“嫦娥4号”任务有效载荷系统设计与实现

"嫦娥4号"任务将首次实现人类在月球背面软着陆。通过分析任务特点,以多类型有效载荷配置为背景,介绍了以科学目标和探测任务为核心的有效载荷系统设计思路和实现方法。同时针对首次在深空探测领域搭载国际合作有效载荷项目情况进行了说明。"嫦娥4号"任务最重要的科学目标是利用月球背面洁净的电磁环境进行天文低频射电观测,因此分别在着陆器和中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰研制的低频探测仪。科学探测的太阳爆发产生的低频电场信号极其微弱,如何消除着陆器和中继星上其他电子设备发射的近场噪声对远场探测信号的干扰就成了本次任务的最大难点。在相关研制单位的多方努力下,通过优化接收天线设计和地面数据处理算法等多种手段,实现了低频探测信号不低于30 d B的噪声抑制性能,具备了实现科学目标的能力。     

宇宙黑暗时代探路者——鸿蒙计划

低频射电探测任务构想——鸿蒙计划旨在利用多颗卫星绕月编队形成超长波天文观测阵列,在月球背面开展空间低频射电天文探测。其科学目标是高精度测量全天射电频谱,揭示宇宙黑暗时代与黎明的演化历史;实现首次高分辨率超长波巡天,打开最后一个电磁窗口;观测太阳和行星超长波活动,揭示空间环境相互作用规律。该任务将获得超长波频段全天空图像,获取超长波波段天文射电源的强度、频谱、分布等信息。这些科学数据对于探索宇宙黑暗时代和黎明时代、研究银河系星际介质、宇宙线起源与传播、河外射电星系、类星体和星系团的演化、太阳活动与行星磁场等,具有重要的科学价值。     

启动,月背科学探索——“嫦娥四号”关键科学载荷功能及研制亮点解读

<正>1月3日,"嫦娥四号"成功实现了月球背面软着陆。在月球这个不为人知的另一面,"嫦娥四号"将一一进行月基低频射电天文观测与研究、月球背面巡视区浅层结构探测与研究等,揭开月球背面的神秘面纱。而实现这些目标的关键,就是"嫦娥四号"上的核心器件——探测器有效载荷。     

嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置

嫦娥四号探测器由中继星、着陆器和巡视器组成.其科学目标为:月基低频射电天文观测研究，月球背面巡视区浅层结构探测研究以及月球背面巡视区形貌与矿物组分探测研究.共配置6台有效载荷设备，其中3台载荷设备配置在着陆器上，分别为降落相机、地形地貌相机和低频射电谱仪，其余3台配置在巡视器上，分别为全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪.本文主要论述了嫦娥四号任务的科学目标、着陆区概况、有效载荷配置及系统设计、各有效载荷任务和主要技术指标等.      

行星低频射电爆发的空间探测进展

在低频电磁波频带,部分行星类天体不仅存在热辐射,还存在非热的爆发辐射。其中代表性的非热辐射是行星极光射电辐射爆发,包括千米波爆发、木星百米波爆发及10米波爆发。人类对太阳系的这些射电爆发已经开展了数十年的地面和空间探测,这些探测方法可以作为遥感手段拓展用于对木星磁场及其内部构造的探测。然而,关于行星射电爆发及其变化特性和机理尚未得到完全揭示,还有许多待解之谜。太阳系外其它行星系统极可能发生类似木星的低频射电爆发。随着空间探测技术的发展,射电天文学领域在低频波段的观测能力延展覆盖到了千米、10千米波长的电磁波。未来在空间采用大型低频射电阵列有可能在揭示行星爆发机理和探测系外行星方面做出贡献。已实施的"嫦娥四号"月球探测任务携带的低频射电探测设备,作为探路者有机会在地球和木星射电爆发探测方面进行探索,获得数据并积累更多的经验。     

太阳微波爆发动态频谱仪

介绍了北京天文台已投入观测的１．０－２．０ＧＨｚ,２．６－３．８ＧＨｚ太阳射电频谱仪及１９９９年投入观测的５．２－７．６ＧＨｚ太阳射电频谱仪。它们是第２３周太阳活动峰年我国太阳物理界的重要观测设备。已投入观测的频谱仪获得不同类型的太阳射电爆发资料分别为１７１个和１４６个,这些事件在时间和频率上有丰富的幅度和结构的变化。     

