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【科学时报】激光高度计绘制精度更高的月面图

□本报记者黄辛

10月6日上午10点30分,正值嫦娥二号卫星第一次近月制动并正式进入12小时环月轨道的关键时刻,中科院副院长江绵恒来到中国科学院上海天文台的嫦娥二号任务VLBI测轨分系统指挥中心,慰问了正在执行测轨任务的工作人员,并通过视频与北京密云测站、云南昆明测站、乌鲁木齐南山测站和上海佘山测站联线通话,对在节日期间仍坚守工作岗位的科技人员表示诚挚慰问、衷心感谢和崇高敬意,对嫦娥二号成功进入环月轨道表示祝贺。

“国家的探月工程使VLBI有了用武之地,并发挥了非常重要的作用。”江绵恒希望大家发扬载人航天精神和严慎细实的工作作风,认真做好后续各项工作,为我国的空间科学事业和知识创新工程作出新的更大的贡献。

据悉,该系统已成功为嫦娥二号提供了空间定位信息并给出了轨道测量结果。

激光高度计绘制精度更高的月面图

嫦娥二号搭载的由中科院上海技术物理所和上海光学精密机械研究所共同研制的新一代激光高度计,已随星飞往月球,将在进入月球轨道后,辅助CCD相机,开展月面形貌的科学探测,为后续月球探测器安全着陆区选择提供参考。

嫦娥一号卫星激光高度计是我国第一次自行研制的空间应用的激光主动遥感仪器。随嫦娥一号卫星在月球轨道工作的1年中,激光高度计首次有效获取了月球南北两极的高程数据,填补了该领域的世界空白。

嫦娥二号激光高度计主要用途是测量探月卫星到星下点月球表面的距离,为高分辨率CCD立体相机工作参数的调整提供卫星相对月表高度数据。该数据与卫星轨道参数结合可提供三维影像处理所需的高程参数。

科研人员为嫦娥二号研制的激光高度计具有更高本领。首先,它的“激光足印”更小,打到月面的光斑直径只有40米,而上一代激光高度计“足印”直径达120米。其次,高度计最高重复频率扩展至5赫兹,“激光足印”间距将变得更小,激光测距精度可达5米。据介绍,嫦娥一号的激光高度计每秒只能在月球表面打出一个点,而新高度计每秒可打出5个点,可为绘制精度更高的月面高程图提供更好的数据。此外,新激光高度计还具有更强的抗阳光干扰能力。

VLBI系统为奔月定轨提供测轨数据

奔月、绕月的半年过程中,嫦娥二号的位置信息至关重要。在地面上,我国采用S波段测距和测速系统与VLBI(甚长基线干涉测量技术,用以测量卫星的角度位置)相结合,精确、及时地为卫星定位。

从10月2日凌晨开始,位于我国上海佘山、北京密云、云南昆明、新疆乌鲁木齐的4台射电望远镜组成一张直径3000千米的大网,开始对奔向月球的嫦娥二号进行测控。

凌晨3点,中科院上海天文台的VLBI指挥中心便已就位,4点开始对系统进行校准观测。5点15分,佘山站、密云站先后成功捕获嫦娥二号卫星信号,5点35分昆明站成功捕获卫星信号,7点10分乌鲁木齐站成功捕获卫星信号。此后,卫星的角度定位数据就以5秒一次的频率,从VLBI中心送至北京飞控中心。

据VLBI测轨分系统总指挥、上海天文台台长洪晓瑜介绍,10月3日上午6点和9点,VLBI分系统已向北京飞控中心提供了两次卫星的控前预报轨道测量结果,为嫦娥二号的第一次轨道修正提供了决策信息,并提供控后轨道数据。下午4点,他们给出了当天的轨道测量结果,此后的1个月内,他们将每天在可观测卫星的弧段实时进行卫星的跟踪测量,为卫星进入长期运行作准备。

在112小时的奔月阶段,VLBI系统还将完成一项历时4小时的“较差差分单程测距技术”的试验任务,为嫦娥三号奔月时更高精度的测轨作准备。VLBI测轨分系统总设计师张秀忠告诉记者,从今年4月起,整个系统已进行了不下百次的演练,以确保系统可靠,“若用这套系统定位月球上的一个点,误差范围不会超过一个篮球场”。

与执行嫦娥一号任务时相比,现在的VLBI测轨系统更加稳定,精度更高。尽管这次任务仍然是要求在收到数据10分钟内提供卫星定位信息,但到嫦娥三号时可能提升到1分钟。“这次我们将尽量尝试做到最快。”张秀忠说。

当嫦娥二号绕月飞行后,VLBI的测控工作将进入“月出而作,月落而息”的状态。当卫星进入100公里×15公里轨道时,该系统将迎来下一个挑战,因为此时对测轨的精度要求将更高。

“牛顿”“挺举”,“直航”月球

嫦娥二号如何飞得稳、飞得准?由上海空间推进研究所研制的490牛顿发动机将一直“挺举”2吨多重的嫦娥二号卫星“直航”月球。“490牛”仅4.3公斤重,一只手就能把它提起来。

据490牛顿发动机副主任设计师刘昌国介绍,就是它背负着在太空中多次成功点火把嫦娥二号送进预定轨道的重任。当卫星和火箭最终分离后,嫦娥二号的动力主要依靠490牛顿发动机提供。

航天飞行,动力先行。继前年力推嫦娥一号成功绕月后,沪产“490牛”这次又为嫦娥二号保驾护航。在嫦娥二号奔月和绕月的飞行全程中,卫星自身携带的推进剂大部分将被发动机“吃”掉,以满足动力供给和姿态调整之用。“490牛”的多次点火都只能成功不能失败,否则会使嫦娥二号偏离预定轨道。

最关键的是,在第三飞行段进入距离月面100公里的近月制动月球轨道临界点。为了控制“一往无前”的惯性,嫦娥二号必须进行“转身”和多次“刹车”,这些动作正是靠490牛顿发动机产生的反作用力。由于月球引力只有地球的1/6,所以要让月球引力捕获卫星具有相当的难度。如果这次点火不成功,嫦娥二号可能会错过进入环月轨道的最好时机,与月球擦肩而过;或者是控制不好飞行速度,撞上月球。

相比嫦娥一号的曲线绕月,嫦娥二号的“直航”奔月路程更短,从上次的14天缩短到了5天左右;相比嫦娥一号距离月球的200公里环月轨道,100公里的环月轨道也让嫦娥二号和月亮更近了。上海空间推进研究所专家韩宏印透露,“490牛”这次非但没有“减压”,反而任务更重,它在嫦娥二号任务中还有一个之前没做过的新动作,就是要熄火,并在半年后再点火“重启”。更近月的空间新环境,也会对“490牛”这个老牌“常胜将军”发起新挑战。

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