探测成果
嫦娥一号
1.概况介绍

  嫦娥一号是我国首颗绕月人造卫星。以中国古代神话人物嫦娥命名,由中国空间技术研究院承担研制。总重量为2350千克左右,尺寸为2000毫米×1720毫米×2200毫米,太阳能电池帆板展开长度18米,预设寿命为1年。该卫星的主要探测目标是:获取月球表面的三维立体影像;分析月球表面有用元素的含量和物质类型的分布特点;探测月壤厚度和地球至月亮的空间环境。

  嫦娥一号卫星于2007年10月24日18时05分(UTC+8时)左右在西昌卫星发射中心升空, 根据我国探月卫星工程的四大科学目标,在嫦娥一号上搭载了8种24台件科学探测仪器,重130千克,即微波探测仪系统、γ射线谱仪、X射线谱仪、激光高度计、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器、CCD立体相机、干涉成像光谱仪。

  2009年3月1日完成使命,撞向月球预定地点。

2.主要任务

   “嫦娥一号”卫星发射后首先将被送入一个地球同步椭圆轨道,这一轨道离地面距离为500公里至7万公里,探月卫星将用26小时环绕此轨道一圈后,通过加速再进入一个更大的椭圆轨道,距离地面最近距离为500 公里,最远为12万公里,需要48小时才能环绕一圈。此后,探测卫星不断加速,开始“奔向”月球,大概经过83小时的飞行,在快要到达月球时,依靠控制火箭的反向助推减速。在被月球引力“俘获”后,成为环月球卫星,最终在离月球表面200公里高度的极地轨道绕月球飞行,开展拍摄三维影像等工作。

科学目标

  中国探月工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远介绍“嫦娥一号”是我国发射的最远距离的卫星,距地球的平均距离是38万公里。

  绕月探测工程将完成以下四大科学目标:

  一、获取月球表面三维立体影像,精细划分月球表面的基本构造和地貌单元,进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究,为类地行星表面年龄的划分和早期演化历史研究提供基本数据,并为月面软着陆区选址和月球基地位置优选提供基础资料等。

  二、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点,主要是勘察月球表面有开发利用价值的钛、铁等14种元素的含量和分布,绘制各元素的全月球分布图,月球岩石、矿物和地质学专题图等,发现各元素在月表的富集区,评估月球矿产资源的开发利用前景等。

  三、探测月壤厚度,即利用微波辐射技术,获取月球表面月壤的厚度数据,从而得到月球表面年龄及其分布,并在此基础上,估算核聚变发电燃料氦-3的含量、资源分布及资源量等。

  四、探测地球至月亮的空间环境。月球与地球平均距离为38万公里,处于地球磁场空间的远磁尾区域,卫星在此区域可探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体,研究太阳风和月球以及地球磁场磁尾与月球的相互作用。

  由月球探测卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用等五大系统组成的绕月探测工程系统届时将实现以下五项工程目标:

   1)研制和发射我国第一个月球探测卫星;

   2)初步掌握绕月探测基本技术;

   3)首次开展月球科学探测;

   4)初步构建月球探测航天工程系统;

   5)为月球探测后续工程积累经验。

3.取得成果

(一)、数据成果

  经过一年多的数据处理和研究,地面应用系统利用嫦娥一号卫星8台有效载荷获得的探测数据,目前已经获得了大量月球数据产品和科学成果,其中一些内容达到国际先进甚至国际领先水平。

1、质量最高的全月球影像图和月球标准基础地图(Base Map)。

  嫦娥一号卫星CCD立体相机共获得508轨南北纬70°以内和589轨极区的图像数据,第一次实现了月球表面的100%覆盖。利用嫦娥一号图像数据制作的“全月球影像图”(2008年11月12日公布),其在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面均明显优于国际上已有的各类全月球影像图,是当前国际上数据覆盖最全、质量最好的全月球影像图。

  利用嫦娥工程多种数据源解算得到全月球地形数据,对全月球图像数据进行了正射校正,修正了图像的几何变形和空间位置,获得了“全月球正射影像图”。这是迄今为止国际上变形程度最低、位置精度最高、图像色调最一致和空间覆盖最完整的全月球影像图,将成为新的月球“标准像”——月球基础地图(Lunar BaseMap)。

 

2、精度和分辨率最高的全月球数字高程模型(DEM)和三维月球地形图。

  嫦娥一号卫星激光高度计共获得了约912万个月表测高数据,是目前国际上最多的测高采样数据。全部采用激光测高数据制作了分辨率为3公里左右的全月球数字高程模型(DEM),在精度和分辨率上明显优于美国ULCN2005, 与日本SELENE激光高度计DEM模型相当,达到了国际先进水平。