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

基于空间矢量天线的太阳低频射电爆发探测研究

目前已有空间探测器对太阳的甚低频射电爆发进行的探测主要是频谱观测,针对太阳低频射电爆发的成像观测仍然是空白,利用空间矢量天线可以对太阳低频射电爆发(包括Ⅱ型和Ⅲ型暴)进行空间定位和一定的成像观测。研究针对空间(甚)低频射电探测器对太阳射电爆发的探测,提出了利用三极子矢量天线对太阳爆发进行定位的算法;基于部分空间甚低频设备的观测数据,在不同条件下对算法进行了仿真,同时针对"嫦娥四号"上的甚低频射电探测器(同样采用了三极子矢量天线),分析了其探测太阳低频射电爆发的能力。结果表明:当信号的信噪比达到10 dB以上时,矢量天线可以实现度量级的定位精度,并进一步分析了空间低频探测器探测太阳低频射电爆发的能力。     

短消息

正嫦娥四号国际载荷科学数据交接仪式在京举行4月18日,国家航天局在北京组织召开嫦娥四号国际载荷科学数据交接暨月球与深空探测合作机会公告发布仪式。国家航天局局长张克俭向瑞典、德国、荷兰分别移交了中性原子探测仪数据、中子及辐射剂量探测仪数据、低频射电频谱仪数据。探月与航天     

月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务

月球背面能够有效屏蔽来自地球并同时遮挡来自太阳的射电信号干扰,拥有太阳系中近乎最安静的电磁环境,是开展空间超长波天文观测的最佳选择区域。在立足完成空间干涉实验的基本任务目标基础、并力争实现重大科学发现的研究思路基础上,研制并发射两颗微卫星,搭载"嫦娥4号"任务进入地月转移轨道,自主完成地月转移、近月制动,在有效燃料约束下形成环月大椭圆轨道编队,构建环月超长波天文干涉仪。说明了系统的工作模式,对数据处理与科学分析方法进行了论述,包括数据预处理、干涉成像与全天功率谱获取角度,进而从支持服务模块和科学载荷模型两个方面对微卫星方案进行了简要概述,凝练了项目任务解决的关键科学与技术问题。月球轨道编队超长波天文观测微卫星的实施将通过全球首个绕月近距编队飞行系统,构建全球首个星–星干涉射电天文观测系统,进而打开人类认识宇宙的新窗口。     

基于卷积盲分离的强干扰下通信信号分离算法

针对目前通信辐射源个体识别算法在实际试验中由于各类干扰信号和多径衰落导致识别率较低的问题,提出一种用于识别算法前端的信号分离算法,可有效地减少其他电磁信号对于识别算法输入信号的影响,从而提高在复杂电磁环境中通信辐射源个体识别的正确识别率。该算法将灾变策略和搜索状态的自适应引入量子粒子群算法,通过对混合信号的联合对角化从截获的观测信号中提取出目标通信辐射源的有用信号。为了更加系统、直观地衡量算法的分离效果,提出分离熵来量化算法的整体性能。仿真结果表明,该分离算法可以把目标通信辐射源的有用信号从复杂电磁环境中提取出来,从而提高通信辐射源个体识别在复杂电磁环境中的正确识别率,具有较好的可行性和有效性。     

Very low frequency interferometry for the Chang’E-2 project

Very low frequency interferometry among two astronomical experiments has been proposed and accepted for further study for the second phase of China’s lunar exploration programme (the Chang’E Programme), which is envisaged to operate a lander and a rover on the surface of the moon. This experiment is an interferometer experiment in the very low frequency (VLF, f < 15 MHz) regime of radio frequencies with at least degree-level angular resolution. The goals include observing solar storm activities, Coronal Mass Ejections, Auroral Kilometric Radiation, and planetary radiation in the solar system, studying the origin of Cosmic Rays, spectral properties of pulsars, surveying ionized hydrogen in the Galaxy, and exploring coherent radio emissions.     

A roadmap towards a space-based radio telescope for ultra-low frequency radio astronomy

