嫦娥五号和VLBI测轨分系统

文/吴晓静 左文文

嫦娥五号任务取得圆满成功,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成,为我国探月工程“绕、落、回”三步走规划画上了句号。中国科学院上海天文台牵头的中国甚长基线干涉测量(VLBI)网与现有航天测控网,共同完成了嫦娥五号探测器各飞行段的测定轨及定位任务。
嫦娥五号的11个飞行阶段
嫦娥五号探测器于2020年11月24日在中国文昌航天发射场发射升空,经过23天飞行,相继完成了包括着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接与样品转移等11个飞行阶段。2020年12月17日1时59分,嫦娥五号返回器携带月球样品,在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。
从发射入轨到返回器再入回收,嫦娥五号共经历了11个飞行阶段。
1. 发射入轨:嫦娥五号搭乘长征五号运载火箭发射升空,进入地月转移轨道。
2. 地月转移:嫦娥五号完成器箭分离,逐步进入预定环月飞行轨道。
3. 近月制动:嫦娥五号继续在环月飞行轨道行进,并在近月点进行2次减速制动,以合适的运动速度进入环月圆轨道。
4. 环月飞行:嫦娥五号在环月飞行轨道上行进到动力下降初始点,并完成轨道返回组合体和着陆上升组合体的分离,着陆上升组合体分离后进行2次降轨、变轨,轨道返回组合体继续环月飞行,等待上升器的到来。
5. 着陆下降:嫦娥五号着陆上升组合体从下降初始点开始,经过主减速段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段和自由下落段等多个阶段,寻找合适的月面完成了软着陆。
6. 月面工作:嫦娥五号着陆上升组合体通过载荷设备完成月面科学探测,通过采样封装设备完成月壤的钻取、表取以及封装。
7. 月面上升:上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入3个阶段,进入相应的环月飞行轨道。
8. 交会对接与样品转移:上升器进入环月飞行轨道,上升器与轨道返回组合体逐步完成交会对接,上升器中存放的月球样品通过轨道器转移到返回器中。
9. 环月等待:嫦娥五号轨道返回组合体从对接舱分离并进入月地入射点,等待月地入射窗口的到来。
10. 月地转移:嫦娥五号轨道返回组合体经历多次中途修正之后,在距离地球表面5 000千米高度处,实现轨道器和返回器的分离。
11. 再入回收:嫦娥五号返回器与轨道器分离后,轨道器进行规避机动,返回器经历惯性滑行、地球大气再入、回收着陆3个阶段完成最后的降落。

嫦娥五号的5项“中国首次”
嫦娥五号任务创造了5项“中国首次”:一是在地外天体上的采样与封装;二是地外天体上的点火起飞、精准入轨;三是月球轨道无人交会对接和样品转移;四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回;五是建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。
嫦娥五号任务的成功实施,标志着我国具备了地月往返能力,实现了“绕、落、回”三步走规划完美收官,为我国未来月球与行星探测奠定了坚实基础。

中国VLBI网
在嫦娥五号任务周期内,有20余次轨道控制和数次分离,包括动力下降、月面采样、月面起飞、交会对接、月地返回等高风险动作,测控事件频繁,是我国目前最为复杂的航天任务,极具挑战性、创新性和带动性。
作为探月工程嫦娥五号测控与回收系统的重要组成部分,上海天文台牵头的中国VLBI网与现有航天测控网,共同完成了嫦娥五号探测器各飞行段的测定轨及定位任务,完美助力了嫦娥五号任务的顺利完成。
嫦娥五号探测器的跟踪和测定轨,目前主要采用基于地面无线电测量的测距、测速和VLBI测角3种手段。VLBI对探测器在垂直于视线方向上的位置变化有很高的灵敏度,与视线方向具有高灵敏度的测距、测速形成互补,在月球与深空探测器快速、高精度定轨和定位方面,有着不可或缺的重要作用。
我国的VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心(VLBI中心)组成,其测量分辨率等效于口径3 000多千米的超级望远镜,测角精度可以达到百分之几角秒,甚至更高。
中国VLBI网各个观测单元采用独立本振技术,多台望远镜及VLBI中心联合工作,可以达到一台直径更大的综合孔径望远镜的观测效果。VLBI网的观测分辨率与两个天线之间的基线长度和观测的频率成正比,即基线越长,观测频率越高,分辨本领就越高。考虑到地球自转的因素,电磁波的波前到达两个天线的几何程差是不断改变的。几何程差除以光速就是时间延迟差,即时延,时延能够提供有关基线(长度和方向)和目标方位(赤经和赤纬)的信息。