  利用覆盖全月球的嫦娥一号立体相机三线阵CCD数据, 采用三线阵数字摄影测量方法,解算了全月球的地形数据,制作了全月球三维数字地形产品,数据全球平差的平面中误差为192m,高程中误差为120m;全月球数字高程模型(DEM)包含约7500万个有效测点,DEM空间分辨率达500米,等高线数据的等高距达500米。全月球数字地形图产品(包括数字高程模型DEM、正射影像和数字等高线图)在数据覆盖范围、平面定位与高程精度、空间分辨率等方面均明显优于国际现有全月球数字地形产品,达到了国际领先水平。

 

3、伽马射线谱仪获得铀、钍、钾的全月球含量分布图。

  嫦娥一号卫星伽马射线谱仪共获取了1103轨有效探测数据,累计时间约2120.8小时。地面应用系统对伽马射线数据进行了处理,由于信号积累时间的限制,其中只有U、Th、K等3类元素能够解译出全月球分布和含量,Mg、Al、Si、Fe、Ti等元素只能解译出区域含量与分布数据(结合X射线谱仪的分析结果)。


中国首次月球探测工程钾元素含量分布图


中国首次月球探测工程铀元素含量分布图


中国首次月球探测工程钍元素含量分布图

 

4、覆盖月球绝大部分地区的月球多光谱图像数据。

  嫦娥一号干涉成像光谱仪共获得了706轨有效探测数据,覆盖了月球南北纬70°以内84%的月表区域(相当于全月球的79%)。成像光谱数据的空间分辨率为200m,光谱范围为480~960nm,共有32个谱段,光谱分辨率为7.6~29nm。目前已经获得月表覆盖范围32个谱段的光谱分布图。嫦娥一号成像光谱数据的谱段,远比Clementine UVVIS光谱仪(5个谱段)多,且光谱分辨率高,进一步的工作将利用光谱数据解译月表矿物和元素的含量分布。

                  

                     月球危海地区辉石分布图                                                                               月球危海地区TiO2分布图


月球危海地区FeO分布图

 

5、全月球4频段月表微波辐射亮温数据。

  嫦娥一号微波辐射计共获取了1690轨探测数据,数据累积时间约2642小时,数据多次覆盖了全月球表面。嫦娥微波数据包括3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz四个频率的微波辐射亮温,是国际上首次采用被动微波遥感技术测量全月球微波辐射信息,进而探测月壤特性,反演月壤厚度。目前已处理得到全月球不同光照条件的微波辐射亮温,在此基础上将进一步反演月壤厚度,评估氦-3资源。

6、独特的近月空间高能粒子和太阳风离子数据

  嫦娥一号携带高能粒子和太阳风离子探测器对月球轨道空间环境进行了探测,其中高能粒子探测器共获取了1846轨有效探测数据,累积时间为2868.5小时;太阳风离子探测器获取了1815轨有效探测数据,累积时间为2852.3小时,其中约60%的轨数处于太阳风中。对这些数据的初步分析和对比研究,发现它们与地球磁场和月表带电粒子之间相互作用过程中的一些独特物理现象,对丰富太阳辐射及其与地球磁场和行星(月球)的相互作用具有特殊的意义。进一步深入的分析与比对研究,有望获得更多的科学发现。


CE-1观测的月球极区日夜交界面的粒子加速事件


行星际太阳风的离子能谱


磁鞘中的离子能谱


磁尾中的离子能谱

 

(二)、专利和知识产权

  探月工程地面应用系统是我国的第一个月球和深空探测地面应用系统,在系统的研制和嫦娥数据的处理过程中,产生了大量的技术发明和知识产权。目前只整理出了部分成果。

目前已受理的技术发明专利1项;正在申报的技术发明专利25项,实用新型专利12项,外观设计专利2项。

目前已受理的软件著作权1项,正在申报的软件著作权29项。

(三)、标准和规范

  嫦娥一号是我国的第一个月球探测器,也是我国第一次系统、深入地开展月球科学研究和数据应用。地面应用系统的研制和嫦娥数据的处理,催生了一大批标准和规范,初步建立起了我国月球探测和科学数据处理的标准体系。目前已初步完成13项国家标准草案的整理工作,4项正在按程序上报。

4.数据发布与数据应用

1、数据发布

  自2007年11月底接收到嫦娥一号数据后,地面应用系统即向各载荷研制单位提供了原始探测数据和工程数据,用于在轨测试、仪器性能分析和数据处理方法改进。

  根据数据发布政策规定,2008年8月开始嫦娥一号数据的正式发布。截止到2010年2月止,发布单位数共32个,其中国内大学19所,国内科研单位8个,港澳大学4所(香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学、澳门科技大学)和国外机构1个(欧洲空间局),发布的数据包括嫦娥一号8种有效载荷获得的所有科学探测数据。

2、数据应用

  数据发布1年半以来,包括有效载荷研制单位在内的大学和科研院所组织对嫦娥一号数据进行了系统研究,科研和应用成果即将大量涌现,目前已见到对嫦娥一号探测数据应用的中文研究论文17篇(其中《中国科学》和《科学通报》共8篇),英文研究论文5篇(其中《Science in China》4篇,《Chinese Science Bulletin》1篇)。