月球軌道

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2018年5月21日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將嫦娥四號(hào)中繼星（鵲橋）和搭載的兩顆微衛(wèi)星（龍江一號(hào)、二號(hào)）發(fā)射升空。龍江一號(hào)、二號(hào)攜帶超長(zhǎng)波干涉儀有效載荷，將在世界上首次實(shí)現(xiàn)空間超長(zhǎng)波雙星干涉測(cè)量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)為龍江一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星總體單位，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心是科學(xué)任務(wù)的提出單位和有效載荷研制及數(shù)據(jù)處理的承擔(dān)單位，國(guó)家天文臺(tái)月球與深空數(shù)據(jù)接收站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收。

圖1龍江一號(hào)和二號(hào)編隊(duì)示意圖

龍江一號(hào)、二號(hào)與火箭分離后將各自飛往月球，運(yùn)行在近月點(diǎn)約300km，遠(yuǎn)月點(diǎn)約9000km的大橢圓軌道上。他們之間的距離將在1km到10km之間變化，編隊(duì)飛行。超長(zhǎng)波干涉儀的工作頻段為1MHz～30MHz。該頻段在無線電通信中稱為短波，是短波無線電通信和廣播，以及業(yè)余無線電愛好者的主要工作頻段。但在天文觀測(cè)中，這個(gè)波段屬于超長(zhǎng)波，由于電離層的反射，以及大量自然（如閃電）和人為信號(hào)的干擾，在地面上無法用這個(gè)波段實(shí)施天文觀測(cè)。即使將探測(cè)儀放到電離層之外的地球軌道衛(wèi)星上，由于距離地球干擾信號(hào)源仍然很近，來自宇宙的背景射電輻射信號(hào)仍將被淹沒在大量的噪聲之中。因此，最適合這個(gè)頻段觀測(cè)的軌道是月球軌道，并在當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到月球背面區(qū)域時(shí)。

為此，超長(zhǎng)波干涉儀將在月球背面進(jìn)行觀測(cè)。并通過兩個(gè)微衛(wèi)星在國(guó)際上首次開展超長(zhǎng)波頻段的干涉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，將變化兩個(gè)微衛(wèi)星之間的距離，獲得不同干涉基線的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于兩個(gè)微衛(wèi)星的編隊(duì)圍繞月球軌道旋轉(zhuǎn)，其基線的方向也逐漸變化。在月球背面將獲得基線旋轉(zhuǎn)180度的效果。更進(jìn)一步，伴隨著地區(qū)/月球系統(tǒng)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，以及軌道面的進(jìn)動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將獲得各個(gè)方向和長(zhǎng)度的基線測(cè)量結(jié)果，經(jīng)過圖像處理實(shí)現(xiàn)全天圖下的超低頻干涉測(cè)量結(jié)果。

超長(zhǎng)波干涉儀由可展開三正交偶極子天線、高穩(wěn)定接收機(jī)、數(shù)字處理單元以及星間通信、測(cè)距和時(shí)鐘同步一體化單元組成。其中，天線為國(guó)家空間科學(xué)中心和波蘭科學(xué)院合作研制，高穩(wěn)定接收機(jī)、數(shù)字處理單元以及星間通信、測(cè)距和時(shí)鐘同步一體化單元由國(guó)家空間科學(xué)中心研制。

圖2衛(wèi)星正樣產(chǎn)品

圖3超長(zhǎng)波干涉儀有效載荷正樣產(chǎn)品

對(duì)于任何目標(biāo)的圖像，干涉測(cè)量的原理是在圖像的傅里葉變換域（空間頻率域）采樣。一旦按照最小采樣間隔實(shí)施的測(cè)量點(diǎn)覆蓋了全部空間頻率域，就可以通過做一次反傅里葉變換，獲得真實(shí)的目標(biāo)圖像。采用干涉測(cè)量在技術(shù)上的好處是，對(duì)固定不變的目標(biāo)，可以分時(shí)進(jìn)行干涉測(cè)量，這樣就避免了采用直接成像時(shí)需要巨大孔徑天線在技術(shù)和可行性上的挑戰(zhàn)。

龍江一號(hào)、二號(hào)任務(wù)，正是基于上述原理，在兩顆微衛(wèi)星上分別攜帶了一臺(tái)超長(zhǎng)波射電干涉儀，在空間形成一個(gè)可變基線的二元干涉儀系統(tǒng)，通過兩顆微衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分時(shí)采樣形成空間頻率域各種長(zhǎng)度和方向的干涉基線。這次實(shí)驗(yàn)的成功將為下一步采用多個(gè)微衛(wèi)星，效率更高的編隊(duì)方案，更短的時(shí)間內(nèi)完成采樣覆蓋，獲得全天超長(zhǎng)波背景圖奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

附：科學(xué)背景

獲得超長(zhǎng)波宇宙背景輻射的分布，甚至是小區(qū)域的輻射分布，在科學(xué)上意義都十分重大，是宇宙形成和演化研究領(lǐng)域的重大前沿。宇宙從大爆炸瞬間到第一代恒星、星系形成之間有一段黑暗的時(shí)代。這是因?yàn)樵谶@段時(shí)間里，宇宙中到處分布的只有中性的氫原子，不發(fā)光，這一時(shí)期大致延續(xù)了幾十萬(wàn)到數(shù)億年的時(shí)間。1944年，荷蘭天文學(xué)家范德胡斯特首先提出可以在銀河系中可以觀測(cè)到星際氫原子的21厘米波長(zhǎng)譜線。其機(jī)理是圍繞氫原子旋轉(zhuǎn)的那個(gè)電子會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的跳變，比如從左旋一下子變?yōu)橛倚?，并伴隨著這個(gè)跳變輻射出一個(gè)1.42GHz（波長(zhǎng)為21厘米）的射電脈沖。后來他在一段充滿中型氫的封閉波導(dǎo)中測(cè)到了這個(gè)輻射?？梢韵胂?，如果宇宙中充滿了大量的中性氫，那么當(dāng)時(shí)一定會(huì)有其中許多向外輻射1.42GHz的電磁波。也就是說黑暗時(shí)代是對(duì)可見光而言，對(duì)射電波段并不黑暗。經(jīng)過137億年的演化，這個(gè)大爆炸之后產(chǎn)生的中性氫輻射源已經(jīng)彌漫在整個(gè)宇宙之中，并隨著宇宙的逐漸膨脹，以高速相互遠(yuǎn)離而去。當(dāng)時(shí)的1.42GHz的射電頻率經(jīng)過多普勒效應(yīng)，已經(jīng)降低為1MHz～30MHz頻段。如果能夠在這個(gè)頻段對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)，我們就可以補(bǔ)齊宇宙演化過程中最后一個(gè)沒有被觀測(cè)過的階段的圖譜，就可以更深刻的理解從中性氫到第一代恒星出現(xiàn)，宇宙是怎么分布和演化的，回答許多現(xiàn)在還不知道的，僅僅是猜想的科學(xué)問題。