因此，衛(wèi)星重力梯度測量技術(shù)是提高金星中高頻重力場信號精度的優(yōu)選途徑;2)基于衛(wèi)星多普勒觀測的傳統(tǒng)衛(wèi)星重力測量技術(shù)主要取決于衛(wèi)星定軌精度的高低，而SST－HL/SGG－Doppler－VLBI 對定軌精度的要求相對較低，主要原因是加速度計陣列本身可測定衛(wèi)星的運動姿態(tài)，而且重力梯度數(shù)據(jù)的后處理可進(jìn)一步改善衛(wèi)星的定軌精度;3)金星重力梯度衛(wèi)星在近圓、近極軌和低軌道上連續(xù)飛行可獲得全球覆蓋和規(guī)則分布的重力梯度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的密度和分布取決于衛(wèi)星飛行時間、數(shù)據(jù)采樣間隔、軌道參數(shù)等;不僅可高精度探測金星重力場信號，而且可借鑒地球重力梯度衛(wèi)星GOCE［22－26］整體系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。

4.2 衛(wèi)星軌道高度的優(yōu)化設(shè)計

由于不同金星探測器的軌道高度敏感于不同階次的金星引力位系數(shù)，因此目前已有金星探測器僅在特定軌道高度區(qū)間可發(fā)揮優(yōu)越性，而在軌道空間范圍外基本無能為力。如果我國將來金星重力梯度衛(wèi)星也設(shè)計在已有金星探測器的軌道高度空間范圍，除非金星重力場的反演精度高于它們，否則效果僅相當(dāng)于其測量的簡單重復(fù)，對于金星重力場反演精度的進(jìn)一步提高無實質(zhì)性貢獻(xiàn)。因此，我國將來金星重力梯度衛(wèi)星的軌道高度應(yīng)盡可能選擇在已有金星探測器的測量盲區(qū)，進(jìn)而信息互補。我國將來金星重力梯度衛(wèi)星雖然攜帶了非保守力補償系統(tǒng)，但由于有限測量精度的非保守力補償系統(tǒng)無法將作用于金星重力梯度衛(wèi)星體的非保守力完全平衡掉，同時軌道和姿態(tài)微推進(jìn)器的頻繁噴氣將導(dǎo)致衛(wèi)星攜帶燃料的大量損耗。因此，適當(dāng)降低我國將來重力梯度衛(wèi)星的軌道高度有利于提高金星重力場的反演精度，其代價是略微損失了衛(wèi)星的工作壽命。綜上所述，我國將來金星重力梯度衛(wèi)星的軌道高度設(shè)計為50 ～100 km 較合理。

5 我國實施金星重力梯度計劃的重要意義

迄今為止，蘇聯(lián)、美國、歐洲和日本已發(fā)射了40余顆金星探測器，另外，美國、俄羅斯、法國、日本和德國預(yù)計于2020—2025年將聯(lián)合開展更高精度和更加全面的金星探測計劃。但至今為止，國際科研機(jī)構(gòu)仍未制定金星專用重力衛(wèi)星測量計劃，因此我國應(yīng)盡早開展金星重力梯度計劃。

金星重力梯度計劃是一項多學(xué)科和高技術(shù)相互交叉、滲透和集成的系統(tǒng)工程。由于地球和金星有較多相似之處，因此基于金星的成因、演變和構(gòu)造等方面的科學(xué)信息，有助于研究地球的起源、發(fā)展和演變史，可較大程度提升人類對地球、金星、太陽系、銀河系、以及宇宙起源和演變特性的認(rèn)知和理解。

繼探月計劃［27－29］和火星探測計劃［30－32］之后，金星探測已成為國際眾多航天大國關(guān)注的研究熱點。類似于“嫦娥探月”計劃，金星重力梯度計劃的成功實施將成為提升我國深空探測科技水平的重要途徑。目前我國已在人造衛(wèi)星、載人航天、月球探測等研究領(lǐng)域取得了重大突破，因此盡早開展金星重力梯度計劃和積極參與金星資源的開發(fā)和利用是我國航天科技發(fā)展的重大舉措。

6 結(jié)論

開展金星衛(wèi)星重力梯度計劃將填補我國在金星探測方面的空白，為盡快縮短與國際先進(jìn)金星探測水平的差距提供良好的平臺和機(jī)遇，有助于進(jìn)一步增強我國航天大國的影響力。

致謝感謝羅俊院士對本文的幫助。感謝美國宇航局( NASA)、俄羅斯聯(lián)邦航天局( RSA)、歐洲空間局( ESA)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( JAXA)等研究機(jī)構(gòu)提供金星探測計劃的相關(guān)資料。

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