跟蹤“朱諾号” 尋找行星探測新方法

　　近日有媒體報道稱，中國科學家通過捕獲美國“朱諾号”(Juno)木星探測器發回地球的無線電信号，成功确定了其多普勒頻移，并由此确定了其軌道;開展相關試驗，是為了測試深空地面控制站能力，以支持中國未來将開展的行星際探測任務。

　　上述針對“朱諾号”的跟蹤測量試驗是如何開展的?行星無線電科學探測可以幫助解答哪些科學問題?未來有哪些應用的方向?科技日報記者采訪了參與相關探索試驗的中國科學院國家天文台研究員平勁松。

　　緊盯“朱諾号” 開展開環跟蹤測量

　　“朱諾号”木星探測器是美國國家航空航天局“新疆界計劃”實施的第二個探測項目。2011年8月5日，“朱諾号”從美國佛羅裡達州卡納維拉爾角升空，于2016年7月6日到達木星捕獲軌道，其首要科學目标是研究并理解木星的起源與進化。

　　行星無線電科學載荷是“朱諾号”搭載的29類科學載荷中的重要一項，其主要通過1個直徑為2.5米的高增益天線與地面進行無線電測量與通信，從無線電信号特征層面反演木星重力場和大氣等。

　　“‘朱諾号’會不斷地向地面傳回無線電信号，科學家可以像觀測自然天體射電輻射那樣進行地面被動測量。然而由于地木之間距離非常遙遠，信号十分微弱，想要及時準确捕捉到相關信号，對深空站而言是一項很有挑戰性的任務。”平勁松介紹道。

　　據悉，我國深空網于2012年初步建成，佳木斯深空站、喀什深空站投入運行，重點支持了嫦娥三号、再入返回飛行試驗任務等深空探測任務。為驗證我國深空網的跟蹤測量能力，并獲取行星無線電測量數據，2016年10月至2017年8月期間，北京航天飛行控制中心聯合佳木斯、喀什深空站對木星探測器“朱諾号”進行了開環測量試驗。

　　跟蹤“朱諾号”要做哪些“功課”?平勁松介紹道，基于地面的深空站要對“朱諾号”探測器進行跟蹤，首先要準确掌握“朱諾号”下行信号的頻點分布，以及下行信号到達地面天線接收機端的功率;同時，還要确定“朱諾号”下行發送信号的時刻、時段;此外，基于不同的策略，考慮木星—地球距離上電磁波傳輸時間，對跟蹤天線進行沿着對木星的視線方向逆向精密指向引導也非常關鍵。

　　“基于以上觀測必備條件，深空站成功開展了多次對‘朱諾号’跟蹤與測量。這次測量試驗是中國深空站在地木距離上對深空探測器成功開展開環跟蹤測量。”平勁松指出。

　　無線電探測 解開更多行星謎團

　　開展行星無線電科學探測，可以幫助解答哪些科學問題?

　　深空測控鍊路上的無線電信号從航天器傳播到地球上，被地面接收站接收，其路徑上的相位、頻率、幅度和極化特性的微小變化，是行星無線電科學探測關注的重點。

　　“通過有效地分析這些數據，可以研究行星及它們衛星的大氣和電離層的結構、質量、行星環、彗星迹，同時也可以精密測量行星重力場和行星曆表，監視太陽風、行星際磁場活動，并用來檢驗廣義相對論，如探測引力波和引力紅移等。”平勁松介紹道。

　　事實上，在50多年的太陽系探測曆程中，大量的行星科學探測成果并非來自于探測器搭載的“科學”載荷，而是來自于無線電測控和通信鍊路。月球與深空探測任務中，有相當一部分的科學探測來自于星—地鍊路的高精度測量。

　　談及行星無線電科學探測技術的應用方向，平勁松介紹，我國深空測控與科學研究聯合團隊自嫦娥一号繞月探測任務以來，自發形成了該方向的聯合研究團隊，并實現了探測技術從無到有的發展，優化了月球長波重力場模型并發現月球内部依然活躍;使用地面射電天線探測了火星電離層季節變化特性;以及精密測量了冥王星和衛星的質量與密度。

　　他進一步指出，在我國現有的月球、行星探測計劃中，可以使用這類方法開展包括月球與行星重力場與内構造、自轉動力學、大氣電離層的探測，以及開展引力理論的驗證探測工作，包括測量高精度的萬有引力常數、廣義相對論參數，驗證等效原理等。此外，通過合理地設計測控鍊路，還有機會在射電波段開展空間低頻引力波的探測。