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《自然-通讯》发布嫦娥四号科研成果:重构着陆轨迹,精准定位着陆点
发布时间: 2019-09-26 字体:

  中国嫦娥四号科研团队于本周在《自然-通讯》发表一篇题为《Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside》论文,精确定位了“嫦娥四号”的着陆位置,并对“嫦娥四号”的落月过程进行了重构。今年1月,嫦娥四号探测器成功登陆月球背面,开启人类历史上的首次月背之旅。嫦娥四号着陆过程中经历了一段惊险的避障飞行,多次调整姿态和轨迹,才确定最终着陆点。依据嫦娥四号回传的影像等资料,科学家重构了嫦娥四号的着陆过程,并精确定位了嫦娥四号的着陆位置。


  嫦娥四号精确着陆位置首次公开


  2019年1月3日,经过20多天的地月转移、近月制动、环月飞行,嫦娥四号探测器最终在月球背面的冯·卡门撞击坑内成功实现软着陆。整个着陆过程没有来自地球的无线测控和遥测数据,全部依靠自主控制。这使得嫦娥四号的着陆轨迹很难确定。但可以通过基于着陆图像的定位技术得到解决。降落相机在嫦娥四号降落期间开机,为不同时段、不同高度的降落区域拍摄了多张高频序列图像,完整记录了嫦娥四号的着陆过程。在嫦娥四号成功着陆后,这些图像通过鹊桥号中继卫星传回地球。依据其中的180张图像、玉兔二号导航相机拍摄的图像及此前嫦娥二号数字高程模型和正射影像图积累的地形数据,研究团队精确定位了嫦娥四号的着陆位置:月球东经177.5991°,南纬45.4446°,高程为负5935米。


  这些图像数据的成像方式不同,分辨率也有所差异。研究团队解决了不同图像的联合处理问题,得以实现着陆位置的精确定位。


  基于着陆图像重构嫦娥四号着陆轨迹


  嫦娥四号整个动力下降阶段具体包括主制动段、姿态调整段、垂直下降段、悬停和避险段、缓慢下降段五个阶段。着陆精度要求很高,一旦失误就将“失之毫厘谬以千里”。嫦娥四号的7500牛变推力发动机为动力下降阶段的有效减速提供了关键支撑。基于姿态调整阶段后的垂直姿态序列图像,研究团队利用摄影测量光束平差技术,重构了嫦娥四号的着陆轨迹。


  重构轨迹显示,嫦娥四号到达距离月面5635米的高度时,以85米/秒的速度垂直下降,逐渐接近着陆区。向4130米的高度降落时,嫦娥四号向北移动77米,穿过了一个直径约为200米的撞击坑。到达4130米的高度后,它减速至51米/秒,并继续调整轨迹。下降到1495米的高度时,嫦娥四号的轨迹开始向西北方向调整。西北面有一些直径约为70-100米的小撞击坑,整体地势比较平坦。期间,嫦娥四号向西北方向移动了44米,下降到距离月面99米的高度。此时,嫦娥四号进入悬停和避险状态。为了越过障碍,大约13秒后,嫦娥四号向西南方向移动了12米,穿过直径为25米的撞击坑。距离月面30米时,嫦娥四号缓慢垂直下降,最终安全着陆。整个降落过程持续了大约12分钟。


  最终着陆点被五个撞击坑所包围


  2013年,中国首个无人月球探测器嫦娥三号成功登陆月球。与嫦娥三号形成明显区别的是,嫦娥四号的着陆过程要曲折得多。嫦娥三号的着陆点位于月球正面的雨海盆地北部,最低点飞行轨迹约长450公里。这一路的地形相对平缓,最大高程变化约为800米。嫦娥四号最低点飞行轨迹同样约长450公里,但是着陆区域在月球最大、最古老的的环形山南极-艾特肯盆地内,地形起伏相当剧烈。它先后飞过了高地中的凹坑、凹坑中的高地,期间的最大高程变化约为6000米。


  在距离月面8-6公里的高度范围内,嫦娥四号进行了快速的姿态调整,并校正了飞行偏差,确保安全着陆。研究结果证实,嫦娥四号最终是在一个退化撞击坑的缓坡上着陆。北边有一个直径为25米的撞击坑,嫦娥四号距其边缘仅8.35米。同时,嫦娥四号还被五个直径约为10-25米、深度约为1-3米的撞击坑所包围。


  如今,嫦娥四号的着陆地点已被命名为“天河基地”。9月23日,嫦娥四号和玉兔二号安全度过了长达14天的月夜极低温环境,成功自主“唤醒”,开始进入第十个月昼工作期。论文称,着陆轨迹等研究结果将为研究月球背面的控制点、高精度月球测绘以及随后的月球探测提供测量数据,也为将来航天器在太阳系内的自主着陆(比如在小行星表面着陆)提供了参考依据。

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