朱諾號(hào)的首要科學(xué)目標(biāo)，就是研究并理解木星的起源與進(jìn)化，從無(wú)線電信號(hào)特征層面反演木星重力場(chǎng)和大氣等重要信息。

深空測(cè)控鏈路上的無(wú)線電信號(hào)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(wú)線電科學(xué)探測(cè)關(guān)注的重點(diǎn)。

近日有媒體報(bào)道稱，中國(guó)科學(xué)家通過(guò)捕獲美國(guó)“朱諾號(hào)”(Juno)木星探測(cè)器發(fā)回地球的無(wú)線電信號(hào)，成功確定了其多普勒頻移，并由此確定了其軌道;開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，是為了測(cè)試深空地面控制站能力，以支持中國(guó)未來(lái)將開(kāi)展的行星際探測(cè)任務(wù)。

上述針對(duì)“朱諾號(hào)”的跟蹤測(cè)量試驗(yàn)是如何開(kāi)展的?行星無(wú)線電科學(xué)探測(cè)可以幫助解答哪些科學(xué)問(wèn)題?未來(lái)有哪些應(yīng)用的方向?科技日?qǐng)?bào)記者采訪了參與相關(guān)探索試驗(yàn)的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松。

緊盯“朱諾號(hào)” 開(kāi)展開(kāi)環(huán)跟蹤測(cè)量

“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器是美國(guó)國(guó)家航空航天局“新疆界計(jì)劃”實(shí)施的第二個(gè)探測(cè)項(xiàng)目。2011年8月5日，“朱諾號(hào)”從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角升空，于2016年7月6日到達(dá)木星捕獲軌道，其首要科學(xué)目標(biāo)是研究并理解木星的起源與進(jìn)化。

行星無(wú)線電科學(xué)載荷是“朱諾號(hào)”搭載的29類科學(xué)載荷中的重要一項(xiàng)，其主要通過(guò)1個(gè)直徑為2.5米的高增益天線與地面進(jìn)行無(wú)線電測(cè)量與通信，從無(wú)線電信號(hào)特征層面反演木星重力場(chǎng)和大氣等。

“‘朱諾號(hào)’會(huì)不斷地向地面?zhèn)骰責(zé)o線電信號(hào)，科學(xué)家可以像觀測(cè)自然天體射電輻射那樣進(jìn)行地面被動(dòng)測(cè)量。然而由于地木之間距離非常遙遠(yuǎn)，信號(hào)十分微弱，想要及時(shí)準(zhǔn)確捕捉到相關(guān)信號(hào)，對(duì)深空站而言是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”平勁松介紹道。

據(jù)悉，我國(guó)深空網(wǎng)于2012年初步建成，佳木斯深空站、喀什深空站投入運(yùn)行，重點(diǎn)支持了嫦娥三號(hào)、再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)等深空探測(cè)任務(wù)。為驗(yàn)證我國(guó)深空網(wǎng)的跟蹤測(cè)量能力，并獲取行星無(wú)線電測(cè)量數(shù)據(jù)，2016年10月至2017年8月期間，北京航天飛行控制中心聯(lián)合佳木斯、喀什深空站對(duì)木星探測(cè)器“朱諾號(hào)”進(jìn)行了開(kāi)環(huán)測(cè)量試驗(yàn)。

跟蹤“朱諾號(hào)”要做哪些“功課”?平勁松介紹道，基于地面的深空站要對(duì)“朱諾號(hào)”探測(cè)器進(jìn)行跟蹤，首先要準(zhǔn)確掌握“朱諾號(hào)”下行信號(hào)的頻點(diǎn)分布，以及下行信號(hào)到達(dá)地面天線接收機(jī)端的功率;同時(shí)，還要確定“朱諾號(hào)”下行發(fā)送信號(hào)的時(shí)刻、時(shí)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(shí)間，對(duì)跟蹤天線進(jìn)行沿著對(duì)木星的視線方向逆向精密指向引導(dǎo)也非常關(guān)鍵。

“基于以上觀測(cè)必備條件，深空站成功開(kāi)展了多次對(duì)‘朱諾號(hào)’跟蹤與測(cè)量。這次測(cè)量試驗(yàn)是中國(guó)深空站在地木距離上首次對(duì)深空探測(cè)器成功開(kāi)展開(kāi)環(huán)跟蹤測(cè)量。”平勁松指出。

無(wú)線電探測(cè) 解開(kāi)更多行星謎團(tuán)

開(kāi)展行星無(wú)線電科學(xué)探測(cè)，可以幫助解答哪些科學(xué)問(wèn)題?

深空測(cè)控鏈路上的無(wú)線電信號(hào)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(wú)線電科學(xué)探測(cè)關(guān)注的重點(diǎn)。

“通過(guò)有效地分析這些數(shù)據(jù)，可以研究行星及它們衛(wèi)星的大氣和電離層的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、行星環(huán)、彗星跡，同時(shí)也可以精密測(cè)量行星重力場(chǎng)和行星歷表，監(jiān)視太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)活動(dòng)，并用來(lái)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論，如探測(cè)引力波和引力紅移等。”平勁松介紹道。

事實(shí)上，在50多年的太陽(yáng)系探測(cè)歷程中，大量的行星科學(xué)探測(cè)成果并非來(lái)自于探測(cè)器搭載的“科學(xué)”載荷，而是來(lái)自于無(wú)線電測(cè)控和通信鏈路。月球與深空探測(cè)任務(wù)中，有相當(dāng)一部分的科學(xué)探測(cè)來(lái)自于星—地鏈路的高精度測(cè)量。

談及行星無(wú)線電科學(xué)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方向，平勁松介紹，我國(guó)深空測(cè)控與科學(xué)研究聯(lián)合團(tuán)隊(duì)自嫦娥一號(hào)繞月探測(cè)任務(wù)以來(lái)，自發(fā)形成了該方向的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)技術(shù)從無(wú)到有的發(fā)展，優(yōu)化了月球長(zhǎng)波重力場(chǎng)模型并發(fā)現(xiàn)月球內(nèi)部依然活躍;使用地面射電天線探測(cè)了火星電離層季節(jié)變化特性;以及精密測(cè)量了冥王星和衛(wèi)星的質(zhì)量與密度。

他進(jìn)一步指出，在我國(guó)現(xiàn)有的月球、行星探測(cè)計(jì)劃中，可以使用這類方法開(kāi)展包括月球與行星重力場(chǎng)與內(nèi)構(gòu)造、自轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)、大氣電離層的探測(cè)，以及開(kāi)展引力理論的驗(yàn)證探測(cè)工作，包括測(cè)量高精度的萬(wàn)有引力常數(shù)、廣義相對(duì)論參數(shù)，驗(yàn)證等效原理等。此外，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)測(cè)控鏈路，還有機(jī)會(huì)在射電波段開(kāi)展空間低頻引力波的探測(cè)。

關(guān)鍵詞： 朱諾號(hào) 行星探測(cè) 新方法