跟踪“朱诺号” 寻找行星探测新方法

朱诺号的首要科学目标，就是研究并理解木星的起源与进化，从无线电信号特征层面反演木星重力场和大气等重要信息。

深空测控链路上的无线电信号从航天器传播到地球上，被地面接收站接收，其路径上的相位、频率、幅度和极化特性的微小变化，是行星无线电科学探测关注的重点。（本版图片来源于 NASA）

　　近日有媒体报道称，中国科学家通过捕获美国“朱诺号”（Juno）木星探测器发回地球的无线电信号，成功确定了其多普勒频移，并由此确定了其轨道；开展相关试验，是为了测试深空地面控制站能力，以支持中国未来将开展的行星际探测任务。

　　上述针对“朱诺号”的跟踪测量试验是如何开展的？行星无线电科学探测可以帮助解答哪些科学问题？未来有哪些应用的方向？科技日报记者采访了参与相关探索试验的中国科学院国家天文台研究员平劲松。

　　紧盯“朱诺号” 开展开环跟踪测量

　　“朱诺号”木星探测器是美国国家航空航天局“新疆界计划”实施的第二个探测项目。2011 年 8 月 5 日，“朱诺号”从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角升空，于 2016 年 7 月 6 日到达木星捕获轨道，其首要科学目标是研究并理解木星的起源与进化。

　　行星无线电科学载荷是“朱诺号”搭载的 29 类科学载荷中的重要一项，其主要通过 1 个直径为 2.5 米的高增益天线与地面进行无线电测量与通信，从无线电信号特征层面反演木星重力场和大气等。

　　“‘朱诺号’会不断地向地面传回无线电信号，科学家可以像观测自然天体射电辐射那样进行地面被动测量。然而由于地木之间距离非常遥远，信号十分微弱，想要及时准确捕捉到相关信号，对深空站而言是一项很有挑战性的任务。”平劲松介绍道。

　　据悉，我国深空网于 2012 年初步建成，佳木斯深空站、喀什深空站投入运行，重点支持了嫦娥三号、再入返回飞行试验任务等深空探测任务。为验证我国深空网的跟踪测量能力，并获取行星无线电测量数据，2016 年 10 月至 2017 年 8 月期间，北京航天飞行控制中心联合佳木斯、喀什深空站对木星探测器“朱诺号”进行了开环测量试验。

　　跟踪“朱诺号”要做哪些“功课”？平劲松介绍道，基于地面的深空站要对“朱诺号”探测器进行跟踪，首先要准确掌握“朱诺号”下行信号的频点分布，以及下行信号到达地面天线接收机端的功率；同时，还要确定“朱诺号”下行发送信号的时刻、时段；此外，基于不同的策略，考虑木星—地球距离上电磁波传输时间，对跟踪天线进行沿着对木星的视线方向逆向精密指向引导也非常关键。

　　“基于以上观测必备条件，深空站成功开展了多次对‘朱诺号’跟踪与测量。这次测量试验是中国深空站在地木距离上首次对深空探测器成功开展开环跟踪测量。”平劲松指出。

　　无线电探测 解开更多行星谜团

　　开展行星无线电科学探测，可以帮助解答哪些科学问题？

　　深空测控链路上的无线电信号从航天器传播到地球上，被地面接收站接收，其路径上的相位、频率、幅度和极化特性的微小变化，是行星无线电科学探测关注的重点。

　　“通过有效地分析这些数据，可以研究行星及它们卫星的大气和电离层的结构、质量、行星环、彗星迹，同时也可以精密测量行星重力场和行星历表，监视太阳风、行星际磁场活动，并用来检验广义相对论，如探测引力波和引力红移等。”平劲松介绍道。

　　事实上，在 50 多年的太阳系探测历程中，大量的行星科学探测成果并非来自于探测器搭载的“科学”载荷，而是来自于无线电测控和通信链路。月球与深空探测任务中，有相当一部分的科学探测来自于星—地链路的高精度测量。

　　谈及行星无线电科学探测技术的应用方向，平劲松介绍，我国深空测控与科学研究联合团队自嫦娥一号绕月探测任务以来，自发形成了该方向的联合研究团队，并实现了探测技术从无到有的发展，优化了月球长波重力场模型并发现月球内部依然活跃；使用地面射电天线探测了火星电离层季节变化特性；以及精密测量了冥王星和卫星的质量与密度。

　　他进一步指出，在我国现有的月球、行星探测计划中，可以使用这类方法开展包括月球与行星重力场与内构造、自转动力学、大气电离层的探测，以及开展引力理论的验证探测工作，包括测量高精度的万有引力常数、广义相对论参数，验证等效原理等。此外，通过合理地设计测控链路，还有机会在射电波段开展空间低频引力波的探测。