探测成果
嫦娥二号
1.概况介绍

        2010年10月1日18时59分57秒,探月工程二期的技术先导星——“嫦娥二号”卫星在西昌卫星发射中心成功发射。卫星直接进入奔月轨道,经过一次轨道中途修正与三次近月制动后,于10月9日顺利进入轨道高度为100千米、周期约118分钟的极轨圆形环月工作轨道。经过了十天的星地数传链路和卫星载荷在轨测试工作,10月24日00时54分18秒“嫦娥二号”卫星搭载的两线阵CCD立体相机开机工作获取图像。11月8日,国务院总理温家宝为“嫦娥二号虹湾局部影像图”揭幕,标志着“嫦娥二号”工程任务取得圆满成功。

        2011年6月9日,嫦娥二号完成预定各项探测任务后,飞离月球轨道,开展了日地拉格朗日L2点探测和图塔蒂斯小行星飞越探测等多项拓展试验,成为了绕太阳飞行的人造小行星,目前距地球超过9000万公里。预计2029年将再次飞回地球附近700万公里处。

 

嫦娥二号任务轨道

 

2.主要任务

        嫦娥二号兼顾了技术验证和科学探测。围绕技术验证的任务需求,确定了多个试验验证和深空探测新技术验证项目。

        1.工程目标

① 突破运载火箭直接将卫星发射至LTO的发射技术;

② 验证100km月球轨道捕获技术;

③ 验证100km×15km 轨道机动与快速测定轨技术;

④ 对“嫦娥3号”任务预选着陆区——虹湾地区进行高分辨率成像试验;

⑤ 试验X频段深空测控技术,验证深空测控体制;

⑥ 试验12Mbps高速数据传输和低密度奇偶校验码(LDPC)遥测信道编码、轻小型CMSO监视和降落相机等高新技术。

  2.科学目标

① 获取月球表面三维影像,分辨率优于10m;

② 探测月球物质成分;

③ 探测月壤特性;

④ 探测地月与近月空间 环境。

3.取得成果

        1、月球虹湾地区影像图

                                                                    

                                                                                                                         嫦娥二号虹湾局部影像图 

        截止至2010年12月31日,地面应用系统共执行了198次数传接收任务,获取其上搭载的7台科学有效载荷原始数据约1.5TB,生成的0、1、2、3级数据产品约10TB。2010年10月2日至12月31日,地面应用系统根据各载荷研制单位申请以及探月与航天工程中心批复向14家单位提供了原始数据和工程数据共计407.7GB。
        嫦娥二号CCD立体相机完成了第一个覆盖周期的拍图和六个缝区的补拍工作,获得的影像数据实现了月面99.9%的覆盖,地面应用系统利用CCD立体相机在100km轨道上获取的虹湾影像数据,制作完成了7米分辨率的“月球虹湾地区影像图”。

                               
                

                                                                                                                        月球虹湾地区影像图

        2、全月球7米分辨率影像图

        嫦娥二号全月球7米分辨率影像图是由嫦娥二号探测器的CCD立体相机拍摄的384轨影像数据,经辐射校正、几何校正和光度校正后向前制作而成,分辨率为7m。影像数据获取于2010年11月1日至2011年5月20曰,覆盖全月球。图幅左侧为月球正面图像,右侧为背面图像,均采用正射投影。按300dpi出图质量。7m分辨率全月球影像图的比例尺可以达到1:82677,图幅高约45米,宽约90米。本图系1:267比例缩编后的影像图,其投影中心比例约1:2200万,图幅高16.6cm,宽33.2cm。

                                   

                                                                                                编号: CE-2 TOT-300 探月工程地面应用系统
                                                                                               日期:2011年11月11日 中国科学院国家天文台

        3、监视/降落相机拍摄的图片

                 

                  

       4、太阳风粒子探测器的发型——“微磁层”

        月球虽然没有全局的内秉磁场,但是从Apollo时代开始,人们便认识到月球上的局部区域拥有异常的磁结构, 磁场强度比正常月球空间环境中的磁场(即太阳风磁场)大至少1个数量级。这种磁异常结构能否与太阳风等离 子体发生相互作用而产生“微磁层”结构,一直是科学家关注的一个问题。从实际意义上说,这种“微磁层”的存在可以有效的屏蔽太阳风高能粒子流,从而对未来月球车或久性月球基地的建设提供可靠的选址依据。
通过嫦娥二号携带的太阳风离子探测器的测量、以及对得到的数据进行分析研究,发现当嫦娥卫星逐步接近月球表面的一个著名的磁异常区“Serenitatis Antipode”的时候,质子的密度和体速度均降低,而质子温厦显著 升高,这些趋势都完美的符合理论上对太阳风和“微磁层”相互作用所期待产生的效应,结果很好的验证了月球表面磁异常结构附近可能存在“微磁层”,其结果要远比以往美国LP探测器所获得的太阳风电子数据和印度Chandrayaan-1探测器所获得的氢原子数据的结果更明显,更有说服力。

