地面應用系統 中國深空探測的重要基地

張巧玲

2007年11月27日09:50  來源:科學時報

 【字號 打印 留言 論壇 網摘 手機點評 糾錯
E-mail推薦:  

  經過十幾天的旅行,嫦娥一號衛星終於順利進入環繞月球的工作軌道,衛星上的各種科學探測儀器陸續開機,對月球開展綜合探測。嫦娥一號繼續牽動著國人的心。

  11月26日,嫦娥一號不負眾望,我國首次月球探測工程的第一幅月面圖像終於問世。讓人疑惑的是,在距離地球平均38萬公裡遠,科學家怎樣遙控這些儀器?這些儀器獲得的大量探測數據又是怎樣傳回地球的?這些寶貴的科學數據又是如何管理和分析應用的?

  “這些工作都由嫦娥工程的地面應用系統承擔。從衛星的各種科學探測儀器陸續開機開始,嫦娥一號的工作重點從測控環節轉向了地面應用系統。”嫦娥工程地面部應用系統總設計師兼副總指揮李春來在接受《科學時報》記者採訪時介紹。

  這是一個完整的系統

  地面應用系統由運行管理、數據接收、數據管理、數據預處理、科學應用與研究5個分系統組成,涵蓋了從科學探測儀器的運行管理到探測數據研究和輸出探測成果的整個過程。其中,運行管理分系統負責在嫦娥一號衛星繞月探測期間,由地面技術人員遙控衛星上的各種科學儀器,調度這些科學儀器有序地進行探測。數據接收分系統由北京密雲的50米口徑天線和雲南昆明40米口徑天線接收嫦娥一號衛星繞月工作期間獲得的科學數據,並在當地將數據進行存貯。數據管理分系統負責對衛星傳遞下來的各種探測數據進行管理、分類。數據預處理分系統負責對數據進行消除各種偏差的處理,並將探測的原始數據反演成可供科學家使用的數據。

  科學研究與應用分系統是組織科學家深入分析和研究探測數據,按照繞月探測工程4項科學目標的要求,完成科學研究任務,並制作月球圖片和數據分布圖件,供科技工作者、學生和天文愛好者使用,並為普及月球知識和今后月球探測工程進一步發展創造條件。

  探測數據的獲得

  “探月工程的一個重要任務是獲取科學探測數據,開展月球科學研究。”中國科學院國家天文台月球與深空探測科學應用中心研究員、地面應用系統副總設計師劉建忠向《科學時報》記者介紹:“地面應用系統是嫦娥一號衛星探測數據傳回地球的唯一通道。”

  劉建忠介紹,嫦娥一號衛星在繞月探測期間,衛星上的8種科學探測儀器時刻都在對月球進行探測,並在衛星處於地面站可見軌道段時,以無線電波的形式把大量探測數據傳回地球。

  在地面站接收衛星發回的數據中,包括了兩種數據:一種是科學探測數據。就是8種科學探測儀器獲得的針對月球的探測數據。另一種是衛星的遙測數據,包括衛星在軌道上運行時,衛星飛行姿態數據和衛星上各種儀器工作狀態的監視數據。通過這些數據,科研人員可以判斷衛星運行狀態和星上設備運轉是否正常。當探測數據和遙測數據出現異常時,科研人員要及時分析原因,調整探測計劃,啟動預備方案。

  “嫦娥一號每天都要產生大量的探測數據,為了完全接收從遙遠的月球傳回的數據,需要天地配合,衛星用大功率的定向天線發射信號,地面用大口徑的天線進行接收。”劉建忠介紹,數據接收的任務,是由國家天文台新建的兩座目前國內天線口徑最大(位於北京密雲和昆明,口徑分別為50米和40米的大天線)的天線系統來完成的。

  由於地球自轉的原因,兩個地面站每天隻有半天的時間能夠對著月球,因此,衛星上也裝備了大容量的存貯設備,在地面站看不到衛星時,探測數據就存貯在衛星上,當地面站朝向月球和衛星時,衛星要先將存貯的探測數據傳輸下來,再傳輸實時探測的科學數據。

