系统可观测性理论与深空探测自主导航方法专题·编者按

近年来,我国月球及深空探测技术发展迅速. 2020年12月17日,随着嫦娥五号返回器携带1731克月壤返抵地球,历经16年我国圆满完成了探月工程"绕、落、回"三步走战略目标,也开启了后续深空探测的新篇章. 2021年2月24日,我国首个行星际探测器"天问一号"进入火星停泊轨道,经过近3个月的环绕探测后,于5月15日成功软着陆,在火星探测史上首次一步实现"绕、落、巡".     

科技短讯

我国今年启动探月工程“嫦娥奔月”千年梦想将成现实。国家航天局局长栾恩杰最近透露,中国航天下一个目标是月球探测。月球探测工程将分为“绕”、“落”、“回”三个阶段实施。第一期工程,通过发射月球探测卫星.获取月球表面三维影像.分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点,探测月壤厚度和探测地月空间的环境。第二期工程,发射月球探测器登陆月球。第三期工程.实现月面巡视勘察与采样返回。     

专题：“嫦娥”一号揭开中国深空探测的科学

自20世纪90年代以来,国际上新一轮月球探测的热潮,吸引了美国、日本、欧洲、中国、印度等航天大国的广泛积极的参与．这次探月热潮中,几乎所有的卫星任务都把重点放在了测月学方向．一方面通过对月球地形、重力以及关联内部结构的探测研究来揭示月球的演化历程,另一方面为进一步的月面着陆探测和建立月球基地开展准备工作．以绕、落、回三部曲为主线的中国月球探测简洁而完美地诠释了人类月球探测的这一路线规划．“嫦娥”一号绕月探测器工程在成功实现了华夏千年奔月梦想的同时,也以测月学为基本目标,为人类探月的远景设想奠基铺路．     

月球科学与探测专题·编者按

正自"嫦娥一号"月球探测器2007年成功发射以来,已经过去整整八年,中国的嫦娥探月工程也稳健地进入了"绕、落、回"三步曲的第三步,即将启动的月面采样返回,将进一步证明我国的空间探测技术和科学研究能力达到国际先进水平."嫦娥一号"和"嫦娥二号"都获得了大量科学探测数据,总体上实现了科学目标."嫦娥一号"获得了全月球影像图和月球标准基础地图、全月球数字高程模型(DEM)和三维月球地形图;建立了月球影像数据和激光高度     

嫦娥四号登陆月背!

正发射于2018年12月8日的嫦娥四号月球探测器,经过26天的飞行,于2019年1月3日顺利着陆月球背面南极-艾特肯盆地中的冯·卡门撞击坑内,成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器。嫦娥四号将利用月球背面得天独厚的环境,开展一系列地质考察和天文观测。嫦娥工程是我国首个月球探测项目,也是首个深空探测项目。嫦娥四号原本是中国探月工程"绕、落、回"三步走计划中的第二期—嫦娥三号探测器的备份任务,如嫦娥三号没有成功,则将再次挑战相同的探测。由于嫦娥三号任务     

嫦娥1号绕月探测——中国航天迈向深空

随着1994年的“克莱门汀”号和1998年的“月球勘探者”号月球探测器的发射成功和取得的新的科学发现,在21世纪初,世界各国相继宣布以月球和火星探测为中心的深空探测计划,掀起自阿波罗计划之后的第二次月球探测高潮。中国在卫星应用和载人航天取得突破性进展之后,适时开展月球探测,填补了中国在深空探测领域的空白。绕月探测工程的实施经历了长达10年的政治、经济、科技等方面的综合论证,于2004年初开始正式启动。2007年初,第一颗月球探测卫星——嫦娥1号的各项设施已经全部准备就绪,待命出厂,择机发射,以确保首发必成。嫦娥1号绕月探测卫星的科学目标包括绘制月球立体地图、探测月表物质成分、探测月壤厚度和探测地月空间环境等4项科学任务。     

月球着陆探测值得关注的主要科学问题及着陆区选址建议

概要总结了以往探测活动取得的成果基础,梳理了月球地质学的部分主要问题,建议我国后续的着陆探测和采样返回应该重点关注以下科学和应用问题:深部月壳和月幔的组成、火山活动及热历史、月球早期及现今撞击通量、月核大小和月幔的结构、水及挥发分的分布、月壤和月尘的性质、月球资源和环境等.针对不同的科学问题和目标,着陆区的选择和探测对象的确定十分重要.在前人着陆区选址研究的基础上,本文提出和推荐了18个(背面和正面各5个,极区8个)备选着陆区,并简要分析了它们的地质特征和科学探测意义.     

