北京時(shí)間9月24日23時(shí)，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)子刊《自然-通訊》(Nature Communications)在線(xiàn)發(fā)表了一篇來(lái)自中國科學(xué)家的成果：Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside。中國科學(xué)院國家天文臺副臺長(cháng)、月球與深空探測研究部主任李春來(lái)領(lǐng)導的“嫦娥四號”研究團隊，精確定位了“嫦娥四號”的著(zhù)陸位置，并對“嫦娥四號”的落月過(guò)程進(jìn)行了重建。

　　這一研究工作“為‘嫦娥四號’著(zhù)陸器和‘玉兔二號’月球車(chē)開(kāi)展科學(xué)探測提供了背景信息和位置基準”。論文第一作者、中國科學(xué)院國家天文臺研究員劉建軍對澎湃新聞?dòng)浾?www.thepaper.cn)表示，“嫦娥四號”著(zhù)陸器作為月面永久性標志，其位置的精確定位，可以作為月球背面的控制點(diǎn)，將是月球背面控制點(diǎn)研究、高精度月球測繪的基礎。“也將為我國未來(lái)深空探測任務(wù)提供技術(shù)支持”。

　　2019年1月3日，中國的“嫦娥四號”月球探測器在馮•卡門(mén)隕石坑(Von Kármán crater)著(zhù)陸，成為人類(lèi)歷史上首個(gè)著(zhù)陸于月球背面的無(wú)人探測器。

　　9月23日晚間，“嫦娥四號”著(zhù)陸器和“玉兔二號”月球車(chē)安全度過(guò)長(cháng)達14天的月夜極低溫環(huán)境后，分別受光照成功自主“喚醒”，進(jìn)入第十個(gè)月晝工作期。截至第九月晝期，“玉兔二號”月球車(chē)共行走284.661米?？蒲腥藛T則根據獲得的工程和科學(xué)數據持續開(kāi)展著(zhù)相關(guān)研究工作。

　　行星探測中關(guān)注的焦點(diǎn)之一：重建動(dòng)力下降軌跡

　　論文中提到，自2018年12月8日發(fā)射以來(lái)，“嫦娥四號”先后完成了從地球接近月球、繞月球軌道運行和動(dòng)力降落等多個(gè)階段。其中，動(dòng)力下降階段是軟著(zhù)陸、實(shí)現安全落月的重要階段，是在完全自主控制下實(shí)現的。

　　根據軌道設計，“嫦娥四號”動(dòng)力下降段減速采用7500N變推力發(fā)動(dòng)機，該階段包括主制動(dòng)、姿態(tài)調整、垂直下降、懸停、避障、慢下降等階段。

　　此前的1月3日10時(shí)15分，“嫦娥四號”探測器從距離月面15公里處開(kāi)始實(shí)施動(dòng)力下降，7500N變推力發(fā)動(dòng)機開(kāi)機，逐步將探測器的速度從相對月球1.7公里每秒降到零。在6-8公里處，探測器進(jìn)行快速姿態(tài)調整，不斷接近月球;在距月面100米處開(kāi)始懸停，對障礙物和坡度進(jìn)行識別，并自主避障;選定相對平坦的區域后，開(kāi)始緩速垂直下降。約690秒后，“嫦娥四號”探測器自主著(zhù)陸在月球背面最大、最深、最古老的南極-艾特肯盆地(South Pole-Aitken)內的馮·卡門(mén)撞擊坑內。

　　劉建軍表示，“月面軟著(zhù)陸動(dòng)力下降段是一個(gè)復雜的過(guò)程，歷時(shí)短，速度變化快，難以通過(guò)地面實(shí)時(shí)控制，通常只能利用探測器自身攜帶的敏感器進(jìn)行自主測量和控制。”

　　研究團隊提到，為了掌握探測器自主控制的效果，建立任務(wù)規劃和科學(xué)探測的位置基準，重建探測器動(dòng)力下降段軌跡和精確確定著(zhù)陸點(diǎn)位置具有重要的工程和科學(xué)意義，一直是行星探測中關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

　　一般而言，行星表面軟著(zhù)陸軌跡重構和著(zhù)陸點(diǎn)位置定位，通常采用無(wú)線(xiàn)電測量、遙測數據分析等方法。

　　然而，這些方法對此次的研究并不適用。劉建軍解釋?zhuān)瑢τ?ldquo;嫦娥四號”著(zhù)陸器，由于是在月球背面進(jìn)行軟著(zhù)陸，受月球遮擋的影響，地面設備無(wú)法進(jìn)行跟蹤實(shí)現對月球背面軟著(zhù)陸探測器的直接無(wú)線(xiàn)電測量;同時(shí)，由于“鵲橋”中繼星和著(zhù)陸器上未配置無(wú)線(xiàn)電測量設備，也無(wú)法進(jìn)行間接測量。另一方面，利用中繼星回傳的探測器高度、加速度和姿態(tài)等的遙測數據又非常有限。

