國外深空探測光學(xué)遙感載荷發(fā)展現(xiàn)狀與啟示

周峰 鄭國憲 蘇云

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

深空探測是指對太陽系內(nèi)除地球之外的行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星以及太陽系以外的銀河系乃至整個宇宙進(jìn)行探測的航天活動[1]。深空探測任務(wù)總的科學(xué)目標(biāo)是探索太陽系乃至整個宇宙的起源、發(fā)展和演化。具體包括太陽系內(nèi)各天體的起源、發(fā)展和演化、地球以外生命和水的存在、空間資源的開發(fā)利用、擴(kuò)展人類生存空間等，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)[2]。

進(jìn)入21世紀(jì)，人類的深空探測迎來了一個新紀(jì)元。自2003年以來，世界各航天國家紛紛推出新的深空探測發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃和計劃，并力求建立全球深空探測戰(zhàn)略與結(jié)構(gòu)體系，為了尋找天體中水和生命的跡象，實(shí)現(xiàn)一系列科學(xué)目標(biāo)，全面展開對整個太陽系以及更遠(yuǎn)深空的探測。

作為深空探測的一個重要組成部分，光學(xué)遙感載荷起著無法替代的作用，研究國外光學(xué)遙感載荷的發(fā)展情況，對我國的深空探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展具有一定的借鑒意義。

2 國外深空探測光學(xué)遙感載荷發(fā)展現(xiàn)狀

從1958年8月17日美國發(fā)射第一個月球探測器先驅(qū)者0號開始，人類邁向太陽系的深空探測活動至今己有50多年的歷史。據(jù)統(tǒng)計，截止到2010年12月，人類已發(fā)射過的向月球以遠(yuǎn)的太陽系天體開展的探測活動共220多次，成功和部分成功120多次，超過一半。其中，探測目標(biāo)以月球?yàn)橹鳎伎倲?shù)超過一半。探測金星和火星的比例接近40%，但金星探測活動絕大多數(shù)都是在1990年以前開展的[3]。因此，下面將以月球和火星探測為重點(diǎn)，介紹國外深空探測光學(xué)遙感載荷近十幾年來的發(fā)展情況。

2.1 月球探測主要光學(xué)遙感載荷及分類

人類的月球探測始于20世紀(jì)50年代末，沉寂于20世紀(jì)70年代的Apollo載人登月計劃。20年后，人類重啟月球探測活動，美國已經(jīng)開始重返月球，于20世紀(jì)90年代發(fā)射了“克萊門汀”（Clementine）與“月球勘探者”（Lunar Prospector）月球探測衛(wèi)星，共搭載了15個遙感器，從地形地貌、月面測量、月球物理和月表物質(zhì)成分等各個方面對月球進(jìn)行了較全面的探測。

進(jìn)入21世紀(jì)，美國、歐空局、日本、中國和印度等國家或組織紛紛開始制定或?qū)嵤┬碌脑虑蛱綔y計劃，在全球掀起新一輪月球探測熱潮。中國、日本和印度均成功發(fā)射了各自的月球軌道探測器，并取得了一系列重要的成果。美國于2009年6月18日發(fā)射了“月球勘測軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter），較之前的月球任務(wù)，獲取的月球數(shù)據(jù)的技術(shù)指標(biāo)獲得大幅度提高，對深化月球的認(rèn)識以及登月工程的實(shí)施都具有重要意義[4]。表1為近幾年國外月球探測衛(wèi)星搭載的主要光學(xué)遙感載荷[5-9]。

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根據(jù)月球探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展情況，按科學(xué)目標(biāo)光學(xué)遙感載荷大致可以分為以下4類：1）研究月球礦物組成和分布，月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)；2）勘查地形地貌，繪制月球地圖；3）研究月球空間氣候，探尋月球陰影區(qū)水冰；4）其它科學(xué)目標(biāo)（包括拍攝地球升起的過程，引力場、物質(zhì)流研究，火山、環(huán)形山探測等）。具體分類見表2。

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2.2 火星探測主要光學(xué)遙感載荷及分類

美國和蘇聯(lián)早在20世紀(jì)60年代就開始了探索火星的活動，其探索結(jié)果表明火星上有可能存在人類生存必需的水及其它一些元素，這對研究地球和太陽系的起源、形成和演變以及充分開發(fā)、利用太空資源具有非常重要的意義。因此，隨著空間探測技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是在進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，美國等國家加快了探索火星的步伐，發(fā)射了一系列的火星探測器，獲得了有關(guān)火星的新數(shù)據(jù)和資料以供科學(xué)工作者進(jìn)行研究。

