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跟踪“朱诺号” 寻找行星探测新方法

2020-01-14 科技日报 唐婷
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  朱諾號的首要科學目標,就是研究並理解木星的起源與進化,從無線電信號特征層面反演木星重力場和大氣等重要信息。

  深空測控鏈路上的無線電信號從航天器傳播到地球上,被地面接收站接收,其路徑上的相位、頻率、幅度和極化特性的微小變化,是行星無線電科學探測關注的重點。(圖片來源于NASA)

  近日有媒体报道称,中國科學家通过捕获美国“朱诺号”(Juno)木星探测器发回地球的无线电信号,成功确定了其多普勒频移,并由此确定了其轨道;开展相关试验,是为了测试深空地面控制站能力,以支持中国未来将开展的行星际探测任务。

  上述针对“朱诺号”的跟踪测量试验是如何开展的?行星无线电科学探测可以帮助解答哪些科学问题?未来有哪些应用的方向?科技日报记者采访了参与相关探索试验的中國科學院国家天文台研究员平劲松。

  緊盯“朱諾號” 開展開環跟蹤測量

  “朱諾號”木星探測器是美國國家航空航天局“新疆界計劃”實施的第二個探測項目。2011年8月5日,“朱諾號”從美國佛羅裏達州卡納維拉爾角升空,于2016年7月6日到達木星捕獲軌道,其首要科學目標是研究並理解木星的起源與進化。

  行星無線電科學載荷是“朱諾號”搭載的29類科學載荷中的重要一項,其主要通過1個直徑爲2.5米的高增益天線與地面進行無線電測量與通信,從無線電信號特征層面反演木星重力場和大氣等。

  “‘朱諾號’會不斷地向地面傳回無線電信號,科學家可以像觀測自然天體射電輻射那樣進行地面被動測量。然而由于地木之間距離非常遙遠,信號十分微弱,想要及時准確捕捉到相關信號,對深空站而言是一項很有挑戰性的任務。”平勁松介紹道。

  據悉,我國深空網于2012年初步建成,佳木斯深空站、喀什深空站投入運行,重點支持了嫦娥三號、再入返回飛行試驗任務等深空探測任務。爲驗證我國深空網的跟蹤測量能力,並獲取行星無線電測量數據,2016年10月至2017年8月期間,北京航天飛行控制中心聯合佳木斯、喀什深空站對木星探測器“朱諾號”進行了開環測量試驗。

  跟蹤“朱諾號”要做哪些“功課”?平勁松介紹道,基于地面的深空站要對“朱諾號”探測器進行跟蹤,首先要准確掌握“朱諾號”下行信號的頻點分布,以及下行信號到達地面天線接收機端的功率;同時,還要確定“朱諾號”下行發送信號的時刻、時段;此外,基于不同的策略,考慮木星—地球距離上電磁波傳輸時間,對跟蹤天線進行沿著對木星的視線方向逆向精密指向引導也非常關鍵。

  “基于以上觀測必備條件,深空站成功開展了多次對‘朱諾號’跟蹤與測量。這次測量試驗是中國深空站在地木距離上首次對深空探測器成功開展開環跟蹤測量。”平勁松指出。

  無線電探測 解開更多行星謎團

  開展行星無線電科學探測,可以幫助解答哪些科學問題?

  深空測控鏈路上的無線電信號從航天器傳播到地球上,被地面接收站接收,其路徑上的相位、頻率、幅度和極化特性的微小變化,是行星無線電科學探測關注的重點。

  “通過有效地分析這些數據,可以研究行星及它們衛星的大氣和電離層的結構、質量、行星環、彗星迹,同時也可以精密測量行星重力場和行星曆表,監視太陽風、行星際磁場活動,並用來檢驗廣義相對論,如探測引力波和引力紅移等。”平勁松介紹道。

  事實上,在50多年的太陽系探測曆程中,大量的行星科學探測成果並非來自于探測器搭載的“科學”載荷,而是來自于無線電測控和通信鏈路。月球與深空探測任務中,有相當一部分的科學探測來自于星—地鏈路的高精度測量。

  谈及行星无线电科学探测技术的应用方向,平劲松介绍,我国深空测控与科學研究联合团队自嫦娥一号绕月探测任务以来,自发形成了该方向的联合研究团队,并实现了探测技术从无到有的发展,优化了月球长波重力场模型并发现月球内部依然活跃;使用地面射电天线探测了火星电离层季节变化特性;以及精密测量了冥王星和卫星的质量与密度。

  他進一步指出,在我國現有的月球、行星探測計劃中,可以使用這類方法開展包括月球與行星重力場與內構造、自轉動力學、大氣電離層的探測,以及開展引力理論的驗證探測工作,包括測量高精度的萬有引力常數、廣義相對論參數,驗證等效原理等。此外,通過合理地設計測控鏈路,還有機會在射電波段開展空間低頻引力波的探測。

打印 責任編輯:侯茜

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