月球辐射测量基于观察中国寻找嫦娥着陆器VLBI-First洞察力

文摘

中国寻找嫦娥进行软着陆的平原窦铱在月球表面12月2013年成功;它打开一个新的窗口观察月球表面与放射跟踪许多月球科学研究人员一直追求的。2014年7月以来,OCEL (VLBI)观察寻找嫦娥着陆器与项目共同进行了静脉注射(VLBI服务国际大地测量学和天体测量学)和BACC(北京航天控制中心),全球研发网络增强静脉注射和两个中国空间站为OCEL配置。介绍了现状,初步结果OCEL和主要侧重于确定的着陆器的位置,约7米高和14米在月球表面面LRO(月球勘测轨道飞行器)。精度分析的基础上,进一步优化OCEL会议将使用这个临时目标,寻找嫦娥登月飞行器,只要它是有效的。高精确的放射可见,更多的潜在贡献,地球和月球科学结合LLR预计。

1。介绍

月亮一直是人类太空探索的主要对象,因为它有区别的最近的地球遥远的对象。以来第一个成功的飞船“月球2”到达月球表面由苏联在1959年超过100的任务已开展研究月球2]。1969年,阿波罗计划开始一个新时代为研究月球,月球轨道的确定参数等物理振动,内部结构,嫦娥动力学(3]。此后,LLR(月球激光测距)操作进行了阿波罗11号的反光镜阵列,14日和15日网站+法国制造反射镜在苏联月球自动车1和2。两个站点,麦当劳在美国和在法国格拉斯,进行最LLR [4];特别是,格拉斯网站甚至可以在一天时间做LLR在新月和满月的日子。LLR收集的数据大大促成了大科学领域(5- - - - - -7]。

LRM(月球辐射测量),包括范围、多普勒跟踪和VLBI(甚长基线干涉测量),另一种方法是在月球上进行的研究。基于测距的测量,LLR对大部分的动力学数据更为敏感,特别是月球的轨道运动。虽然地面VLBI数据有可能将月球运动惯性天球参考系(8]。事实上,VLBI测量无线电信标在月球表面存在了不到五年完全LLR几乎长达50年的历史。尽管许多建议和建议被吸引9,10),没有一个可以应用到中国寻找嫦娥探测器降落在平原上窦铱的月球表面12月 ,2013年。

在本文中,我们将给出一个介绍和初步分析,第一个与中国LRM寻找嫦娥着陆器。本文的组织结构如下:部分2给人回顾历史上LRM;引入OCEL (VLBI)观察寻找嫦娥着陆器与项目节中给出3;部分4讨论了OCEL的初步结果;通过分析和讨论,给出了结论和建议部分5。

2。LRM历史上

第一个月球探测器地面辐射测量可以召回近50年前,阿波罗时代(16]。国家航空和宇宙航行局(NASA)设计并推出了阿波罗计划人类在月球上的土地,使他们安全返回地球17]。有五个成功的阿波罗任务,ALSEP(阿波罗月球表面实验包),设计不断监控每个阿波罗着陆地点的环境一段时间后的至少一年宇航员离开(18]。在一组科学仪器,两个研究小组进行了科学实验和放射发射机的阿波罗兰德斯。

2.1。ALSEP二重微分VLBI程序

MIT(麻省理工学院)研究小组观察到ALSEP s波段无线电发射机的VLBI改善ALSEPs的位置的确定和参数管理月亮对其质心的运动(19]。在ALSEP二重微分VLBI项目、新设备,DDR(差动多普勒接收机),安装在6站的NASA标准化(航天跟踪和数据网络)来支持项目20.]。

追踪站观测到至少两个五ALSEPs在每个扫描(图1)。双差观测两者的相对位置敏感ALSEP发射器,而对其他误差来源,如地球对流层对无线电信号的影响(21]。从1973年3月,该项目正式开展,第一科学基于观察的结果是在130天左右进行均匀分布在16个月期间。基于ALSEP二重微分VLBI项目的不确定性的相对坐标ALSEP发射机在径向30米和10米在横向平面上,不确定性和月球天平动参数的值小于该解决方案只有LLR数据(22]。

2.2。ALSEP-Quasar VLBI程序

ALSEP-Quasar VLBI的程序是由喷气推进实验室(喷气推进实验室)准确地将月球轨道到新的惯性类星体参考系(23]。该项目采用“4天线”技术(24),一个巨大的天线两端的基线观测类星体的引用,而较小的天线,紧靠着大盘子观察ALSEP(图2)。4天线技术的优点是,每个源没有歧义的微分干涉阶段实验获得的长度;然后,微分相位可以用来获得角距参考类星体和ALSEP发射器之间的月球表面。LLR精度相当,但更敏感的赤经和赤纬的范围(25]。