　　因此，精確重構“嫦娥四號”探測器下降軌跡和著(zhù)陸點(diǎn)精確定位變得非常困難。

　　精細重構自主導航降落過(guò)程

　　論文中提到，上述這些問(wèn)題可以通過(guò)基于著(zhù)陸相機影像的定位技術(shù)得到有效解決，這將不受月球重力場(chǎng)、動(dòng)力學(xué)模型等因素的影響。劉建軍稱(chēng)，“這是解決月球背面軟著(zhù)陸軌跡重構和著(zhù)陸點(diǎn)精確定位的一種有效途徑。”

　　研究團隊利用“鵲橋”安全著(zhù)陸后傳輸的高頻著(zhù)陸序列圖像，對“嫦娥四號”進(jìn)行下降軌跡重建和著(zhù)陸點(diǎn)定位，完整記錄了動(dòng)力下降的全過(guò)程。

“嫦娥四號”從6000米高度到月面的下降軌跡。

　　研究團隊采用“嫦娥二號”(CE2TMAP2015)的數字正射影像圖(DOM)和數字高程模型(DEM)作為地理參考數據。采用“嫦娥四號”著(zhù)陸相機(LCAM)序列圖像，重建“嫦娥四號”動(dòng)力下降軌跡。

“嫦娥四號”著(zhù)陸點(diǎn)。

　　隨后，研究團隊利用由兩臺攝像機組成的導航攝像機(NCAM)獲取的雙目立體圖像，精確計算出“嫦娥四號”的著(zhù)陸點(diǎn)為東經(jīng)177.5991°，南緯45.4446°，高程-5935米。該著(zhù)陸點(diǎn)位于一個(gè)退化撞擊坑的緩坡上，距離北邊一個(gè)直徑25米的撞擊坑邊緣很近，且著(zhù)陸點(diǎn)周?chē)灿形鍌€(gè)撞擊坑。

　　對于這項最新的研究，劉建軍認為研究亮點(diǎn)在于，“利用中國自主獲取的多源影像數據(包括‘嫦娥二號’月球軌道的遙感影像、‘嫦娥四號’降落相機影像和月球車(chē)導航相機影像)開(kāi)展的研究，解決了不同分辨率、不成像方式多源影像的聯(lián)合處理和定位問(wèn)題”。

　　此外，該研究精細重構了“嫦娥四號”在月球背面粗避障、精避障等自主導航降落過(guò)程，再現了著(zhù)陸器下降過(guò)程每秒的位置和姿態(tài)。同時(shí)，實(shí)現了探測器的精準定位，相對位置精度達到m級水平。

　　先后發(fā)布共計99.9GB科學(xué)探測數據

　　2018年5月，中國發(fā)射了“鵲橋”中繼衛星，該衛星是一顆服務(wù)“嫦娥四號”的地月間通信衛星，為隨后的月球背面探測和采樣返回鋪平道路。2019年1月3日，“嫦娥四號”在南極-艾特肯盆地著(zhù)陸，成為人類(lèi)歷史上首個(gè)著(zhù)陸于月球背面的無(wú)人探測器。

　　“嫦娥四號”任務(wù)首次實(shí)現了人類(lèi)在月球背面軟著(zhù)陸，任務(wù)探測器由中繼星、著(zhù)陸器和巡視器組成。兩器一星上共配置了6臺國內研制科學(xué)載荷和3臺國際合作科學(xué)載荷，開(kāi)展以低頻射電天文觀(guān)測、巡視區形貌、礦物組份及淺層結構為主的科學(xué)探測。

　　除此番公開(kāi)發(fā)表的學(xué)術(shù)成果外，此前的5月16日，“嫦娥四號”研究團隊已在《自然》發(fā)表了一篇研究成果，科學(xué)家利用可視-近紅外成像光譜儀(VINS)的光譜初始觀(guān)測結果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源于月球地幔。這也是人類(lèi)首份月球背面幔源物質(zhì)初步證據。

　　劉建軍向澎湃新聞?dòng)浾呓榻B，“嫦娥四號”著(zhù)陸器和“玉兔二號”巡視器已完成第九月晝科學(xué)探測工作，9月23日探測器進(jìn)入第十個(gè)月晝工作期。

　　截至目前，“嫦娥四號”工程地面應用系統已向科學(xué)研究核心團隊先后發(fā)布了八批科學(xué)探測數據，數據量共計99.9GB。

　　劉建軍表示，“后續將進(jìn)一步開(kāi)展著(zhù)陸區光譜和雷達探測，深入研究該區域的物質(zhì)成分和月表淺層結構;積累月球背面低頻射電、月表中子及輻射劑量和月表中性原子等測量數據，開(kāi)展月球科學(xué)研究”。
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