                                

        上图显示了从嫦娥二号卫星3个连续轨道的SWID观测所获得的质子密度,体速度,及温度随月球纬度的变化趋势。图中的虚线给出了相应的月表磁异常结构所覆盖的范围,而阴影区展示了每个轨道中密度、体速度和温度发生明显变化的区域,这些区域和磁异常结构的位置和尺度很好的符合,表明了太阳风质子流的物理性质在磁异常结构的作用下发生了显著变化。

        5、飞越“图塔蒂斯”小行星,实现700万公里数据接收

        2012年6月1日,“嫦娥二号”受控成功变轨,脱离了L2点环绕轨道,飞往以凯尔特神话中的战神“图塔蒂斯”(Toutatis)命名的4179号小行星,开展又一项拓展试验。在“嫦娥二号”奔向小行星的路途中,还进行了空间环境方面的科学探测。整个再拓展期间,有效载荷累计开机探测时间超过了615小时,地面接收到的有效探测数据量达到了32G比特。
        2012年12月13日16时30分,在距离地球约700万千米的深空,我国的“嫦娥二号”卫星成功飞越探测了“图塔蒂斯”小行星。整个飞越拍摄过程历时25分钟,国家天文台密云站的50米口径天线完成了此次探测活动数据接收工作。
此次“图塔蒂斯”小行星的探测数据接收与以往“嫦娥二号”数据接收不同。一是距离远,“嫦娥二号”以往的数据接收最远也就150万千米,而此次数据接收,卫星与地球之间的空间距离超过了700万千米,并且采用了新的下行码速率下传;二是任务重,“嫦娥二号”飞越小行星探测是我国第一次进行的对小行星的空间探测活动,其数据的重要性可想而知,所以必须确保数据能够完整无误地安全接收。
        为了确保数据接收工作,地面应用系统早在半年前就进行了地面接收设备的检验工作。根据理论计算和实际数据接收情况,地面应用系统对星—地距离在700万千米以上时的信道余量进行了分析,并于小行星飞越探测任务前的半个月就进行了星—地链路的实测试验,确保了地面数据接收和处理设备的任务状态可靠。
        “嫦娥二号”按照预定计划与小行星“图塔蒂斯”由远及近地擦身而过。位于密云的50米天线完成了数据接收准备,并实时跟踪了“嫦娥二号”下行信号。在交会时,“嫦娥二号”星载相机对小行星进行了光学成像。成像结束后,立即进行了图像数据传输。成像数据是分段进行下传的,每段数据传输结束后,地面就会立即进行数据处理。从12月13日17时34分地面接收到了第一帧探测数据开始,至当日23时35分,共接收到了262M比特的探测数据,这些数据是飞越小行星探测时最关键的50秒过程中拍摄到的图像,也就是从交会时刻开始后的50秒数据。当日完成数据接收后,地面应用系统在半个小时内完成了全部数据的信道解码和数据恢复工作,并将数据及时发送给了有关单位,首幅有效图像于当晚20时前后处理完毕。至此,“嫦娥二号”飞越小行星的探测数据接收处理获得了圆满成功。

                                 

                                                                           图 “嫦娥二号”拍摄的“图塔蒂斯”(Toutatis)小行星间隔成像照片

        此次小行星近距探测的成功再次刷新了“中国高度”。短短两年间,从距地球38万千米外的月球,到150万千米远的日地拉格朗日L2点,再到700万千米外的小行星。嫦娥二号”卫星突破并验证了我国卫星对小天体探测的轨道设计与飞行控制技术,实现了我国航天飞行从40万千米到700万千米远的大跨越。飞越小行星后,“嫦娥二号”正向着更远的深空飞行。这次数据接收的成功,也检验了密云站50米天线接收距离地球700万千米以外的空间探测器数据的能力,为我国未来的深空探测任务的数据接收工作奠定了坚实的基础。
        “嫦娥二号”卫星以10.73公里/秒的相对速度与“图塔蒂斯”的深空交会,最近相距3.2公里,这是我国首次开展小行星飞越探测,也是国际上首次实现对该小行星实施的近距离探测。再拓展试验成功获取了“图塔蒂斯”宝贵的高分辨率图像数据,验证了小天体探测的轨道设计和逼近/飞越控制能力,为我国深空数据接收和测控跟踪提供了实战验证,使我国继美国、欧洲空间局和日本之后成为第4个探测小行星的国家(组织)。