Hideo HANADA,Seiitsu TSURUTA,Kazuyoshi ASARI,Hiroshi ARAKI, Hirotomo NODA,Shingo KASHIMA,Ken-ichi FUNAZAKI, Fuyuhiko KIKUCHI,Koji MATSUMOTO,Yusuke KONO, Hiroo KUNIMORI,Sho SASAKI

(1.日本國立天文臺RISE研究室,奧州,日本;2.綜合研究大學院大學天文學部,三鷹,日本;3.巖手大學工學院,盛崗,日本; 4.國立天文臺水澤VLBI觀測站,三鷹,日本;5.國立信息通信技術(shù)研究院無線網(wǎng)絡(luò)研究所,小金井,日本;6.大阪大學地球與空間科學部,豐永,日本)

用于未來月球探測的ILOM技術(shù)現(xiàn)狀

Hideo HANADA1,2,Seiitsu TSURUTA1,Kazuyoshi ASARI1,Hiroshi ARAKI1,2, Hirotomo NODA1,2,Shingo KASHIMA1,Ken-ichi FUNAZAKI3, Fuyuhiko KIKUCHI1,Koji MATSUMOTO1,2,Yusuke KONO2,4, Hiroo KUNIMORI5,Sho SASAKI6

(1.日本國立天文臺RISE研究室,奧州,日本;2.綜合研究大學院大學天文學部,三鷹,日本;3.巖手大學工學院,盛崗,日本; 4.國立天文臺水澤VLBI觀測站,三鷹,日本;5.國立信息通信技術(shù)研究院無線網(wǎng)絡(luò)研究所,小金井,日本;6.大阪大學地球與空間科學部,豐永,日本)

使用面包板模型和仿真方法,在實驗室內(nèi)研究月球指向就位測量望遠鏡(ILOM)的基本特征,如望遠鏡星像中心點位置精度、溫度效應(yīng)、傾斜以及地面震動的影響。使用這個技術(shù)預(yù)期在月球表面觀測月球自轉(zhuǎn)時可以達到1 ms的精度。將在地面上開展測試驗證觀測以全面評價達到優(yōu)于0.1″觀測精度目標所需條件和特征。

月球;ILOM;望遠鏡;照相天頂筒;水銀槽

0 引 言

測月觀測,如月球自轉(zhuǎn)、重力場及其潮汐形變等,是研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最重要和最基本的觀測之一。我們?yōu)椤霸屡?號”和后續(xù)的月球探測計劃研發(fā)了用于研究和探測月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)備,包括差分VLBI射電源、LLR激光測月后向反射器以及月球指向就位測量望遠鏡(ILOM)。

VLBI技術(shù)是月球探測器軌道測定的有效方法手段。“月女神”任務(wù)中的測軌和月球重力場探測使用了差分VLBI技術(shù),并且在X-波段達到了1 ps的延遲測量精度,從而實現(xiàn)了10 m精度的衛(wèi)星軌道測量[1]。鑒于設(shè)計中考慮了更多的同波束差分VLBI測量的機會,預(yù)期測量軌道器與著陸器之間的雙差分單向距離觀測量的精度將比“月女神”任務(wù)期間獲得的精度更高。S/X雙頻段雙波束地面天線系統(tǒng)可以增加同時觀測兩個探測器的機會,為此,我們正在開發(fā)一個自互補相位陣天線系統(tǒng)。同時,我們針對未來著陸探測任務(wù)研發(fā)了一類可以工作在-200～120℃溫度范圍的140 MHz帶寬的60°波束寬度-5 d Bi增益的天線系統(tǒng)[2]。

我們建議在月球上放置一個新的反射器用以改善目前月面上LLR激光反射器網(wǎng)的分布,使得更多的地面臺站有機會參與LLR的觀測,進而改進和提高LLR觀測的精度[3]。新的反射器一改傳統(tǒng)的角反射器陣列的概念,將僅僅使用一個大體積角反射器。它不會因為光線入射角的變化而對光學中心產(chǎn)生移位的影響,這樣可以把測距精度提高到1 mm。反射器的2個相交表面構(gòu)成的二面角加工精度將優(yōu)于0.1″以使得更有效地反射回程光子的能量[4]。因此,反射器的加工方式正在沿著兩個技術(shù)途徑研發(fā),可以是三個鏡面的粘合,也可以是整個晶體制作一個后像反射鏡。

在ILOM計劃中,我們正在開發(fā)小型數(shù)字化照相天頂筒,通過在月面上以1 mas的測量精度觀測恒星的位置及變化測量月球的自轉(zhuǎn)。這個技術(shù)與地球和月球的軌道運動無關(guān),為此與LLR相互獨立。利用這種技術(shù)在月面上進行1年以上的觀測,可以檢測與月球內(nèi)部構(gòu)造關(guān)聯(lián)的月球物理天平動的微小成分和自由天平動[5-6]。我們已經(jīng)研發(fā)了一個面包板模型樣機,并設(shè)置在地面臺站開展測試觀測,作為未來月球表面望遠鏡技術(shù)的初步驗證。