  探測數據的反演

  嫦娥一號傳回的數據是否可以直接進行科學研究呢?答案是否定的。

  劉建忠說,衛星地面站接收到嫦娥一號衛星發送的信號后,要把這些信號變成計算機能夠處理的中頻信號。然后進行解調、幀同步、譯碼、去隨機化等處理,得到數字信號,但到這一步,這些數據還是由“0”和“1”組成的二進制數據,需要進一步轉換成能夠反映月球特征、特性的圖像和物理量,才能提供給科學家進行科學研究。這個過程包括數據的預處理和科學反演過程。

  數據預處理和科學反演過程是由一套大型的計算機軟硬件系統把從月球衛星上接收下來的探測數據按預先設定的程序轉換成規定格式和不同處理程度的數據產品。預處理過程產生0級、1級、2級數據,在2級數據的基礎上經科學反演產生3級數據。

  首先是數據的預處理。將衛星傳輸下來的原始數據進行信道處理,產生0A級數據﹔對0A級數據進行兩個地面站數據優選、解包和解壓縮處理就產生了0B級數據﹔以軌為單位復原科學探測數據就產生了1級數據產品﹔在此基礎上,按照儀器定標的基准和衛星飛行姿態數據等,對科學探測數據進行校正處理產生了2級數據。2級數據就可以供科學家研究使用了。

  其次是科學反演。經過預處理之后,本來非常抽象的探測數據變成科學家能識別的標准數據產品,但這些產品還不能成為公眾能理解的成果,需要對這些數據產品進行“深加工”,也就是科學反演過程。通過對2級科學數據進行幾何精校正、對探測量進行定性和定量分析,就能夠產生出科學探測結果的數據,這就是3級數據。在此基礎上,就能夠直接呈現月球立體圖像、物質含量分布圖等直觀地反映月球表面各種特征的科學探測成果。這樣,月球的狀況就會完整清晰地展現在人們面前。

  “在數據預處理和科學反演之后,將組織全國的科學家深入分析和研究嫦娥一號的探測數據。”劉建忠說。

  獲得第一手月球資料

  嫦娥一號衛星進行的科學探測究竟將獲得哪些成果?

  劉建忠介紹,首先是獲得月球的三維地圖。由於月球表面覆蓋了一層5∼10米厚的塵土與角礫,基岩被掩埋在深深的土壤中。繪制月球的三維地圖,可以從中研究月球的地形地貌、地質構造、內部結構和演化等信息,劃分月球表面的基本地質構造和地貌單元。

  月球上撞擊坑密度越高、遭受撞擊的次數越多,表面年齡就越古老。從月球三維地圖中,可以統計出撞擊坑形態、大小、分布、密度等,從而確定月表的年齡。

  “嫦娥一號衛星獲得的三維地圖也將為今后月球探測二、三期工程實現月面軟著陸優選合適的著陸區提供依據。”

  其次,嫦娥一號衛星還將探測月球表面氧、硅、鎂、鋁、鈣、鐵、鈦、鈉、錳、鉻、鉀、釷、鈾及釓等14種元素的含量和分布,並確定月球表面的岩石和礦物組成。資源富集的地區將有可能成為今后建立月球基地優先考慮的地方。

  月球的土壤中含有可控核聚變的重要燃料氦-3,是在長期的暴露時間內由太陽風注入的。而月球上氦-3的資源量多到數百萬噸。科學家將從嫦娥一號的微波探測數據中獲得月球土壤的厚度,估算月壤中氦-3的資源量。

  “隨著技術進步和未來月球的開發利用,月球上的氦-3資源可能成為建立月球基地甚至解決人類未來能源的一個重要來源。”劉建忠介紹,此外,嫦娥一號衛星還要對地月空間環境進行探測,加深科學家對空間環境的認識。