月球雨海地区三个着陆点的地质特征对比研究

雨海盆地是月球正面最显著的地体单元之一,也是月球软着陆探测的重点目标之一,迄今为止已有前苏联月球17号、美国阿波罗15号和我国嫦娥3号在该地区成功实施了软着陆探测.本文基于三次任务获取的月面影像及其他数据,对雨海地区三个着陆点的地质特征进行了对比研究,重点分析了三个着陆点的区域地质背景、撞击坑、月表石块及月壤特征.本文研究发现,月球17号与嫦娥3号均着陆于较为年轻的爱拉托逊纪玄武岩单元,在一些小撞击坑的坑壁和坑缘出露了大量玄武质石块,并且一些石块表现出柱状节理构造.而阿波罗15号着陆于较老的雨海纪熔岩平原,月表石块分布很少,在哈德利月溪内壁上出露的玄武岩表现出明显的层状特征,月溪底部和边缘出露的部分石块也观测到了柱状节理.在一些月面影像数据上观测到了一些可能的"线性"特征,本文通过光照实验证实了这些"线性"特征是由微小起伏月表在较低角度太阳光照射下引起的.三个着陆区对比分析揭示了月球撞击历史、火山活动、空间风化等重要地质过程存在较大的地区和区域不均一性,未来更多的月面就位及采样返回探测将有助于我们更全面地了解月球的地质演化历史.     

月球静电效应及防护研究

月球表面由于空间环境和月球特性极易造成强烈的静电起电现象,当登月探测器或航天员到达月球表面时,在与月壤摩擦的过程中也会产生静电。登月探测装备的月球静电环境效应危害极大,带静电荷月尘可能进入甚至覆盖登月探测器所载仪器设备,作用于登月探测器的通讯系统、光学系统、电源系统、热控系统、甚至航天员。由于月球与地球的巨大环境差异而无法应用地球上静电防护的成熟技术。研究了月尘的静电学特性,带静电月尘对航天装备产生的影响,月球静电消除技术等新的技术发展。     

设定一个小目标,去月球

<正>我叫彭兢,来自中国空间技术研究院,是一名航天器的设计师。月球探测器听起来有点神秘,也很遥远。但对于我们这些天天从事相关工作的人,它其实也很普通。简单说,就是选择月球作为探测对象,设计一架机器,去实现一个特定的任务目标。比如嫦娥一号,我们设计它的目标就是去环绕月球,并在绕月飞行的过程中拍摄月球的照片,对月面进行遥感探测;而嫦娥三号就是要到月面去实现软着陆,就近对月球表面进行科学探测;我现在正在做的嫦娥五号,则是要到月球表面去取一些样品,并把这些样品带回地球的实     

基于双二体模型的载人登月着陆点选取分析与仿真

载人登月的着陆点选取研究,对于今后实施载人登月以及全月面到达的研究很有意义。而载人登月着陆点的选取又涉及到多种约束,只是选取燃料和驻留时间两个约束对相关着陆点进行建模分析和仿真。本文首先对月球相关几何关系进行研究,基于双二体模型对月面着陆点选取与停留时间关系进行研究;其次根据能量消耗和地月转移轨道倾角约束考虑了三种不同的着月和上升策略,对三种不同策略的着月点和停留时间进行数学建模;最后,通过仿真,总结得出载人登月月面着陆点选取与燃料和驻留时间的关系。     

月球多色测光的最新研究进展

近几十年来，月球多色测光研究成为天文学一个重要领域．尤其是近年Clementine飞船作了几乎整个月球表面的多色测光，得到高分辨月球多色图像．联系Apollo等飞船取回月球样品的实验结果，结合理论研究和新的分析方法，揭示于全月球表面和区域的特性．本文综述一些重要进展和最新成果，包括一些主要概念(反照率，位相函数、全月面累积测光和区域测光)、测光模型、分光反照率测定结果，尤其是Clemmentine飞船资料的分析研究结果——光度参数、月面温度分布、FeO和TiO2分布、月壤成熟度、盆地抛出物、火山沉积物和区域地质．     

2018年深空探测热点回眸

 深空探测指人类航天器离开近地轨道、进入太阳系空间和宇宙空间，对地球以外天体（月球及以远天体）或空间环境开展的科学探测。2018年，国际深空探测叠彩纷呈：中国“嫦娥四号”成功实现国际首次月球背面软着陆并将开展巡视勘察；美国“洞察号”探测器登陆火星；向太阳系空间进发，朝向日心方向，欧洲空间局和日本合作研制的BeipiColombo探测器正飞向水星、美国“帕克号”探测器开启“史诗级”旅行去“触摸太阳”，远离日心方向，“新视野号”成功飞掠柯伊伯带的小行星“天涯海角”、“旅行者2号”突破日球层顶；美国“奥西里斯-REx”和日本“隼鸟2号”顺利抵达各自目标小行星执行采样任务。2018年，月球表面存在水冰、火星发现有机分子、太阳系边际再抵近等发现或突破对于探寻生命起源、太阳系起源和演化，拓展人类知识体系具有重要意义。     

