张巧玲

 

经过十几天的旅行，嫦娥一号卫星终于顺利进入环绕月球的工作轨道，卫星上的各种科学探测仪器陆续开机，对月球开展综合探测。嫦娥一号继续牵动着国人的心。

 

11月26日，嫦娥一号不负众望，我国首次月球探测工程的第一幅月面图像终于问世。让人疑惑的是，在距离地球平均38万公里远，科学家怎样遥控这些仪器？这些仪器获得的大量探测数据又是怎样传回地球的？这些宝贵的科学数据又是如何管理和分析应用的？

 

“这些工作都由嫦娥工程的地面应用系统承担。从卫星的各种科学探测仪器陆续开机开始，嫦娥一号的工作重点从测控环节转向了地面应用系统。”嫦娥工程地面部应用系统总设计师兼副总指挥李春来在接受《科学时报》记者采访时介绍。

 

地面应用系统由运行管理、数据接收、数据管理、数据预处理、科学应用与研究5个分系统组成，涵盖了从科学探测仪器的运行管理到探测数据研究和输出探测成果的整个过程。其中，运行管理分系统负责在嫦娥一号卫星绕月探测期间，由地面技术人员遥控卫星上的各种科学仪器，调度这些科学仪器有序地进行探测。数据接收分系统由北京密云的50米口径天线和云南昆明40米口径天线接收嫦娥一号卫星绕月工作期间获得的科学数据，并在当地将数据进行存贮。数据管理分系统负责对卫星传递下来的各种探测数据进行管理、分类。数据预处理分系统负责对数据进行消除各种偏差的处理，并将探测的原始数据反演成可供科学家使用的数据。

 

科学研究与应用分系统是组织科学家深入分析和研究探测数据，按照绕月探测工程4项科学目标的要求，完成科学研究任务，并制作月球图片和数据分布图件，供科技工作者、学生和天文爱好者使用，并为普及月球知识和今后月球探测工程进一步发展创造条件。

 

“探月工程的一个重要任务是获取科学探测数据，开展月球科学研究。”中国科学院国家天文台月球与深空探测科学应用中心研究员、地面应用系统副总设计师刘建忠向《科学时报》记者介绍：“地面应用系统是嫦娥一号卫星探测数据传回地球的唯一通道。”

 

刘建忠介绍，嫦娥一号卫星在绕月探测期间，卫星上的8种科学探测仪器时刻都在对月球进行探测，并在卫星处于地面站可见轨道段时，以无线电波的形式把大量探测数据传回地球。

 

在地面站接收卫星发回的数据中，包括了两种数据：一种是科学探测数据。就是8种科学探测仪器获得的针对月球的探测数据。另一种是卫星的遥测数据，包括卫星在轨道上运行时，卫星飞行姿态数据和卫星上各种仪器工作状态的监视数据。通过这些数据，科研人员可以判断卫星运行状态和星上设备运转是否正常。当探测数据和遥测数据出现异常时，科研人员要及时分析原因，调整探测计划，启动预备方案。

 

“嫦娥一号每天都要产生大量的探测数据，为了完全接收从遥远的月球传回的数据，需要天地配合，卫星用大功率的定向天线发射信号，地面用大口径的天线进行接收。”刘建忠介绍，数据接收的任务，是由国家天文台新建的两座目前国内天线口径最大（位于北京密云和昆明，口径分别为50米和40米的大天线）的天线系统来完成的。

 

由于地球自转的原因，两个地面站每天只有半天的时间能够对着月球，因此，卫星上也装备了大容量的存贮设备，在地面站看不到卫星时，探测数据就存贮在卫星上，当地面站朝向月球和卫星时，卫星要先将存贮的探测数据传输下来，再传输实时探测的科学数据。

 

 

嫦娥一号传回的数据是否可以直接进行科学研究呢？答案是否定的。

 

刘建忠说，卫星地面站接收到嫦娥一号卫星发送的信号后，要把这些信号变成计算机能够处理的中频信号。然后进行解调、帧同步、译码、去随机化等处理，得到数字信号，但到这一步，这些数据还是由“0”和“1”组成的二进制数据，需要进一步转换成能够反映月球特征、特性的图像和物理量，才能提供给科学家进行科学研究。这个过程包括数据的预处理和科学反演过程。