不僅如此，日本、德國、意大利和法國等國家也紛紛加入了火星探測的隊伍，并制定了相應(yīng)的火星探測計劃。尤其是2003年歐空局發(fā)射的“火星快車”，取得了舉世矚目的科學(xué)成果。隨著火星探測活動的不斷深入，火星探測必將成為新世紀(jì)航天領(lǐng)域的新熱點(diǎn)[10]。表3為近十幾年國外火星探測所搭載的主要光學(xué)遙感載荷[11-17]。

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根據(jù)火星探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展情況，按照科學(xué)目標(biāo)火星探測光學(xué)遙感載荷大致可以分為以下5類，見表4。

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2.3 其它天體探測光學(xué)遙感載荷及分類

除了月球和火星外，深空探測其它天體的探測活動也開展的如火如荼。表5所示為近十幾年除月球和火星外國外其它天體探測所搭載的主要光學(xué)遙感載荷[18-25]。

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總的來說，不管深空探測的目標(biāo)是哪個天體，按科學(xué)目標(biāo)光學(xué)遙感載荷主要分為以下3類：

1）光譜分析類：包括用于研究物質(zhì)組成、環(huán)境及其演化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

2）成像類：包括地形地貌研究、繪圖、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、尋找著陸點(diǎn)等。

3）工程探測類：包括衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視、輔助降落、導(dǎo)航、避障、挖掘等。

3 深空探測光學(xué)遙感載荷發(fā)展趨勢

綜上所述，根據(jù)不同科學(xué)目標(biāo)的任務(wù)需求，深空探測光學(xué)遙感載荷種類繁多。但從共性看，主要有以下幾個發(fā)展趨勢：

1）隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，光學(xué)遙感載荷的性能越來越高，在深空探測中發(fā)揮的作用越來越重要，衛(wèi)星所攜帶的光學(xué)遙感載荷也越來越多；

2）光學(xué)遙感載荷所承擔(dān)的科學(xué)目標(biāo)從單一到多元化、從簡單到復(fù)雜（例如月球探測光學(xué)遙感載荷科學(xué)目標(biāo)從最初的礦物組成和分布到勘查月球地形地貌，再到探尋水冰以及更多其它科學(xué)目標(biāo)）；

3）深空探測光學(xué)遙感載荷趨向于集成化、小型化和多功能化，以減輕質(zhì)量、降低成本、節(jié)省燃料、延長整星壽命（許多光學(xué)遙感載荷都包含多個通道，或者光譜儀和相機(jī)集成為一體）；

4）既重視創(chuàng)新，也重視繼承已有探測器的光學(xué)遙感載荷（例如從SIR→SIR2以及SPICAM→SPICAV等）；

5）逐漸開始重視光學(xué)遙感載荷之間的互相協(xié)作，以更好地完成任務(wù)（例如LCROSS衛(wèi)星的所有光學(xué)遙感載荷之間的相互配合，HiRISE、CRISM和CTX的配合等）；

6）逐漸開始開展國際合作（例如“印度月船1號”上搭載了6個國際光學(xué)遙感載荷）。

4 我國開展深空探測光學(xué)遙感載荷研究的啟示與建議

4.1 國外深空探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展對我國的啟示

我國的深空探測剛剛起步，而國外已經(jīng)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展。我國在開展深空探測活動過程中，應(yīng)充分借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，少走彎路。根據(jù)國外發(fā)展情況，得出以下發(fā)展啟示：

（1）腳踏實(shí)地、循序漸進(jìn)，確定深空探測各領(lǐng)域的科學(xué)目標(biāo)

深空探測活動技術(shù)復(fù)雜，風(fēng)險極高。據(jù)統(tǒng)計，在人類50多年的深空探測活動中，截止到2010年12月已發(fā)射過對月球以外的太陽系天體開展的深空探測228次，其中完全失敗的任務(wù)91次，占39.9%；還有4次任務(wù)正在飛行途中（新地平線號、羅塞塔、黎明號、STEREO）。建立深空探測技術(shù)能力極其困難，而深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)能力是關(guān)鍵之一。

另一方面，從國外資料分析，國際深空探測明顯分為兩個階段。第一個階段是美、蘇的爭霸期，兩國爭相發(fā)展深空探測技術(shù)能力，相互爭奪深空探測各個領(lǐng)域的第一。從公開文件分析，美國在1997年才系統(tǒng)公布其完整的科學(xué)目標(biāo)，之前大部分都是為了爭各個領(lǐng)域的第一而發(fā)射，科學(xué)目標(biāo)不完善甚至根本就不明確。第二個階段從20世紀(jì)末至現(xiàn)在，冷戰(zhàn)結(jié)束以后，俄羅斯的深空探測迅速歸于沉寂，反映出沒有明確的科學(xué)目標(biāo)作為牽引，深空探測活動根本無法持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)末開始，美國的深空探測活動尤其是各種光學(xué)遙感載荷的提出逐漸開始與科學(xué)目標(biāo)建立比較深的聯(lián)系，其技術(shù)能力的建立花費(fèi)了30多年的時間。