  通過對探測數據進行詳細的分析和處理,圍繞4項科學目標將輸出一系列科學探測成果,主要包括:利用CCD相機、激光高度計的探測數據,可以繪制1︰250萬到1︰500萬月球影像圖、數字高程圖、三維景觀圖,全面反映月表地形、地貌﹔利用伽馬射線譜儀、X射線譜儀和干涉成像光譜儀的科學探測數據,可以繪制月球表面14種元素含量分布圖、主要礦物含量分布圖、岩石分布圖﹔利用微波探測器獲得的探測數據,可以繪制1︰1000萬的4個波段的月球亮度溫度分布圖、月壤厚度分布圖﹔利用太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器科學探測數據,可以了解從地球到月球飛行的過程中,4萬至40萬公裡衛星經歷的太陽高能粒子和太陽風離子分布數據和環境狀況,並在1年時間內積累月球周圍環境狀況數據,這些數據對衛星、飛船和月球車的空間防護設計和評估具有重要價值。

  “隨著嫦娥一號衛星在軌運行,將獲得大量的探測數據,這些數據經過分析處理,還將根據數據發布政策進行公布,供全國乃至全世界的科學家、科技工作者和天文愛好者共同分享,為認識月球和開展月球科學研究創造條件。”中國探月工程首席科學家歐陽自遠介紹。

  不是沒有擔憂

  “這個系統是一個很完整的地面應用系統,我們也是在工程實踐中不斷改進和完善。”李春來介紹,他們於2001年左右就開始了地面應用系統的概念性設計,2003年完成方案設計,2004年7月完成系統設計,至此,地面系統的建設藍圖基本完成。

  “一開始我們隻分為3個分系統:數據接收分系統、數據管理分系統、運行處理和科學研究分系統。現在拿出當初的方案設計,可以看出那個時候很多問題都沒有考慮到。”李春來感慨地說:“我們真正是在‘戰爭’中學習‘戰爭’,在學習中成長。”

  從今年年初開始,地面應用就開始了長達大半年的模擬運行試驗。李春來坦言,剛開始也會出現這樣那樣的問題,但是經過研究人員的細心調節和完善,整個地面應用系統運行非常穩定。11月13日,地面應用系統進行了臨戰前的最后一次演練,系統運行穩定,沒有出現任何問題。

  “航天工程有一個很重要的問題就是,所有的問題都必須考慮到,包括所有的可能性都要考慮到。”劉建忠介紹,對地面應用系統造成影響的重要因素還包括電力供應和通信鏈路暢通。

  為了克服停電問題,地面應用系統包括兩個地面站都採用雙回路供電,同時主要設備還配備了UPS電源,他們還特意購買了250千瓦時的柴油發電機,此外,他們還向北京市求援,在執行任務時,由密雲縣供電局提供應急發電車。

  為了克服通信鏈路中斷問題,地面應用系統將地面站與總部的通信鏈路設計為雙路由系統。“通過這些工作,我們基本不用擔心停電和通信鏈路中斷的問題。”

  “其他讓人擔心的主要是空間環境對有效載荷的影響。”劉建忠說,在兩種情況下全部儀器或部分儀器不能工作:一是月期間,由於衛星太陽電池陣在3到5個小時內處於-180℃的地球陰影中,無法獲得充足的陽光來產生電能,為控制衛星溫度的下降,在規定的范圍內,全部科學探測儀器必須關機,主要能源用於衛星供熱,即衛星處於最小功耗模式。另外一種情況是在光照條件不理想時衛星必須側飛,採用掃描方式工作的立體相機和成像光譜儀,無法獲得探測目標的圖像。

  這裡將是我國深空探測的基地

  “形象地說,地面應用系統是探月工程起得最早、睡得最晚的一個系統。在方案和設計階段,地面應用系統就需要提出科學目標,在業務運行階段,地面應用系統要對衛星有效載荷進行監視和管理,並接收全部探測數據,衛星壽命結束后,地面應用系統還需要進行數據處理和科學目標研究,其重要性不言而喻。”歐陽自遠在接受《科學時報》記者採訪時說:“這是我國第一個深空探測的地面應用系統,也將成為今后我國深空探測的重要基地。”

  李春來說,因航天地面應用系統研制建設的需求,國家天文台在2003年10月成立了月球與深空探測科學應用中心,目前已經建成我國的深空探測地面站,擁有我國目前天線口徑最大、接收能力最強並集深空探測衛星數據接收和射電天文觀測與研究為一體的密雲地面站和昆明地面站。他們還建成我國月球與深空探測地面應用的技術保障基礎平台,並初步建成我國的月球與深空探測科學研究平台。

