在上海佘山新建的65米射电望远镜,更利于电波信号的接收、处理和记录。
嫦娥三号月球探测器吸引了国人甚至全世界的目光——人们期待观赏探测器“落下去”的轻盈美丽,更期待了解探测器“走起来”的神奇探索。
嫦娥三号探测器要在落月时展现飘逸身姿,要实现脚踏实地的月球行走,“明亮的眼睛”“智慧的头脑”是成功的关键。赋予嫦娥三号“聪慧”的是测控系统。
测控系统的主要任务是运载火箭、探测器在各飞行阶段及探测器在月面工作阶段的测控、轨道测量与确定、月面目标定位以及落月后着陆器和月面巡视器的控制。
测控系统中的VLBI分系统在嫦娥二号任务中立了功,确保了嫦娥二号超额完成任务。探月工程二期副总设计师孙辉先说:“嫦娥三号要落月,此次发射的特点是直接就飞过去,还要落下去。这就要求嫦娥三号任务的测控第一要快,第二要准。此外,嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器组成,等于有两个要同时测,这就更加困难了。”但孙辉先自信地表示,VLBI能更准确地测定嫦娥三号的轨道,“根据现在的情况,我们认为VLBI分系统在嫦娥三号任务中能够完成分配给它的任务。”
中科院月球与深空探测总体部主任刘晓群说,VLBI就是甚长基线干涉测量,这本来是天文学研究的一种基本手段。但在探月工程中,从嫦娥一号开始,利用中科院多年基础研究的技术和经验,成功地将其应用于国家的航天测控,进一步提高了测控精度。
“没有到月球以前提不到VLBI。”孙辉先说,因为地球有好多测试手段。卫星上天后它上边有信标,能测出距离来。另外卫星本身有速度,科学家发一个波速就能帮助测出物体的速度来。有了距离,有了速度,再加上天线有一定的角度,卫星的测量问题就能解决。可是距离一旦远了就不行了,月球离我们38万公里,距离知道,速度也知道,但因为天线几乎不动,它横向的运动角度测不准。角度测不准就测不准航天器在月球上的位置,就不能准确地定轨。
怎么解决呢?孙辉先说,有一个天文学的方法,就是利用处在两个地方不同的天线。比如新疆的乌鲁木齐和上海的佘山,两个天线相隔几千公里。信号源分别到乌鲁木齐和佘山,会有一个时间差。这个时间差就使我们有办法精确地知道航天器动了多大角度,这个角度能够准确到毫秒级、纳秒级。天文学测的时候怎么测呢?两个站分别有两个原子钟,把它的时间定好了,在收信号的时候用磁带记录下来,然后将两个站的磁带记录在机器里进行相关运算,就算出来了。
但孙辉先说这个办法用于探月工程显然达不到要求,探月工程的任务要求几分钟就要给出数据。
一个VLBI系统通常由若干个观测站和一个数据处理中心组成,它是一项现代高科技天文观测设备。VLBI把几台射电望远镜联合起来,同时对探测器进行跟踪、定位,然后进行干涉得到更高分辨率的内容,是射电干涉测量的一项新技术。嫦娥一号、嫦娥二号是把几个台站获得的数据通过网络传到上海天文台处理,当时的任务是在10分钟以内将处理后的数据传到北京航天指挥中心。上海天文台射电天文科学与技术研究所主任郑为民表示,10分钟也很艰难,因为传统的VLBI观测测量方法和数据处理非常复杂。但嫦娥三号在数据处理方法上做了很大改进,现在1分钟就可以提交给北京航天指挥中心。
郑为民说,VLBI研究系统在嫦娥三号里还有不少创新与突破。嫦娥一号、二号的观测波段主要在S波段,而嫦娥三号测量是在X波段,这会使VLBI的实验精度有更大提高;此外,还采用了两个探测器都可以接收到同波速的测量方法,测量精度大大提高;观测设备也有变化,在上海新建了一个65米大口径的望远镜(业内科学家也称其为天线),更利于电波信号的接收、处理和记录。
郑为民表示,测得更加精准,对于航天器的操控有重要意义。简单地说就是省能量,间接地节省了航天器的燃料。
据了解,此次嫦娥三号测控系统的创新集中表现在:首次研制我国大型深空站,初步建成覆盖行星际的深空测控通信网。
目前,国外主要有美国、俄罗斯、欧空局、日本、印度等国家(组织)建立了深空测控站。美国、俄罗斯深空测控站的天线,最大口径均为70米。
我国通过探月工程的实施,在青岛、喀什分别新建了18米天线,又在佳木斯、喀什分别新建了66米(亚洲最大)、35米天线。这些天线的研制,使我国完全掌握了大口径高效率天线的设计、制造、安装技术,远距离、弱信号条件下发射、接收技术,实现了高精度、快速测定轨和月面定位目标。
(原载于《科技日报》 2013-12-02 08版)