因此，我們應(yīng)該腳踏實(shí)地、循序漸進(jìn)，逐步搞清楚深空探測各個領(lǐng)域的科學(xué)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上有針對性的開展深空探測各領(lǐng)域的光學(xué)遙感載荷技術(shù)研究，為后續(xù)深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)能力的建設(shè)和提升奠定基礎(chǔ)。

（2）有針對性地開展深空探測光學(xué)遙感載荷研究工作，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

分析國外過去開展的深空探測歷程，不難看出：從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度和持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，基本采取了飛越、環(huán)繞、著陸、返回的探測方式。在當(dāng)時的技術(shù)條件下，試圖跨越某個階段、一步到位的嘗試都失敗了，充分說明深空探測任務(wù)的技術(shù)途徑中存在內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律。因此，在我國未來開展月球探測、火星探測以及其他深空探測活動時，也應(yīng)該遵循同樣的指導(dǎo)原則，尊重航天技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，有計劃、有步驟的開展深空探測任務(wù)，實(shí)現(xiàn)深空探測活動的可持續(xù)發(fā)展。

而深空探測光學(xué)遙感載荷的研究要緊跟國際形勢，瞄準(zhǔn)國家深空探測規(guī)劃，有針對性的開展相關(guān)探測任務(wù)的光學(xué)遙感載荷研究工作，實(shí)現(xiàn)深空探測光學(xué)遙感載荷的可持續(xù)發(fā)展。

（3）由簡入繁、從易到難，搭建我國特有的深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)和能力體系

采取由簡入繁、從易到難、單目標(biāo)與多目標(biāo)相結(jié)合和交叉的方式逐步推進(jìn)深空探測各類光學(xué)遙感載荷關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步，針對探測距離不斷增大、環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn)，突破共性關(guān)鍵技術(shù)，搭建我國特有的深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)和能力體系。從而在2030年后，使我國的深空探測具備對人類已發(fā)現(xiàn)的各類天體開展已知形式的各種探測的能力，滿足進(jìn)行太陽系和宇宙的科學(xué)探索對深空探測光學(xué)遙感載荷的需求。

（4）加強(qiáng)工程與科學(xué)的聯(lián)合

國外深空探測的模式是由科學(xué)家?guī)ш犔岢鲂枨?，工程師根?jù)需求尋求解決的方法。只有這種科學(xué)與工程的緊密結(jié)合，才能有針對性的研制出先進(jìn)的光學(xué)遙感載荷。我國目前的情況是科學(xué)與工程脫節(jié)，工程師研制出的光學(xué)遙感載荷所獲得的數(shù)據(jù)不是科學(xué)家想要的結(jié)果。因此，光學(xué)遙感載荷工程研制單位應(yīng)該與中科院及高校等科學(xué)單位聯(lián)合，明確科學(xué)目標(biāo)需求。

4.2 我國開展深空探測光學(xué)遙感載荷研究的建議

目前，我國正在開展2030年前的深空探測規(guī)劃。為了保證歷次任務(wù)的順利實(shí)施，應(yīng)該提前開展光學(xué)遙感載荷技術(shù)的研究，建議重點(diǎn)開展以下幾方面的工作：

（1）深入研究國外先進(jìn)光學(xué)遙感載荷技術(shù)

深空探測活動已經(jīng)開展了50多年，國外已經(jīng)進(jìn)行了200多次深空探測活動，這些案例對我國的深空探測活動有很好的借鑒意義。因此，我們不但要研究國外已經(jīng)發(fā)射的深空探測光學(xué)遙感載荷的技術(shù)發(fā)展情況，更要實(shí)時跟蹤國外深空探測的最新動向和新技術(shù)的應(yīng)用，積極參與國家深空探測規(guī)劃的建設(shè)，掌握國家對深空探測光學(xué)遙感載荷的需求，并展開國內(nèi)深空探測各領(lǐng)域的用戶需求及科學(xué)目標(biāo)的調(diào)研分析和創(chuàng)新，深入開展深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)研究工作。

