陳略，平勁松，張建輝，劉慶，岳世磊，陳永強(qiáng)，王際舟，李文瀟

（1. 北京航天飛行控制中心，北京 100094；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3. 西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043）

“卡西尼號(hào)”（Cassini）探測(cè)器于北京時(shí)間1997年10月15日發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)6年8個(gè)月漫長(zhǎng)太空旅行后進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道，開(kāi)展土星系統(tǒng)探測(cè)任務(wù)，并于2017年9月15日墜入土星大氣層，完成最后科學(xué)使命。20年間，Cassini任務(wù)取得了為數(shù)眾多的科學(xué)與技術(shù)成果和全新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在2017年9月15日Cassini探測(cè)器謝幕之旅中（圖1），北京航天飛行控制中心聯(lián)合西安衛(wèi)星測(cè)控中心佳木斯深空站、喀什深空站與南美深空站，對(duì)Cassini探測(cè)器墜毀飛行過(guò)程成功實(shí)施跟蹤測(cè)量試驗(yàn)。這天的試驗(yàn)也是我國(guó)深空測(cè)控系統(tǒng)與中國(guó)科學(xué)院行星無(wú)線電科學(xué)團(tuán)隊(duì)合作跟蹤觀測(cè)Cassini探測(cè)器開(kāi)展的為期半年的土星動(dòng)力學(xué)系列觀測(cè)試驗(yàn)的最后謝幕觀測(cè)試驗(yàn)。

圖1 北京時(shí)間9月15日16:30，Cassini探測(cè)器從距離地球15億km、距離土星185 903 km處進(jìn)入墜毀軌道，此刻相對(duì)土星的速度為16.002 km/s，高增益天線指向地球。Fig. 1 Cassini probe entries into Saturn crash orbit At 16:30 in Beijing Time.The distance between probe and Earth is 1.5 billion km，the distance between probe and Saturn is 185 903 km，and the velocity between probe and Saturn is 16.002 km/s. The high gain antenna on Cassini probe points toward the Earth.

Cassini墜毀試驗(yàn)前，聯(lián)合試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)計(jì)算了中國(guó)深空網(wǎng)各天線高精度跟蹤引導(dǎo)數(shù)據(jù)，依據(jù)Cassini探測(cè)器的設(shè)計(jì)參數(shù)和半年來(lái)的跟蹤資料信息，估計(jì)測(cè)量了載波頻率和多普勒、鏈路的無(wú)線電信號(hào)功率衰減信息，并結(jié)合美國(guó)發(fā)布的Cassini下行信號(hào)發(fā)射時(shí)刻信息，制定了本次試驗(yàn)的詳細(xì)計(jì)劃。9月13日，使用中國(guó)深空網(wǎng)的佳木斯、喀什深空站對(duì)環(huán)土軌道上的Cassini探測(cè)器的墜毀過(guò)程成功進(jìn)行了試跟蹤試驗(yàn)，開(kāi)展了演練，為9月15日的墜毀測(cè)量試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

9月15日，中國(guó)深空網(wǎng)正式對(duì)Cassini進(jìn)行了墜毀過(guò)程全程跟蹤測(cè)量。南美深空站于北京時(shí)間9月15日上午對(duì)處于環(huán)土軌道的Cassini進(jìn)行了跟蹤測(cè)量。Cassini墜毀飛行過(guò)程從16:30到19:55:30，恰逢在佳木斯、喀什深空站的可見(jiàn)弧段內(nèi)，兩站分別對(duì)Cassini墜毀全過(guò)程成功進(jìn)行了跟蹤測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與記錄。

使用為時(shí)1年的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)為本次試驗(yàn)開(kāi)發(fā)改良的高精度開(kāi)環(huán)測(cè)量處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，其結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，Cassini墜毀過(guò)程中的多普勒測(cè)量值極具變化，佳木斯深空站多普勒頻率由–549.718 kHz變化到–1 124.239 kHz，喀什深空站多普勒頻率由–533.965 kHz變化到–1 115.055 kHz，多普勒變化率也由最初始的–2 Hz/s變化至近–280 Hz/s。多普勒測(cè)量噪聲水平如圖3所示，1 s積分時(shí)間的多普勒測(cè)量噪聲水平約為30 mHz，對(duì)應(yīng)測(cè)速噪聲水平約為0.5 mm/s。

圖2 基于佳木斯/喀什深空站的Cassini墜毀過(guò)程多普勒測(cè)量結(jié)果Fig. 2 Doppler frequency in Cassini crash procedure based on Jiamusi and Kashi deep space station

圖3 Cassini墜毀過(guò)程多普勒測(cè)量擬合殘差圖Fig. 3 Fitting residual Doppler frequency in Cassini crash procedure

Cassini在墜毀飛行過(guò)程中相對(duì)于土星的速度由最初的16 km/s到墜毀時(shí)刻的34 km/s。北京時(shí)間19:55:30卡西尼下行主載波信號(hào)消失，與NASA理論預(yù)報(bào)的墜毀時(shí)刻相差僅幾秒，可見(jiàn)NASA對(duì)Cassini墜毀飛行過(guò)程掌握得異常精確。

本次中國(guó)深空網(wǎng)成功實(shí)施了Cassini墜毀土星測(cè)量試驗(yàn)，首次獲得了寶貴的地外深空探測(cè)器墜毀過(guò)程的跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)。由于Cassini墜毀飛行過(guò)程中穿越了土星最里層大氣，近距離的飛行測(cè)量數(shù)據(jù)也包含了土星重力場(chǎng)特征信息。此次Cassini墜毀土星以及半年多以來(lái)的無(wú)線電科學(xué)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將用于研究土星長(zhǎng)波重力場(chǎng)、土星環(huán)密度、土星大氣等特性。

此外，本次試驗(yàn)也是自2015年夏季成功實(shí)施了對(duì)“新視野號(hào)”（New horizons）飛掠冥王星科學(xué)觀測(cè)之后，我國(guó)深空網(wǎng)跟蹤測(cè)量遙遠(yuǎn)深空探測(cè)器的又一次成功的科學(xué)技術(shù)驗(yàn)證，為后續(xù)我國(guó)更遙遠(yuǎn)的自主深空探測(cè)任務(wù)實(shí)施，積累了有益的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。