斯莱德(26,27结合LLR)进行协方差分析数据和19个△VLBI实验在37个月;19△VLBI实验限制1600激光测距的两倍的参数决定在同一时间跨度。然而,ALSEP 9月以来终止 ,1977年(28];然后,没有进一步报道LRM ALSEP公开发表。

3所示。OCEL项目

3.1。中国寻找嫦娥

中国寻找嫦娥(图3)软着陆月球表面是一个关键的石头CLEP(中国月球探测计划),即完美的完成第二阶段的CLEP [14,29日]。着陆器上的x波段发射机部署打开一个新窗口观察月球表面的辐射测量从地球。

与LRM在阿波罗时代相比,精度LLR从8分米的订单增加到不到2厘米(3,30.]。错误的坐标月球灯塔ALSEPs 14和15的另一方面是接近1 m, ALSEPs 12、16、17可能错误一样大30米(31日]。此外,在过去的几年中,太阴星历表已经提高了近3订单,和提高几个数量级的变化在月球自转了(32]。好像一个巨大的挑战,当代LRM月球科学研究中受益。

然而,寻找嫦娥探测器是一种理想的放射灯塔在月球表面是许多月球科学研究人员一直追求的机会。如果着陆器跟踪准确地从地球,降落飞船可以用足够的精度和定位将用于月球大地测量学(33]。最初,观察x波段寻找嫦娥着陆器发射机与VLBI可以把月球轨道ICRF准确(34]。关于ALSEP一个有趣的事实是,最初的提议,虽然没有采用,对应用VLBI在麻省理工学院研究月球是部署一个x波段宽带(50 mhz)噪声源信标,和科学目标包括确定月球质心的运动对银河系外的无线电来源(35]。此外,月球振动目前主要用LLR数据计算,例如,LLR数据从1970年到2007年被用于计算的喷气推进实验室DE421和振动,推断了2007年之后36]。横向平面阵更敏感,它可以校正三个欧拉角描述月球振动原理,特别是月亮中心的方向之间的夹角Equinox和交叉线的月球赤道和地球赤道(37,38]。此外,更准确的观察和足够的跟踪电弧通过实验进度,LRM数据可以结合LLR数据在地球和月球科学在很多方面,包括月球历,月球物理,和月球的内部(39]。

3.2。观察寻找嫦娥着陆器与静脉注射

OCEL的概念(VLBI)观察寻找嫦娥着陆器,首先介绍了静脉注射(VLBI服务国际大地测量学和天体测量学)2014年的大会。后观察提议共同起草的BACC波恩(北京航天控制中心)和静脉注射相关器中心静脉注射的OPC(观察项目委员会),OCEL iv级是由全球研发网络(包括网络与7到12个全球分布式静脉注射站)(图4)增强两个中国自2014年以来深空间站。历史上三个LRM项目比较表1。

在第一个3年观察OCEL(称为第一阶段),瑞典梅迪奇纳天文台负责安排文件,△金龟子[40采用]模式,天线跟踪探测器和紧凑的银河系外的类星体或者参考。为了减少对其它常规大地测量观测的影响,OCEL观测计划内静脉注射研发会议。一般的调度策略主要采用交替观察块30分钟长度、观测计划,大地测量观测或OCEL每半小时(41]。作为策略的频率设置,我们安排参考类星体和衰减变化在不同会话系统来计算最优OCEL观测系统的特点。OCEL的第一阶段在2016年底完成,完全12观察会话进行了成功(表2)。在会话rd1601 (OCEL09)作为一个例子,图5显示了类星体用于校准和天空站梅迪奇纳的阴谋计划文件。

4所示。初步结果和讨论

4.1。处理策略

二元同步通信(BACC软件相关器系统)是采用数据相关性和边缘拟合BACC [42]。静脉注射波恩相关器中心部署DiFX [43)和CALC11计算近场目标的先验性模型。标准的边缘拟合程序与大地连接使用相关器是啤酒花(干草堆天文台处理软件)组件“fourfit”[44),一个刷新版本“fourfit-DOR”开发扩展“fourfit”的边缘拟合的算法,以便处理DiFX相关输出的金龟子音调(45]。

△金龟子定理和应用广泛的讨论15,46];OCEL,大地测量观测不同系统的频率改变每半小时,和信道参数的变化引起的延迟补偿。每一块与连续扫描(通常半小时)在一个会话单独校准,以及气象数据记录在跟踪站是用于提高先验性大气延迟的准确性。与参考类星体校准后,可观察到的着陆器的用于分析。