例如，國外最近幾次深空探測任務(wù)中多次采用了低溫光譜儀和遠(yuǎn)紫外光譜儀載荷，這些載荷可以滿足什么樣的科學(xué)目標(biāo)、獲得了哪些科學(xué)研究成果、采用了什么樣的先進(jìn)技術(shù)，這些都需要我們進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究，才能結(jié)合我國國情提出合理的科學(xué)目標(biāo)并推動技術(shù)的進(jìn)步。

（2）做好我國深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃

近年來，世界各主要航天國家都十分重視深空探測戰(zhàn)略的制定工作，以宏大的視野、從戰(zhàn)略的高度明確未來各自的發(fā)展方向和重點(diǎn)。從1997年起，美國每3年一次對其深空探測規(guī)劃進(jìn)行更新和完善。歐空局也于2004年2月3日正式宣布了其雄心勃勃的“曙光女神”超大規(guī)模星際探索計劃。日本、印度也通過規(guī)劃促進(jìn)深空探測的發(fā)展。

我們應(yīng)該根據(jù)國家深空探測規(guī)劃，制定系統(tǒng)的深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，明確長遠(yuǎn)發(fā)展的目標(biāo)和需要重點(diǎn)扶持的專項(xiàng)技術(shù)，并及早開展相應(yīng)的研究工作，對整個深空探測的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。深空探測光學(xué)遙感載荷的技術(shù)難度大，研制周期長，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)多。因此，需要盡早開展深空探測光學(xué)遙感載荷共性關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。在明確任務(wù)規(guī)劃后，需要盡早合理安排專項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研，避免某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)“瓶頸”，制約深空探測任務(wù)的進(jìn)程，甚至導(dǎo)致任務(wù)無法實(shí)施。

（3）開展典型、共用和繼承性光學(xué)遙感載荷研究，提煉共性關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)國外深空探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展情況可知，國外深空探測光學(xué)遙感載荷具有很強(qiáng)的繼承性，甚至直接采用備份載荷，即使不同天體探測器的光學(xué)遙感載荷也有很多相似和通用之處。在深入開展各領(lǐng)域深空探測光學(xué)遙感載荷研究的同時，提煉各領(lǐng)域光學(xué)遙感載荷的典型技術(shù)和共性關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合我國國情及時提出創(chuàng)新性技術(shù)，為我國深空探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展和戰(zhàn)略規(guī)劃提供技術(shù)支持。

針對對國外深空探測光學(xué)遙感載荷的研究情況，建議重點(diǎn)發(fā)展輕小型化技術(shù)、低溫光學(xué)技術(shù)、超高光譜分辨率光譜儀技術(shù)和紫外光學(xué)載荷技術(shù)等。

（4）既注重技術(shù)創(chuàng)新，又注重技術(shù)的繼承性和銜接性

深空探測是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，包含幾十甚至上百種專業(yè)，不管哪個專業(yè)的新技術(shù)的出現(xiàn)都需要創(chuàng)新，只有創(chuàng)新才能不斷推進(jìn)深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)的進(jìn)步。

從國外深空探測光學(xué)遙感載荷的發(fā)展來看，共性關(guān)鍵技術(shù)之間存在多種多樣的內(nèi)在聯(lián)系，彼此之間有一定的繼承性和銜接性。通過關(guān)鍵技術(shù)的繼承和銜接，確定各次任務(wù)可靠完成。同時，通過實(shí)施上述規(guī)劃中共性關(guān)鍵技術(shù)的突破和驗(yàn)證，能夠逐步建立和完善探測距離逐步延伸至太陽系外（含黃道面以外），探測對象包括有大氣無大氣、強(qiáng)引力弱引力、高溫度低溫度，探測形式涵蓋飛越、撞擊、環(huán)繞、伴飛、附著、著陸、巡視、大氣機(jī)動、采樣返回等多種深空探測目標(biāo)及深空探測形式組合的光學(xué)遙感載荷工程技術(shù)能力體系，實(shí)現(xiàn)深空探測光學(xué)遙感載荷技術(shù)的不斷深化發(fā)展，保證我國研制和發(fā)射各類深空探測任務(wù)目標(biāo)的能力。

（5）積極開展國際交流與合作

由于深空探測項(xiàng)目涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，沒有哪個國家可以在所有領(lǐng)域都處于世界領(lǐng)先地位。我國在深空探測領(lǐng)域與歐美國家尚有較大差距，在光學(xué)遙感載荷方面差距也較大，特別是在探測器、低溫光學(xué)等領(lǐng)域。因此，我國應(yīng)該積極開展國際合作，使資源得到充分利用，優(yōu)勢互補(bǔ)，使探測器性能最優(yōu)化，為深空探測規(guī)劃歷次任務(wù)的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

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