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中国科学家重建“嫦娥四号”落月轨迹,精确定位着陆位置

更新时间:2019-11-21 18:14:35  点击数:1004

北京时间9月24日23时,国际顶级学术期刊《自然》的副刊《自然通讯》刊登了中国科学家的一篇在线文章:嫦娥四号在月球远侧的轨迹构造和着陆点定位描述。由中国科学院国家天文台副台长、月球与深空探测研究部主任李春来领导的嫦娥四号研究小组,准确定位了嫦娥四号的着陆位置,重建了嫦娥四号的登月过程。

这项研究工作“为嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车的科学探索提供了背景信息和位置参考”。论文第一作者、中国科学院国家天文台研究员刘建军告诉澎湃新闻记者,“嫦娥四号”着陆器作为月球表面的永久标志,可以作为月球背面的控制点,并将成为研究月球背面控制点和高精度月球测绘的基础。“它还将为中国未来的深空探测任务(如小行星附着和火星软着陆)提供技术支持。

2019年1月3日,中国的“嫦娥四号”月球探测器在冯·克伦陨石坑着陆,成为人类历史上第一个登上月球背面的无人探测器。

9月23日晚,嫦娥4号着陆器和玉兔2号月球车在月夜安全通过极低温度环境14天后,成功独立“醒来”,并进入第十个月的白天工作。截至9月的白天,月球车玉兔2号已经行驶了284.661米。研究人员继续根据获得的工程和科学数据开展相关研究。

行星探索的焦点之一:重建动态下降轨道。

文中提到,“嫦娥四号”自2018年12月8日发射以来,已经完成了几个阶段,包括从地球接近月球、绕月飞行和动力着陆。其中,动力下降阶段是软着陆和安全登月的重要阶段,是在完全自主控制下实现的。

根据轨道设计,“嫦娥四号”动力下降段采用7500n可变推力发动机减速,包括主刹车、姿态调整、垂直下降、悬停、避障、缓慢下降等阶段。

早些时候,1月3日10时15分,嫦娥4号探测器开始在离月球表面15公里处降低功率。7500n可变推力发动机被打开,探测器的速度从相对月球的每秒1.7公里逐渐降低到零。在6-8公里处,探测器进行了快速姿态调整,并不断接近月球。悬停在距离月球表面100米的地方,识别障碍物和斜坡,并自主避开障碍物;选择相对平坦的区域后,开始缓慢垂直下降。大约690秒后,嫦娥四号探测器自主降落在月球背面最大、最深、最古老的南极艾特肯盆地的冯卡门撞击坑中。

刘建军说,“月球软着陆的动态下降阶段是一个持续时间短、速度变化快的复杂过程。地面上很难实时控制。通常,只有探头携带的传感器才能用于自主测量和控制。”

研究小组提到,为了掌握探测器自主控制的效果,建立任务规划和科学探测的位置基准,重建探测器动力下降段的轨迹,准确确定着陆点位置,具有重要的工程和科学意义,一直是行星探测的重点之一。

一般来说,行星表面软着陆轨迹和着陆点位置的重建通常采用无线电测量、遥测数据分析等方法。

然而,这些方法不适用于本研究。刘建军解释说,对于嫦娥4号着陆器,由于月球背面软着陆,地面设备由于月球遮挡的影响,无法跟踪和实现对月球背面软着陆探测器的直接无线电测量。同时,由于喜鹊桥中继星和着陆器上没有配置无线电测量设备,因此无法进行间接测量。另一方面,中继卫星返回的探头高度、加速度和姿态遥测数据非常有限。

因此,很难准确地重建嫦娥四号探测器的下降轨迹和着陆点。

自主导航着陆过程的精细重构

文章指出,基于着陆相机图像的定位技术可以有效解决这些问题,不受月球重力场和动力学模型等因素的影响。刘建军说,“这是重建月球背面软着陆轨迹、准确定位着陆点的有效方法。”

研究小组利用喜鹊桥安全着陆后传输的高频着陆序列图像重建下降轨迹,定位嫦娥4号的着陆点,完整记录了动力下降的全过程。

嫦娥四号从6000米的高度下降到月球表面。研究小组采用“嫦娥二号TMAP 2015”数字正射影像图和数字高程模型作为地理参考数据。嫦娥四号着陆相机序列图像用于重建嫦娥四号的动态下降轨迹。

嫦娥四号的着陆点。随后,研究小组利用由两台摄像机组成的导航摄像机(ncam)采集的双目立体图像,准确计算出嫦娥4号的着陆点为东经177.5991,南纬45.4446,海拔-5935米。着陆点位于退化撞击坑的缓坡上,靠近北面直径25米的撞击坑边缘,着陆点周围有五个撞击坑。

对于这项最新研究,刘建军认为,研究的亮点在于“利用中国自主获取的多源图像数据(包括嫦娥二号月球轨道遥感图像、嫦娥四号着陆相机图像和月球车导航相机图像)解决了不同分辨率和非成像方法的多源图像的联合处理和定位问题”。

此外,该研究精细地重构了嫦娥四号在月球背面自主导航和着陆过程,如粗避障和精避障,并再现了着陆器在每秒下降过程中的位置和姿态。同时实现了探测器的精确定位,相对位置精度达到m级。

累计发布科学勘探数据99.9gb。

2018年5月,中国发射了喜鹊桥中继卫星,这是一颗为嫦娥四号服务的地月通信卫星,为随后的月球背面探测和样品返回铺平了道路。2019年1月3日,“嫦娥4号”在南极艾特肯盆地着陆,成为人类历史上第一个登上月球背面的无人探测器。

嫦娥四号任务首次在月球背面实现软着陆。任务探测器由中继星、着陆器和探测车组成。在两个航天器和一颗卫星上部署了六个国内研发科学有效载荷和三个国际合作科学有效载荷,以开展侧重于低频射电天文学观测、巡逻区域形态、矿物成分和浅层结构的科学探索。

除了这一已发表的学术成果,嫦娥四号研究小组还于5月16日在《自然》杂志上发表了一项研究成果。科学家从可见-近红外成像光谱仪(vins)光谱的初步观察结果推断,月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能来源于月球地幔。这也是月球背面地幔物质的第一个初步证据。

刘建军告诉澎湃新闻记者,“嫦娥4号”登陆器和“玉兔2号”月球车已经完成了当天第九个月的科学探测工作,探测器于9月23日进入当天第十个月。

到目前为止,“嫦娥四号”项目地面应用系统已经向科研核心团队发布了八批科学探测数据,总数据量为99.9gb

刘建军表示,“未来将对着陆区进行进一步的光谱和雷达探测,以进一步研究该地区月球表面的物质组成和浅层结构;积累月球背面低频无线电、月球表面中子和辐射剂量以及月球表面中性原子的测量数据,开展月球科学研究”。

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