北京時(shí)間9月24日23時(shí)，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)子刊《自然-通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表了一篇來自中國科學(xué)家的成果：Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長、月球與深空探測研究部主任李春來領(lǐng)導(dǎo)的“嫦娥四號”研究團(tuán)隊(duì)，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(jìn)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(xué)探測提供了背景信息和位置基準(zhǔn)”。論文第一作者、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員劉建軍對澎湃新聞?dòng)浾?www.thepaper.cn)表示，“嫦娥四號”著陸器作為月面永久性標(biāo)志，其位置的精確定位，可以作為月球背面的控制點(diǎn)，將是月球背面控制點(diǎn)研究、高精度月球測繪的基礎(chǔ)。“也將為我國未來深空探測任務(wù)(例如小行星附著、火星軟著陸)提供技術(shù)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(gè)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(dá)14天的月夜極低溫環(huán)境后，分別受光照成功自主“喚醒”，進(jìn)入第十個(gè)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(jù)獲得的工程和科學(xué)數(shù)據(jù)持續(xù)開展著相關(guān)研究工作。
行星探測中關(guān)注的焦點(diǎn)之一：重建動(dòng)力下降軌跡
論文中提到，自2018年12月8日發(fā)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(yùn)行和動(dòng)力降落等多個(gè)階段。其中，動(dòng)力下降階段是軟著陸、實(shí)現(xiàn)安全落月的重要階段，是在完全自主控制下實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)軌道設(shè)計(jì)，“嫦娥四號”動(dòng)力下降段減速采用7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，該階段包括主制動(dòng)、姿態(tài)調(diào)整、垂直下降、懸停、避障、慢下降等階段。
此前的1月3日10時(shí)15分，“嫦娥四號”探測器從距離月面15公里處開始實(shí)施動(dòng)力下降，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)，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(jìn)行快速姿態(tài)調(diào)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(jìn)行識(shí)別，并自主避障;選定相對平坦的區(qū)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(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)。
劉建軍表示，“月面軟著陸動(dòng)力下降段是一個(gè)復(fù)雜的過程，歷時(shí)短，速度變化快，難以通過地面實(shí)時(shí)控制，通常只能利用探測器自身攜帶的敏感器進(jìn)行自主測量和控制。”
研究團(tuán)隊(duì)提到，為了掌握探測器自主控制的效果，建立任務(wù)規(guī)劃和科學(xué)探測的位置基準(zhǔn)，重建探測器動(dòng)力下降段軌跡和精確確定著陸點(diǎn)位置具有重要的工程和科學(xué)意義，一直是行星探測中關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
一般而言，行星表面軟著陸軌跡重構(gòu)和著陸點(diǎn)位置定位，通常采用無線電測量、遙測數(shù)據(jù)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(jìn)行軟著陸，受月球遮擋的影響，地面設(shè)備無法進(jìn)行跟蹤實(shí)現(xiàn)對月球背面軟著陸探測器的直接無線電測量;同時(shí)，由于“鵲橋”中繼星和著陸器上未配置無線電測量設(shè)備，也無法進(jìn)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(tài)等的遙測數(shù)據(jù)又非常有限。
因此，精確重構(gòu)“嫦娥四號”探測器下降軌跡和著陸點(diǎn)精確定位變得非常困難。
精細(xì)重構(gòu)自主導(dǎo)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(jī)影像的定位技術(shù)得到有效解決，這將不受月球重力場、動(dòng)力學(xué)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(gòu)和著陸點(diǎn)精確定位的一種有效途徑。”
研究團(tuán)隊(duì)利用“鵲橋”安全著陸后傳輸?shù)母哳l著陸序列圖像，對“嫦娥四號”進(jìn)行下降軌跡重建和著陸點(diǎn)定位，完整記錄了動(dòng)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(tuán)隊(duì)采用“嫦娥二號”(CE2TMAP2015)的數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)作為地理參考數(shù)據(jù)。采用“嫦娥四號”著陸相機(jī)(LCAM)序列圖像，重建“嫦娥四號”動(dòng)力下降軌跡。
“嫦娥四號”著陸點(diǎn)。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用由兩臺(tái)攝像機(jī)組成的導(dǎo)航攝像機(jī)(NCAM)獲取的雙目立體圖像，精確計(jì)算出“嫦娥四號”的著陸點(diǎn)為東經(jīng)177.5991°，南緯45.4446°，高程-5935米。該著陸點(diǎn)位于一個(gè)退化撞擊坑的緩坡上，距離北邊一個(gè)直徑25米的撞擊坑邊緣很近，且著陸點(diǎn)周圍共有五個(gè)撞擊坑。
對于這項(xiàng)最新的研究，劉建軍認(rèn)為研究亮點(diǎn)在于，“利用中國自主獲取的多源影像數(shù)據(jù)(包括‘嫦娥二號’月球軌道的遙感影像、‘嫦娥四號’降落相機(jī)影像和月球車導(dǎo)航相機(jī)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(lián)合處理和定位問題”。
此外，該研究精細(xì)重構(gòu)了“嫦娥四號”在月球背面粗避障、精避障等自主導(dǎo)航降落過程，再現(xiàn)了著陸器下降過程每秒的位置和姿態(tài)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了探測器的精準(zhǔn)定位，相對位置精度達(dá)到m級水平。
先后發(fā)布共計(jì)99.9GB科學(xué)探測數(shù)據(jù)
2018年5月，中國發(fā)射了“鵲橋”中繼衛(wèi)星，該衛(wèi)星是一顆服務(wù)“嫦娥四號”的地月間通信衛(wèi)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(gè)著陸于月球背面的無人探測器。
“嫦娥四號”任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)了人類在月球背面軟著陸，任務(wù)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(tái)國內(nèi)研制科學(xué)載荷和3臺(tái)國際合作科學(xué)載荷，開展以低頻射電天文觀測、巡視區(qū)形貌、礦物組份及淺層結(jié)構(gòu)為主的科學(xué)探測。
除此番公開發(fā)表的學(xué)術(shù)成果外，此前的5月16日，“嫦娥四號”研究團(tuán)隊(duì)已在《自然》發(fā)表了一篇研究成果，科學(xué)家利用可視-近紅外成像光譜儀(VINS)的光譜初始觀測結(jié)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(zhì)初步證據(jù)。
劉建軍向澎湃新聞?dòng)浾呓榻B，“嫦娥四號”著陸器和“玉兔二號”巡視器已完成第九月晝科學(xué)探測工作，9月23日探測器進(jìn)入第十個(gè)月晝工作期。
截至目前，“嫦娥四號”工程地面應(yīng)用系統(tǒng)已向科學(xué)研究核心團(tuán)隊(duì)先后發(fā)布了八批科學(xué)探測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量共計(jì)99.9GB。
劉建軍表示，“后續(xù)將進(jìn)一步開展著陸區(qū)光譜和雷達(dá)探測，深入研究該區(qū)域的物質(zhì)成分和月表淺層結(jié)構(gòu);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(shù)據(jù)，開展月球科學(xué)研究”。
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