The past two decades have witnessed a renewed interest in low frequency radio astronomy, with a particular focus on frequencies above 30 MHz e.g., LOFAR (LOw Frequency ARray) in the Netherlands and its European extension ILT, the International LOFAR Telescope. However, at frequencies below 30 MHz, Earth-based observations are limited due to a combination of severe ionospheric distortions, almost full reflection of radio waves below 10 MHz, solar eruptions and the radio frequency interference (RFI) of human-made signals. Moreover, there are interesting scientific processes which naturally occur at these low frequencies. A space or Lunar-based ultra-low-frequency (also referred to as ultra-long-wavelength, ULW) radio array would suffer significantly less from these limitations and hence would open up the last, virtually unexplored frequency domain in the electromagnetic spectrum.A roadmap has been initiated by astronomers and researchers in the Netherlands to explore the opportunity of building a swarm of satellites to observe at the frequency band below 30 MHz. This roadmap dubbed Orbiting Low Frequency Antennas for Radio Astronomy (OLFAR), a space-based ultra-low frequency radio telescope that will explore the Universe’s so-called dark ages, map the interstellar medium, and study planetary and solar bursts in the solar system and search them in other planetary systems. Such a radio astronomy system will comprise of a swarm of hundreds to thousands of satellites, working together as a single aperture synthesis instrument deployed sufficiently far away from Earth to avoid terrestrial RFI. The OLFAR telescope is a novel and complex system, requiring yet to be proven engineering solutions. Therefore, a number of key technologies are still required to be developed and proven. The first step in this roadmap is the NCLE (Netherlands China Low Frequency Explorer) experiment, which was launched in May 2018 on the Chinese Chang’e 4 mission. The NCLE payload consists of a three monopole antenna system for low frequency observations, from which the first data stream is expected in the second half of 2019, which will provide important feedback for future science and technology opportunities.In this paper, the roadmap towards OLFAR, a brief overview of the science opportunities, and the technological and programmatic challenges of the mission are presented.     

射频接收机电磁敏感性行为级分析方法

提出一种基于简化Volterra级数模型的射频接收机电磁敏感性(EMS,Elec-tromagnetic Susceptibility)行为级仿真方法.利用3阶简化Volterra级数模型对接收机EMS进行分析,根据EMS频响特性,提出一种通用的EMS判据,并给出敏感度阈值仿真求解流程图.弥补了以往在接收机EMS分析时以试验为主,缺乏仿真分析的缺陷.以某双频GPS(GlobalPositioning System)接收机受连续波干扰为例,对带内和带外(包括镜频和互调)敏感度阈值进行求解.仿真结果表明该方法不仅有效、可行,而且减少了敏感度阈值求解所需的内存空间和仿真运行时间,适应于一般射频接收机的EMS分析,在工程技术领域切合实际.     

Difficulties in the study of cosmic radio noise absorption at 30 MHz using riometer at low latitude station,Kolhapur (Lat-16.8°N,Long-74.25°E)

A dual dipole antenna has been installed at low latitude station Kolhapur (Geographic 16.8°N, 74.25°E), Maharashtra, India for the study of cosmic radio noise absorption using Solid State Riometer (which operates at 30 MHz) during pre phase of 24th solar maxima. The aim for this type of study over Kolhapur was to know the response of lower (D region) ionosphere over low latitude by cosmic radio noise absorption using riometer technique during quite period as well as sudden ionospheric disturbances (SID). The observations are being taken for 3 years. Two different sites (∼40 km away from each other) were used for the installation of riometer equipment assuming minimum local noise. It is found that solar noise to cosmic radio noise hence resulting in signal saturation. The night time signal is relatively free of interference but sometimes local noise is responsible for spike-like signatures. Hence it is concluded that Kolhapur (a low latitude station) is not suitable for the study of cosmic radio noise absorption on 30 MHz with riometer and dual dipole antenna. Proper choice for operating frequency of riometer and antenna gain is suggested for low latitude use of this technique for ionospheric deviative and nondeviative absorption studies.     

太阳微波爆发频谱事件

国家天文台1.0-2.0GHz,2.6-3.8GHz太阳射电频谱仪从1994年1月和1996年9月投入观测至2000年4月10日记录到太阳射电爆发分别为297个和316个，取得了高质量的高时间分辨率，高频率分辨率的动态谱资料，为研究耀斑各种尺度的时间及空间演化过程提供了丰富的信息，1998年4月15日的共同事件在时间和频率上显示了丰富的幅度和结构的变化。     

南京地区斜向加热电离层效应数值模拟

与垂直加热相比，斜向加热电离层具有灵活性高、影响范围广和便于实际操作等优势.在非偏区考虑欧姆吸收，基于电子能量方程和连续性方程构建电波斜向加热低电离层的物理模型，并利用IRI-2007和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对南京地区斜向加热低电离层进行数值模拟，对比不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况.研究结果表明:电波加热效果随入射仰角和有效辐射功率的增大而增大；电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小；X波模比O波模造成的电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大，同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态；一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快达到稳定，后两者还能加快电子温度达到稳定的过程；电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化，仰角为62°时达到最大.