 

数据预处理和科学反演过程是由一套大型的计算机软硬件系统把从月球卫星上接收下来的探测数据按预先设定的程序转换成规定格式和不同处理程度的数据产品。预处理过程产生0级、1级、2级数据，在2级数据的基础上经科学反演产生3级数据。

 

首先是数据的预处理。将卫星传输下来的原始数据进行信道处理，产生0A级数据；对0A级数据进行两个地面站数据优选、解包和解压缩处理就产生了0B级数据；以轨为单位复原科学探测数据就产生了1级数据产品；在此基础上，按照仪器定标的基准和卫星飞行姿态数据等，对科学探测数据进行校正处理产生了2级数据。2级数据就可以供科学家研究使用了。

 

其次是科学反演。经过预处理之后，本来非常抽象的探测数据变成科学家能识别的标准数据产品，但这些产品还不能成为公众能理解的成果，需要对这些数据产品进行“深加工”，也就是科学反演过程。通过对2级科学数据进行几何精校正、对探测量进行定性和定量分析，就能够产生出科学探测结果的数据，这就是3级数据。在此基础上，就能够直接呈现月球立体图像、物质含量分布图等直观地反映月球表面各种特征的科学探测成果。这样，月球的状况就会完整清晰地展现在人们面前。

 

“在数据预处理和科学反演之后，将组织全国的科学家深入分析和研究嫦娥一号的探测数据。”刘建忠说。

 

 

嫦娥一号卫星进行的科学探测究竟将获得哪些成果？

 

刘建忠介绍，首先是获得月球的三维地图。由于月球表面覆盖了一层5～10米厚的尘土与角砾，基岩被掩埋在深深的土壤中。绘制月球的三维地图，可以从中研究月球的地形地貌、地质构造、内部结构和演化等信息，划分月球表面的基本地质构造和地貌单元。

 

月球上撞击坑密度越高、遭受撞击的次数越多，表面年龄就越古老。从月球三维地图中，可以统计出撞击坑形态、大小、分布、密度等，从而确定月表的年龄。

 

“嫦娥一号卫星获得的三维地图也将为今后月球探测二、三期工程实现月面软着陆优选合适的着陆区提供依据。”

 

其次，嫦娥一号卫星还将探测月球表面氧、硅、镁、铝、钙、铁、钛、钠、锰、铬、钾、钍、铀及钆等14种元素的含量和分布，并确定月球表面的岩石和矿物组成。资源富集的地区将有可能成为今后建立月球基地优先考虑的地方。

 

月球的土壤中含有可控核聚变的重要燃料氦-3，是在长期的暴露时间内由太阳风注入的。而月球上氦-3的资源量多到数百万吨。科学家将从嫦娥一号的微波探测数据中获得月球土壤的厚度，估算月壤中氦-3的资源量。

 

“随着技术进步和未来月球的开发利用，月球上的氦-3资源可能成为建立月球基地甚至解决人类未来能源的一个重要来源。”刘建忠介绍，此外，嫦娥一号卫星还要对地月空间环境进行探测，加深科学家对空间环境的认识。

 

通过对探测数据进行详细的分析和处理，围绕4项科学目标将输出一系列科学探测成果，主要包括：利用CCD相机、激光高度计的探测数据，可以绘制1∶250万到1∶500万月球影像图、数字高程图、三维景观图，全面反映月表地形、地貌；利用伽马射线谱仪、X射线谱仪和干涉成像光谱仪的科学探测数据，可以绘制月球表面14种元素含量分布图、主要矿物含量分布图、岩石分布图；利用微波探测器获得的探测数据，可以绘制1∶1000万的4个波段的月球亮度温度分布图、月壤厚度分布图；利用太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器科学探测数据，可以了解从地球到月球飞行的过程中，4万至40万公里卫星经历的太阳高能粒子和太阳风离子分布数据和环境状况，并在1年时间内积累月球周围环境状况数据，这些数据对卫星、飞船和月球车的空间防护设计和评估具有重要价值。

 

