中國科學家重建“嫦娥四號”落月軌跡,精確定位著陸位置

北京時間9月24日23時,國際頂級學術期刊《自然》(Nature)子刊《自然-通訊》(Nature Communications )在線發表了一篇來自中國科學家的成果:Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside。中國科學院國家天文臺副臺長、月球與深空探測研究部主任李春來領導的“嫦娥四號”研究團隊,精確定位了“嫦娥四號”的著陸位置,并對“嫦娥四號”的落月過程進行了重建。
這一研究工作“為‘嫦娥四號’著陸器和‘玉兔二號’月球車開展科學探測提供了背景信息和位置基準”。論文第一作者、中國科學院國家天文臺研究員劉建軍對澎湃新聞記者(www.thepaper.cn)表示,“嫦娥四號”著陸器作為月面永久性標志,其位置的精確定位,可以作為月球背面的控制點,將是月球背面控制點研究、高精度月球測繪的基礎。“也將為我國未來深空探測任務(例如小行星附著、火星軟著陸)提供技術支持”。

2019年1月3日,中國的“嫦娥四號”月球探測器在馮•卡門隕石坑(Von Kármán crater)著陸,成為人類歷史上首個著陸于月球背面的無人探測器。
9月23日晚間,“嫦娥四號”著陸器和“玉兔二號”月球車安全度過長達14天的月夜極低溫環境后,分別受光照成功自主“喚醒”,進入第十個月晝工作期。截至第九月晝期,“玉兔二號”月球車共行走284.661米。科研人員則根據獲得的工程和科學數據持續開展著相關研究工作。
行星探測中關注的焦點之一:重建動力下降軌跡
論文中提到,自2018年12月8日發射以來,“嫦娥四號”先后完成了從地球接近月球、繞月球軌道運行和動力降落等多個階段。其中,動力下降階段是軟著陸、實現安全落月的重要階段,是在完全自主控制下實現的。
根據軌道設計,“嫦娥四號”動力下降段減速采用7500N變推力發動機,該階段包括主制動、姿態調整、垂直下降、懸停、避障、慢下降等階段。
此前的1月3日10時15分,“嫦娥四號”探測器從距離月面15公里處開始實施動力下降,7500N變推力發動機開機,逐步將探測器的速度從相對月球1.7公里每秒降到零。在6-8公里處,探測器進行快速姿態調整,不斷接近月球;在距月面100米處開始懸停,對障礙物和坡度進行識別,并自主避障;選定相對平坦的區域后,開始緩速垂直下降。約690秒后,“嫦娥四號”探測器自主著陸在月球背面最大、最深、最古老的南極-艾特肯盆地(South Pole-Aitken)內的馮·卡門撞擊坑內。
劉建軍表示,“月面軟著陸動力下降段是一個復雜的過程,歷時短,速度變化快,難以通過地面實時控制,通常只能利用探測器自身攜帶的敏感器進行自主測量和控制。”
研究團隊提到,為了掌握探測器自主控制的效果,建立任務規劃和科學探測的位置基準,重建探測器動力下降段軌跡和精確確定著陸點位置具有重要的工程和科學意義,一直是行星探測中關注的焦點之一。
一般而言,行星表面軟著陸軌跡重構和著陸點位置定位,通常采用無線電測量、遙測數據分析等方法。
然而,這些方法對此次的研究并不適用。劉建軍解釋,對于“嫦娥四號”著陸器,由于是在月球背面進行軟著陸,受月球遮擋的影響,地面設備無法進行跟蹤實現對月球背面軟著陸探測器的直接無線電測量;同時,由于“鵲橋”中繼星和著陸器上未配置無線電測量設備,也無法進行間接測量。另一方面,利用中繼星回傳的探測器高度、加速度和姿態等的遙測數據又非常有限。
因此,精確重構“嫦娥四號”探測器下降軌跡和著陸點精確定位變得非常困難。
精細重構自主導航降落過程
論文中提到,上述這些問題可以通過基于著陸相機影像的定位技術得到有效解決,這將不受月球重力場、動力學模型等因素的影響。劉建軍稱,“這是解決月球背面軟著陸軌跡重構和著陸點精確定位的一種有效途徑。”
研究團隊利用“鵲橋”安全著陸后傳輸的高頻著陸序列圖像,對“嫦娥四號”進行下降軌跡重建和著陸點定位,完整記錄了動力下降的全過程。

“嫦娥四號”從6000米高度到月面的下降軌跡。
研究團隊采用“嫦娥二號”(CE2TMAP2015)的數字正射影像圖(DOM)和數字高程模型(DEM)作為地理參考數據。采用“嫦娥四號”著陸相機(LCAM)序列圖像,重建“嫦娥四號”動力下降軌跡。

“嫦娥四號”著陸點。
隨后,研究團隊利用由兩臺攝像機組成的導航攝像機(NCAM)獲取的雙目立體圖像,精確計算出“嫦娥四號”的著陸點為東經177.5991°,南緯45.4446°,高程-5935米。該著陸點位于一個退化撞擊坑的緩坡上,距離北邊一個直徑25米的撞擊坑邊緣很近,且著陸點周圍共有五個撞擊坑。


對于這項最新的研究,劉建軍認為研究亮點在于,“利用中國自主獲取的多源影像數據(包括‘嫦娥二號’月球軌道的遙感影像、‘嫦娥四號’降落相機影像和月球車導航相機影像)開展的研究,解決了不同分辨率、不成像方式多源影像的聯合處理和定位問題”。
此外,該研究精細重構了“嫦娥四號”在月球背面粗避障、精避障等自主導航降落過程,再現了著陸器下降過程每秒的位置和姿態。同時,實現了探測器的精準定位,相對位置精度達到m級水平。
先后發布共計99.9GB科學探測數據
2018年5月,中國發射了“鵲橋”中繼衛星,該衛星是一顆服務“嫦娥四號”的地月間通信衛星,為隨后的月球背面探測和采樣返回鋪平道路。2019年1月3日,“嫦娥四號”在南極-艾特肯盆地著陸,成為人類歷史上首個著陸于月球背面的無人探測器。
“嫦娥四號”任務首次實現了人類在月球背面軟著陸,任務探測器由中繼星、著陸器和巡視器組成。兩器一星上共配置了6臺國內研制科學載荷和3臺國際合作科學載荷,開展以低頻射電天文觀測、巡視區形貌、礦物組份及淺層結構為主的科學探測。
除此番公開發表的學術成果外,此前的5月16日,“嫦娥四號”研究團隊已在《自然》發表了一篇研究成果,科學家利用可視-近紅外成像光譜儀(VINS)的光譜初始觀測結果推斷出,月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源于月球地幔。這也是人類首份月球背面幔源物質初步證據。
劉建軍向澎湃新聞記者介紹,“嫦娥四號”著陸器和“玉兔二號”巡視器已完成第九月晝科學探測工作,9月23日探測器進入第十個月晝工作期。
截至目前,“嫦娥四號”工程地面應用系統已向科學研究核心團隊先后發布了八批科學探測數據,數據量共計99.9GB。
劉建軍表示,“后續將進一步開展著陸區光譜和雷達探測,深入研究該區域的物質成分和月表淺層結構;積累月球背面低頻射電、月表中子及輻射劑量和月表中性原子等測量數據,開展月球科學研究”。

來源:澎湃新聞|賀梨萍

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