  “地面應用系統設計的一個重要原則是要具有可擴展性,即為地面應用系統適應后續的深空探測任務提供一定的發展空間。”劉建忠說。

  李春來介紹,在一期工程開展月球全球性、整體性與綜合性探測的基礎上,中國探月二期工程將以軟著陸探測器和月面巡視探測器為平台,實現探測設備登上月球,開展近距離的、親臨其境的科學探測。為此,地面應用系統會針對二期工程的需要,增設遙科學探測分系統。

  “通過這個系統,我們要和月球車實時交互,比如給它一個指令,告訴它做什麼動作,然后把動作的結果反饋回來,通過分析結果后,再發布下一個指令。”

(責編:趙竹青)
更多關於 嫦娥探月 的新聞
· 中國首次探月第一幅月面圖像公布側記
· 《中國探月首飛成功紀念》郵票發行
· 122人專家組將對月球數據開展研究
· 繞月探測工程到了“收獲期”
· 欒恩杰:我現在心情很輕鬆
· 嫦娥一號衛星地面工作時間到達2000小時
· 溫家寶在“嫦娥一號”第一張月面圖片發布儀式上的講話
· "嫦娥"傳回月球三維照片今日上午將公布
· 繞月探測工程參與人員四分之一是女同志
· 欒恩杰:嫦娥一號衛星傳回的數據非常好
相關專題
· 中國探月工程-嫦娥一號和嫦娥二號“姐妹戰太空”
新聞檢索:    
   熱圖推薦
英媒評2010年12張最佳圖片英媒評2010年12張最佳圖片
一夜情有益社會應鼓勵?一夜情有益社會應鼓勵?
盤點趙本山宋丹丹春晚那點事盤點趙本山宋丹丹春晚那點事
崔永元炮轟收視率調查不真實崔永元炮轟收視率調查不真實
   精彩新聞
·[教育]台高學歷美女藝人卸妝大比拼 東莞男童莫名"午睡死"
·[教育]老師令65名同學打一學生 甘事業單位招考團體作弊
·[科技]地球會越來越冷 明年我國將發射神八等20余顆星船
·[科技]華中科大副教授因論文造假下崗 核污染村白血病多
·[娛樂]周立波迎娶富婆女友排場大 上海婚宴內場照曝光
·[娛樂]傳張杰謝娜20日登記結婚 周慧敏AngelaBaby同台
·中國高鐵漸吞市場 部分民航支線被迫停飛
·五糧液為“身份需求”漲價 每瓶提價50元到70元
·煤企漲價重擊電企軟肋 發改委強硬干預電煤談判
·“十二五”投資3000億安徽發力旅游產業
·農業部將繼續提高糧食收購價
·[教育]公私幼兒園收費將統一 3年內基本緩解入園難
羊年真的會慘嗎?羊年真的會慘嗎?
我們的福利受法律保護我們的福利受法律保護
   探索·視界
·達爾文百余年前收藏的鳥蛋在英國發現
   推薦專題·自然探索·地球故事·人類起源
2009國際天文年中國官網2009國際天文年中國官網
人民網 航天瞭望站人民網 航天瞭望站
·澳科學家研究“軍蟻搭橋”現象:打造特種機器人
·女人真正想要的捐精者:智商高內斂冷靜
·日研究人員合成使老鼠強烈恐懼的“恐怖氣味”
·伊朗研發人形機器人SurenaIII:能踢足球上下樓

[一語驚壇]收入差距尚且"諱言",分配不公如何"開刀"?
[論壇]美派三航母迎接胡總出訪?·六國要聯合對抗中國?
[訪談]黨國英談農村城鎮化·外交部李鬆談伊朗問題
[辯論]  花千億投資迪斯尼,值嗎?·你認同買不如租嗎?
[博客]溫總理:見一葉而知天下 女副市長咋被騙色騙財?
[博客]毛澤東為何成中國文化符號 男人居住北京11條理由
   無線·手機媒體
“G族看兩會 不是浮雲”“G族看兩會 不是浮雲”
“手機民意直寄總理”“手機民意直寄總理”
人民網