1 月面ILOM望遠鏡技術(shù)研發(fā)

1.1 面包板模型樣機

照相天頂筒使用水銀槽作為反射鏡面設(shè)置在望遠鏡光路的中間位置。星像焦平面與物鏡重合,通常使用一個與光路成45°角的反射鏡把光線從物鏡附近引開,從側(cè)面成像。圖1給出了模型的光路原理?；谶@個基本的理念,我們研發(fā)了ILOM的BBM樣機。望遠鏡的環(huán)境測試結(jié)合日本國立天文臺的JASMINE光學天體測量望遠鏡計劃,由國立天文臺和巖手大學合作完成。望遠鏡參數(shù)見表1。

圖1 面包板樣機原理光路Fig.1 Bread board model for PZT

在測試實驗中,使用5μm×5μm像素大小的CCD成功地測得了1/300像素的恒星位置精度,對應(yīng)于3 mas的望遠鏡空間位置分辨能力[7]。PZT形式的望遠鏡的鏡筒傾斜效應(yīng)將會混入觀測中。如果傾斜角度小于80″,影響將小于1 mas[8]。姿態(tài)控制系統(tǒng)可以把望遠鏡的傾斜控制在20″左右[9]。光線追蹤仿真可以揭示環(huán)境溫度變化的效應(yīng),這部分的影響大小約為3 mas/℃。如果引入繞射光學元件,這個影響可以控制在0.1 mas/℃[10]。

表1 望遠鏡特性參數(shù)Table 1 Specification of the telescope

1.2 地面試驗?zāi)Ｐ蜆訖C

為了適應(yīng)地面測試觀測試驗,我們改進了BBM模型樣機升級到地面測試模型樣機,見圖2。新的三角架支撐結(jié)構(gòu)使得望遠鏡可以被設(shè)置在傾斜度30°的斜坡上。新版PZT可以作為測量地面垂線偏差DOV的設(shè)備以0.1″的精度工作[11-12]。然而這種觀測并非總能順利進行,主要是地面觀測受到大氣擾動、地面震動以及大氣溫度變化的影響,使得星像出現(xiàn)抖動。后續(xù)工作將進一步確認這臺儀器觀測DOV的極限精度是多少。望遠鏡的空間分辨率一般取決于天文臺站視寧靜度、望遠鏡衍射極限和CCD像素尺寸。后兩個因素是光學系統(tǒng)和探測器固有的,不依賴于環(huán)境。

圖2 ILOM地面測試BBM模型Fig.2 The BBM ground experiment model of ILOM

衍射極限θ可以表達為艾利斑的半徑,θ= 1.22λ/D rad,這里λ是光波波長、D是望遠鏡物鏡的孔徑。當D=0.1 m和λ=600 ns時,θ=7.32× 10-6rad或1.5″。采用點擴散函數(shù)擬合估計星像質(zhì)心,就可以確定優(yōu)于衍射極限的恒星位置。我們以1 mas為目標觀測精度考慮星像質(zhì)心估計以及CCD像素尺寸。對衍射極限和CCD像素尺寸的要求,在就月面和地面觀測而言沒有顯著的差異。

在地面觀測時,可以通過延長積分時間來抑制大氣抖動中的隨機擾動部分帶來的效應(yīng)影響。粗略地講,如果在積分時間內(nèi)可以獲得100份數(shù)據(jù),標準差可以降低到1份數(shù)據(jù)的1/10。長積分時間還可以提高觀測的信噪比SNR,這一項改進對提高恒星的位置測量精度至關(guān)重要。

然而,由于PZT類型的望遠鏡不對恒星進行跟蹤,為此積分時間的延長是有限的。地面觀測試驗過程中,恒星在視場中由于地球自轉(zhuǎn)而移動。最長積分時間受到地球自轉(zhuǎn)速率的約束。對于7.3 rad/s的地球自轉(zhuǎn)速率而言,最長積分時間為48 s。ILOM在月球表面的設(shè)計積分時間長于100 s[8]?？紤]到月球比地球轉(zhuǎn)速快數(shù)十倍,實際上月球上的觀測積分時間比100 s要長許多,可以預(yù)期得到的恒星位置觀測精度也要比地球上高許多。在地球上觀測,可以把大氣抖動的效應(yīng)抑制到0.1″以下。

2 地面初步試驗

地面的振動是影響這類高精度天體測量觀測的因素。為此,試驗觀測中需要對望遠鏡的水銀槽及其中的水銀面變化特別關(guān)注[13]。

在地面初步試驗中,我們研究了水銀面由于地面振動而導致的星像在CCD上的移動。試驗中記錄了人工恒星圖像質(zhì)心高斯擬合質(zhì)心的60 Hz和30 Hz采樣頻率的變化。地面抖動通過并置3個方向成分的地震儀觀測記錄低于1 Hz頻率的振動。圖3顯示了水銀槽中水銀厚度為0.5 mm時星像質(zhì)心的變化。作為對比,圖4給出了不使用水銀槽的情況下星像位置抖動測量結(jié)果,二者一致。比較表明水銀槽內(nèi)0.5 mm厚的水銀是合理的。