4.2。定位

放射信标的定位是科学分析的基础。估计参数的理论依据与可见的加权最小二乘拟合是广泛讨论并通过了47),和国家的偏导数矩阵的元素阵详细分析(11,48]。

作为VLBI观测径向不敏感(类似于轴),两种策略诱导使结果更加稳定和可靠。一个近似方法是,着陆地点的面积与可靠的高度信息被视为平坦,然后self-constrain策略是诱导(36]。 在哪里 , , 的三维坐标是着陆器和吗 , , 是默认的坐标值从月球勘测轨道飞行器(月球勘测轨道飞行器)。另一个更可靠的方法是UXB(统一的x波段)可见的总和。在我们的分析中,一小时的双向测距观测从喀什深空间站结合可见OCEL定位。原因是测距跟踪进行不断在寻找嫦娥软着陆,在EDL(条目像样的着陆)和第一个小时后降落在月球表面,测距系统误差是稳定在整个跟踪弧线。圆形轨道的轨道计算精度优于20米,和准确性在径向的顺序表(比5米)48),这可能会抑制测距精度比5米删除了系统误差。此外,定位结果LRO的戈达德宇航中心(戈达德太空飞行中心)被视为一个默认值(12]。表3显示了登月舱的校正坐标原则上轴与不同的解决策略。

结果是与其他出版的结果相比,表中列出4。一致性通过远程图像匹配定位结果的影响的基本参考图像,可以发现,文献[13从LRO /]有点不同49]/ [50),作为参考图像由嫦娥二号了。

图6显示定位结果与最大测距系统误差(5米)的存在。高度大约3.46不同测距系统误差造成的,而切平面上月球表面大约是3.04米(图6)。定位结果的差异从LRO身高约7.2米,飞机在月球表面约14米。

4.3。数据流程分析

精度分析的△金龟子文献所示(51]。OCEL在第一阶段,大部分时间里是第一次观察到静脉注射的射电望远镜为微弱信号的观察设置几乎完全自然的无线电来源,所以调整频道频率和带宽参数设置有时被进行在整个OCEL阶段。基于我们的分析,主要来源的准确性可能恶化在OCEL分为三大类。

的信号强度对比参考类星体和月球着陆器接收系统可能是一个挑战。虽然更高功率信号的探测器不饱和的VLBI-systems调整衰减与自动增益控制或有经验值,相位抵消可能存在于一个交替扫描模式对一些电台(图7)。

会恶化的相位差群延迟精度如果不能适当补偿,所以站没有PCAL(校准仪阶段)和会话中PCAL不积极不可靠的可观测分析。

在OCEL,大地测量观测用半小时的时间间隔内进行每个会话。大地测量观测的前十会话进行频率设置用于常规IVS-sessions,它不同于月球观察。通道的变化频率设置引起的延迟补偿在一些基线(图8)。

系统补偿限制跟踪电弧的长度参考类星体用于参数估计,如时钟偏移、时钟漂移,和残余对流层延迟,包括干和湿组件。在参考类星体的情况下较低的信噪比在半小时短弧,从参考类星体的可靠性参数估计变得更低,这将恶化着陆器可观测的准确性。

此外,参考类星体的信噪比也可以通过残余影响探测器的准确性可观测的系统延迟校准。在OCEL,张成带宽小于40 mhz,相比之下,720 mhz的x波段静脉注射一般会话;一个保守的角灵敏度差了近20倍。更高的信噪比将受益参考类星体和精度也将改善月球着陆器可见通过△金龟子。统计数据显示,可观测的随机误差约在OCEL ns。图9显示了x波段参考类星体OCEL09所有基线的信噪比,计算使用以下方程: 在哪里的频率通道用于带宽合成和平均频率。

基于实验精度分析,以提高对嫦娥的贡献的科学主题需要位置精度优于1米(39),处理和观察模式优化策略。未来的方案正在研究之一。在这种情况下,网站有两个大地天线或更多将参与观察,如Wettzell Hartrao,霍巴特,天线所观察到的着陆器,而另一个天线所观察到的一个小angular-separated类星体通量较强。首先,相位延迟可观测的预计,这将提高延迟可观察到的两个订单。其次,相位波动引起的频率标准可以被消除,如果两个天线共同微波激射器。第三,着陆器和参考类星体较小的分离角观察同时,时变误差可以尽可能地校准。最后但并非最不重要,长弧将采用调度系统参数标定中获益。

5。结论

观察月球表面和放射领域的跟踪一直是一个追求嫦娥阿波罗时代以来的科学。成功的寻找嫦娥软着陆近50年后使它成真。的第一阶段OCEL已经成功由静脉注射和BACC联合进行的。评估性能和能力的静脉注射大地跟踪站,相关性和数据简化算法也刷新了人造卫星信号,和初步定位结果可以在15米的大小一致的进行了分析和讨论。观察模式和优化处理策略,进一步OCEL会话将利用这一临时目标只要寻找嫦娥工作,预计地球和月球科学上取得进展。

数据可用性

原始OCEL数据可能是可用的批准下项目组织者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号61401014),德国研究基金会(与射电望远镜卫星观测链接引用系统),和中国奖学金委员会奖学金(201503170203)。作者要感谢所有的贡献者在OCEL,尤其是在静脉注射的同事跟踪。

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