历次探月工程中的VLBI测轨分系统
在嫦娥五号任务之前,VLBI测轨分系统圆满完成了历次探月工程(嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥四号)的VLBI测定轨任务。上海天文台发挥在VLBI领域长期积累的技术优势,创造性地将实时VLBI技术用于月球探测器实时高精度测定轨,解决了我国月球距离测控瓶颈,使我国航天测控网从传统测距、测速技术拓展为“测距、测速+VLBI高精度测角”系统。
为了提高VLBI时延测量精度,在嫦娥三号任务中,VLBI团队采用了差分单程定位技术进行月球探测器的测定轨、定位。测距、测速技术的目的是测量目标的视向距离和速度,而差分单程定位技术则是测量目标的横向位置。VLBI测轨分系统利用差分单程定位技术,在采样时间间隔为5秒的情况下,将VLBI时延测量误差降至1纳秒以下。结合测速和测距数据,该技术使着陆器月面测定位和环月段的测定轨误差达到50米,地月转移段和近月制动段的测定轨误差达到100米。
在嫦娥四号任务中,VLBI测轨分系统在国际上首次采用S波段差分单程定位技术进行测量;首次承担地月L2点晕轨道(halo orbit)的测定轨任务;首次在实时任务中进行同一天内探测器和中继星的分时观测,并在30分钟内成功切换;成功对中继星天线指向进行了在轨标定,出色完成了对探测器和中继星的干涉测量任务。
嫦娥五号任务中的VLBI测轨分系统
在嫦娥五号任务中,VLBI测轨分系统主要发挥了高精度实时测量的特点,用于关键段的短弧定轨、定位或预报。在嫦娥五号的地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、动力上升、交会对接、环月等待和月地转移等9个飞行段,VLBI测轨分系统参与了对探测器的相对差分单程定位测量及轨道确定和预报;确定了月面着陆点及月面起飞点的精确坐标,完成了轨道器与上升器交会对接远程导引、月地转移段的轨道器与返回器分离点预报,以及上升器受控撞月及撞击点坐标与时刻测量等任务。
在嫦娥五号任务执行过程中,VLBI测量精度优于0.3纳秒,较嫦娥三号和嫦娥四号实时任务精度有了进一步提高。
VLBI测轨分系统的这些工作对嫦娥五号首次实现我国月球表面采样、月面起飞、月球轨道无人交会对接等高难度任务及月球采样返回工程目标提供了有力支持,为嫦娥五号任务的顺利实施和圆满完成做出了突出贡献。
在嫦娥五号任务期间,VLBI测轨分系统还兼顾了对嫦娥四号中继星和天问一号火星探测器的精密测量,在我国首次实现了对多个任务、多个目标的VLBI测定轨服务,在月球与行星探测器的干涉测量技术方面达到了新的高度。
值得一提的是,自嫦娥五号发射的20多天内,VLBI测轨分系统团队主要的工作时段都在半夜,过着“月亮”时间。他们同时还要跟踪正在飞向火星的天问一号,工作强度很大。据团队中的某位成员介绍,有一个阶段的任务时间都是从下午6点到第二天中午11点,团队成员必须日夜颠倒,全神贯注,务必保证各个环节不出问题。