圖3 0.5 mm厚水銀槽反射得到的星像中心位置變化(實驗時間是2013/12/3 15:51:3)Fig.3 Variations of the centroids with a mercury pool of 0.5 mm depth (Time:2013/12/3 15:51:3)

上述實驗結(jié)果對應(yīng)的星像質(zhì)心位置變化的頻譜分析分別在圖5和圖6中給出,結(jié)果表明,頻率低于0.7 Hz的譜比較強。而在0.5、1.0和2.0 Hz上沒有看到以前出現(xiàn)的強干擾信號[14]。這可能是由于試驗時地面振動沒有那么強烈,不足以激發(fā)水銀槽和水銀面產(chǎn)生顯著的抖動。在觀測中,如果使用了地面振動數(shù)據(jù)校準星像質(zhì)心位置,有機會把地面振動的影響抑制在5×10-7m以下。由于初步的試驗是在試驗室環(huán)境下進行的,后期在室外使用真實星像開展的實現(xiàn)可能會有所不同,但是這里研發(fā)的校正方法仍然有效。

圖4 無水銀槽的得到星像中心位置變化(實驗時間是2013/12/3 14:55:16—14:56:16)Fig.4 Variations of the centroids without a mercury pool (Time:2013/12/3 14:55:16—14:56:16)

圖5 5 mm厚水銀槽反射的星像中心位置變化的頻譜特征Fig.5 Power spectra of the variation of stellar position in the case with a mercury pool of 5 mm depth

圖6 無水銀槽反射鏡得到的星像中心位置變化的頻譜特征Fig.6 Power spectra of ground vibrations for the period corresponding to the experiment with the mercury pool (upper)and that with a mirror instead of it(lower)

3 結(jié)束語

在搭載月球著陸探測奔赴月球之前,我們將使用研制的ILOM模型樣機在地球上開展觀測驗證試驗,用于檢驗整個ILOM PZT樣機的軟硬件系統(tǒng)。并且對試驗中地面抖動和溫度效應(yīng)導致的CCD星像位置變化的效應(yīng)進行測量模制。地面試驗預(yù)期達到的星像位置測量精度是0.1″。這個試驗的重要的科學目標是檢測由于火山活動或者地震活動導致的鉛垂線DOV變化。未來還將在試驗室模擬月球表面環(huán)境,進一步驗證1 mas測量精度的技術(shù)能力。

致謝

作者感謝中科院國家天文臺平勁松研究員及其團隊將本文由英文翻譯成中文。

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Hideo HANADA(1954—),男,副教授,博士生導師,主要研究方向:月球測量學,地球物理學。

通信地址:日本巖手縣奧州市國立天文臺

E-mail:Hideo.Hanada@nao.ac.jp

[責任編輯:宋宏]

Present Status of ILOM for Future Lunar Missions

H
ideo HANADA1,2,Seiitsu TSURUTA1,Kazuyoshi ASARI1,Hiroshi ARAKI1,2, Hirotomo NODA1,2,Shingo KASHIMA1,Ken-ichi FUNAZAKI3, Fuyuhiko KIKUCHI1,Koji MATSUMOTO1,2,Yusuke KONO2,4, Hiroo KUNIMORI5,Sho SASAKI6
(1.RISE Project,National Astronomical Observatory,Oshu,Japan;2.Department of Astronomical Science, The Graduate University for Advanced Studies(SOKENDAI),Mitaka,Japan;3.Faculty of Engineering, Iwate University,Morioka,Japan;4.Mizusawa VLBI Observatory,National Astronomical Observatory, Mitaka,Japan;5.Wireless Network Research Institute,National Institute of Information and Communications Technology,Koganei,Japan;6.Department of Earth and Space Science,Osaka University,Toyonaka,Japan)

We investigated basic characteristics of the telescope for In-situ Lunar Orientation Measurement (ILOM),such as the centroid accuracy and the effects of temperature change,tilt and ground vibrations,by laboratory experiments using a Bread Board Model and by simulations.We have a prospect to observe the lunar rotation on the lunar surface with the accuracy of 1 milliarcsecond.We will make test observations on the ground in order to evaluate overall characteristics with the target accuracy of better than 0.1 arcseconds.

Moon;ILOM;telescope;PZT;mercury pool

P1

:A

:2095-7777(2014)03-0200-05

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.006

2014-07-25

2014-08-05

先端技術(shù)中心項目(2013-031);JSPS科研補助金(A)(20244073);JSPS日本-俄羅斯雙邊合作項目(14037711-000085)