“随着嫦娥一号卫星在轨运行，将获得大量的探测数据，这些数据经过分析处理，还将根据数据发布政策进行公布，供全国乃至全世界的科学家、科技工作者和天文爱好者共同分享，为认识月球和开展月球科学研究创造条件。”中国探月工程首席科学家欧阳自远介绍。

 

 

“这个系统是一个很完整的地面应用系统，我们也是在工程实践中不断改进和完善。”李春来介绍，他们于2001年左右就开始了地面应用系统的概念性设计，2003年完成方案设计，2004年7月完成系统设计，至此，地面系统的建设蓝图基本完成。

 

“一开始我们只分为3个分系统：数据接收分系统、数据管理分系统、运行处理和科学研究分系统。现在拿出当初的方案设计，可以看出那个时候很多问题都没有考虑到。”李春来感慨地说：“我们真正是在‘战争’中学习‘战争’，在学习中成长。”

 

从今年年初开始，地面应用就开始了长达大半年的模拟运行试验。李春来坦言，刚开始也会出现这样那样的问题，但是经过研究人员的细心调节和完善，整个地面应用系统运行非常稳定。11月13日，地面应用系统进行了临战前的最后一次演练，系统运行稳定，没有出现任何问题。

 

“航天工程有一个很重要的问题就是，所有的问题都必须考虑到，包括所有的可能性都要考虑到。”刘建忠介绍，对地面应用系统造成影响的重要因素还包括电力供应和通信链路畅通。

 

为了克服停电问题，地面应用系统包括两个地面站都采用双回路供电，同时主要设备还配备了UPS电源，他们还特意购买了250千瓦时的柴油发电机，此外，他们还向北京市求援，在执行任务时，由密云县供电局提供应急发电车。

 

为了克服通信链路中断问题，地面应用系统将地面站与总部的通信链路设计为双路由系统。“通过这些工作，我们基本不用担心停电和通信链路中断的问题。”

 

“其他让人担心的主要是空间环境对有效载荷的影响。”刘建忠说，在两种情况下全部仪器或部分仪器不能工作：一是月食期间，由于卫星太阳电池阵在3到5个小时内处于－180℃的地球阴影中，无法获得充足的阳光来产生电能，为控制卫星温度的下降，在规定的范围内，全部科学探测仪器必须关机，主要能源用于卫星供热，即卫星处于最小功耗模式。另外一种情况是在光照条件不理想时卫星必须侧飞，采用扫描方式工作的立体相机和成像光谱仪，无法获得探测目标的图像。

 

 

“形象地说，地面应用系统是探月工程起得最早、睡得最晚的一个系统。在方案和设计阶段，地面应用系统就需要提出科学目标，在业务运行阶段，地面应用系统要对卫星有效载荷进行监视和管理，并接收全部探测数据，卫星寿命结束后，地面应用系统还需要进行数据处理和科学目标研究，其重要性不言而喻。”欧阳自远在接受《科学时报》记者采访时说：“这是我国第一个深空探测的地面应用系统，也将成为今后我国深空探测的重要基地。”

 

李春来说，因航天地面应用系统研制建设的需求，国家天文台在2003年10月成立了月球与深空探测科学应用中心，目前已经建成我国的深空探测地面站，拥有我国目前天线口径最大、接收能力最强并集深空探测卫星数据接收和射电天文观测与研究为一体的密云地面站和昆明地面站。他们还建成我国月球与深空探测地面应用的技术保障基础平台，并初步建成我国的月球与深空探测科学研究平台。

 

“地面应用系统设计的一个重要原则是要具有可扩展性，即为地面应用系统适应后续的深空探测任务提供一定的发展空间。”刘建忠说。

 

李春来介绍，在一期工程开展月球全球性、整体性与综合性探测的基础上，中国探月二期工程将以软着陆探测器和月面巡视探测器为平台，实现探测设备登上月球，开展近距离的、亲临其境的科学探测。为此，地面应用系统会针对二期工程的需要，增设遥科学探测分系统。

 

“通过这个系统，我们要和月球车实时交互，比如给它一个指令，告诉它做什么动作，然后把动作的结果反馈回来，通过分析结果后，再发布下一个指令。”