自主研发系统助力嫦娥五号任务
在嫦娥五号发射前,VLBI测轨分系统针对探月工程三期着陆器上升器组合体软着陆实时测量、上升器月面起飞点坐标高精度测量、上升器上升轨迹及初轨快速测量及判定、交会对接与样品转移段动态双目标同波束测量、月地转移段轨返组合体测量及轨返分离点预报等高难度任务要求,开展了关键技术攻关和任务能力建设,实现了三个第一。
1. 建立了第一个实时X频段动态双目标月球探测器VLBI测定轨系统,具备了多目标VLBI观测任务规划、动态双目标多信标综合实时条纹搜索与模型重构、多目标干涉信号相关处理及后处理、误差校正、定轨、测角及月面定位等能力。
2. 研制了我国第一套深空探测器专用VLBI一体化终端,具备了16通道数据实时采集、记录、传输一体化和多比特量化功能,完全替代了国外产品。
3. 第一次建立了动态双目标VLBI信号仿真平台,用于任务前VLBI系统动态双目标测量能力检验。
在嫦娥五号测定轨任务执行过程中,VLBI测轨分系统更是实现了多个首次。
1. VLBI分系统通过提高谱分辨率,精准检测差分单程定位侧音,利用多探测器信标融合实现VLBI高精度测量,解决干扰问题,提高试验测量精度和测定轨精度。
2. 首次完成上升器月面起飞坐标高精度确定、上升器起飞轨迹测量及初轨快速确定。
3. 首次采用同波束VLBI完成轨道器和上升器实时动态测量、月球轨道交会对接远程导引及交会对接过程的实施监测。
4. 首次完成上升器受控撞月飞行轨迹、撞击点坐标及时刻的快速高精度确定等重大技术突破。
5. 首次采用VLBI数据完成地月转移、环月等待、动力下降、月面起飞、交会对接、月地返回全过程实时测定轨,以及对轨道器和返回舱的再入点预报。
6. 采用多探测器信标融合VLBI测量技术,大幅提高VLBI测轨分系统抗干扰能力。
7. 首次实现了对月球与行星探测多个任务、多个目标的VLBI测定轨服务。
此次嫦娥五号任务包含了环绕、降落和采样返回3种深空探测过程中最重要的关键技术。高精度实时VLBI在其中发挥了极为重要的作用,为后续相关技术的发展奠定了重要的基础。
未来,月球及深空探测任务将朝着多任务、多目标方向发展,空间VLBI的试验也在紧锣密鼓的筹备中。我国后续还将开展载人登月。VLBI测轨分系统将不断进行技术创新,发挥更大的作用。
(本文作者吴晓静为中国科学院上海天文台高级工程师,左文文为中国科学院上海天文台副研究员。)
嫦娥探测器家族

在嫦娥五号成功发射之前,中国探月工程已经成功发射了4颗月球探测器,分别是嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥四号。
2007年10月24日,嫦娥一号在中国文昌航天发射场发射升空。它是中国自主研制并发射的首个月球探测器。嫦娥一号卫星首次绕月探测的成功,使中国成为世界上为数不多具有深空探测能力的国家。
2010年10月1日,嫦娥二号在中国文昌航天发射场发射升空。嫦娥二号为中国探月工程二期工作进行了多项技术验证,完成预定任务后继续探索宇宙,创造了中国航天器最远飞行纪录。
2013年12月2日,嫦娥三号在中国文昌航天发射场发射升空。嫦娥三号由着陆器和巡视器(玉兔号月球车)组成,首次实现了中国地外天体软着陆和巡视探测。
2018年12月8日,嫦娥四号在中国文昌航天发射场发射升空。它是人类第一个着陆月球背面的探测器,实现了首次月球背面软着陆和巡视勘察。
月壤有什么用
这次嫦娥五号共采集了1 731克月球样品,那么,嫦娥五号千辛万苦从月球采集的月壤究竟有什么用呢?
月球是距离我们最近的星球,那么月球是如何形成的?长期以来,科学家一直在寻求这个问题的答案。
天文学家提出过许多有关月球起源的理论。有的理论认为是早期地球自转速度过快,导致一部分物质被甩出去形成了月球;还有的理论认为月球是被地球引力俘获的流浪星球。1946年,加拿大地质学家雷吉纳德·安德沃斯·戴利提出了撞击起源说,被学界广泛接受。该理论认为,地球在早期曾经遭受一颗原始行星体撞击,撞击产生的大量碎屑进入太空,最终聚集形成了月球。
对月壤的成分进行分析,比较月壤和土壤的异同,可以帮助我们了解月球的地质历史。进行这些研究的意义并不局限于月球,因为整个太阳系都是相互联系的,太阳系的形成过程与宇宙中其他行星系的形成大体上是相同的。因此,随着对月球认识逐渐深入,其相关知识也适用于其他更遥远的系外行星。例如,帮助我们判断哪些系外行星更适宜生命生存等。

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