TJ 1模拟月壤承载特性物理模型试验研究

借助现代土力学试验技术研究月壤工程特性,是解决月球上岩土工程问题的一个可行方法.室内载荷物理模型试验是研究土体承载特性的重要方法.本研究自行设计加工了一套可以实现加载速率控制的加载装置,采用试验材料为Tongji-1(简称TJ-1)模拟月壤,对4种不同尺寸的圆盘载荷板进行加载速率控制条件下的载荷模型试验,同时测定了基底土压力分布.试验结果表明:在相同载荷板条件下,TJ-1模拟月壤的地基极限承载力和变形模量随加载速率的增加而增加;在相同加载速率条件下,TJ-1模拟月壤的地基极限承载力和变形模量随载荷板尺寸增加而增加;加载时基底中心土压力最大.     

月面自主精确软着陆的景象匹配方法研究

为提高月球探测器自主软着陆的落点精度,利用绕月飞行器和着陆探测器下落图像,提出一种基于尺度信息的多模板递阶景象匹配方法.在月面图像尺度空间上快速提取FAST角点,并确定特征点精确尺度、位置和方向.在特征点邻域建立图像块采样模式,通过图像块像素比较形成二进制串特征描述子,利用海明距离(Hamming distance)进行特征匹配.实验结果表明,目标在尺度缩放、旋转和光照变化等极端条件下,该算法能够实时完成月面着陆目标区域的准确识别和稳定跟踪,实现月球探测器的远距离、高精度自主导引着陆.      

基于光学数据的月壤介电常数的反演

摘要：月球元素含量的反演有利于了解月球物质成分的分布从而对月球矿产资源开发利用提供重要依据,对于月球科学的研究具有重要意义。本文利用LSCC数据和Clementine光学数据在全月球的角度上对月壤中FeO和TiO_2的含量进行反演,并基于回归分析建立介电常数和FeO和TiO_2含量总和的耦合关系,进而对介电常数进行反演,并与实测点的数据进行比较,验证了利用光学数据反演月壤元素含量以及通过回归分析反演介电常数的可行性,为月表反演的研究提供了新的思路。     

月面态势感知雷达三维成像方法

为实现月球探测器软着陆前在悬停状态下对局部月面起伏态势的有效感知,提出一种基于高度维宽带高分辨以及平面二维接收数字波束形成的雷达三维成像方法.该方法的突出特点是不需要雷达与目标间的相对运动便能实现三维成像.根据成像原理,对雷达发射波形、天线形式及尺寸进行了研究和设计;探讨了成像高度以及场景栅格扫描时的波位步进量问题;给出完整的成像处理流程并进行仿真验证.仿真结果表明,采用该方法可以获得强散射中心三维坐标,重构出场景区域的三维图像.     

基于虚拟现实环境的六轮月球车运动性能分析

为了仿真试验月球车在月面环境的运动性能,利用虚拟现实技术建立了月球车仿真试验环境.以一种六轮月球车为原型建立了物理模型,并给出了计算机求解方法,实现了六轮月球车在月面环境下进行运动性能分析的仿真试验.通过对比该月球车设计原型的真实试验结果和仿真试验结果,验证了虚拟仿真的正确性.为月球车设计带来了一个有效的辅助工具.     

The modeling analysis of microwave emission from stratified media of non-uniform lunar cratered terrain surface for Chinese Chang-E 1 observation

In China’s first lunar exploration project,Chang-E 1,the multi-channel (3.0,7.8,19.35,37 GHz) microwave radiometers were aboard the satellite,with the purpose of measuring microwave brightness temperature from lunar surface and surveying the global distribution of lunar regolith layer thickness,and global evaluation of 3He content.To analyze the modeling of microwave radiative transfer from three-layered media of lunar surface,some factors,such as the cratered lunar surface roughness,scattering of regolith particulate medium with temperature profile,are discussed.Based on the statistics of the lunar cratered terrain and using Monte Carlo (MC) method,the cratered lunar surfaces are numerically generated.The triangulated network is utilized to divide the undulated lunar surface into discrete triangle meshes with the size 10 m as a digital surface topography.The reflectivities of each plane mesh are calculated,and the average reflectivity for all MC-realized lunar surfaces is obtained.It is found that under the spatial resolution of 30 km×30 km of Chang-E 1 radiometer observation,the lunar surface can be well modeled as a flat surface.It makes the predominance of the parameters,such as the regolith layer thickness and stratified structures,to be studied.Using the radiative transfer equation of stratified media with dense scatterers,the scattering coefficient of the regolith particulate medium is found negligible,and the emission is mainly governed by the absorptive property of the medium.Brightness temperature of multi-layered media,i.e.lunar soil,regolith layer with temperature profile and underlying rock media,are derived and calculated,and relevant main factors to affect the modeling and emission simulation are analyzed.