中國深空網(wǎng)成功實施“卡西尼號”探測器墜入土星測量試驗

陳略，平勁松，張建輝，劉慶，岳世磊，陳永強，王際舟，李文瀟

（1. 北京航天飛行控制中心，北京 100094；2. 中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 100049；3. 西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043）

“卡西尼號”（Cassini）探測器于北京時間1997年10月15日發(fā)射升空，經過6年8個月漫長太空旅行后進入環(huán)繞土星的軌道，開展土星系統(tǒng)探測任務，并于2017年9月15日墜入土星大氣層，完成最后科學使命。20年間，Cassini任務取得了為數(shù)眾多的科學與技術成果和全新的科學發(fā)現(xiàn)。

在2017年9月15日Cassini探測器謝幕之旅中（圖1），北京航天飛行控制中心聯(lián)合西安衛(wèi)星測控中心佳木斯深空站、喀什深空站與南美深空站，對Cassini探測器墜毀飛行過程成功實施跟蹤測量試驗。這天的試驗也是我國深空測控系統(tǒng)與中國科學院行星無線電科學團隊合作跟蹤觀測Cassini探測器開展的為期半年的土星動力學系列觀測試驗的最后謝幕觀測試驗。

圖1 北京時間9月15日16:30，Cassini探測器從距離地球15億km、距離土星185 903 km處進入墜毀軌道，此刻相對土星的速度為16.002 km/s，高增益天線指向地球。Fig. 1 Cassini probe entries into Saturn crash orbit At 16:30 in Beijing Time.The distance between probe and Earth is 1.5 billion km，the distance between probe and Saturn is 185 903 km，and the velocity between probe and Saturn is 16.002 km/s. The high gain antenna on Cassini probe points toward the Earth.

Cassini墜毀試驗前，聯(lián)合試驗團隊計算了中國深空網(wǎng)各天線高精度跟蹤引導數(shù)據(jù)，依據(jù)Cassini探測器的設計參數(shù)和半年來的跟蹤資料信息，估計測量了載波頻率和多普勒、鏈路的無線電信號功率衰減信息，并結合美國發(fā)布的Cassini下行信號發(fā)射時刻信息，制定了本次試驗的詳細計劃。9月13日，使用中國深空網(wǎng)的佳木斯、喀什深空站對環(huán)土軌道上的Cassini探測器的墜毀過程成功進行了試跟蹤試驗，開展了演練，為9月15日的墜毀測量試驗奠定了基礎。

9月15日，中國深空網(wǎng)正式對Cassini進行了墜毀過程全程跟蹤測量。南美深空站于北京時間9月15日上午對處于環(huán)土軌道的Cassini進行了跟蹤測量。Cassini墜毀飛行過程從16:30到19:55:30，恰逢在佳木斯、喀什深空站的可見弧段內，兩站分別對Cassini墜毀全過程成功進行了跟蹤測量、數(shù)據(jù)采集與記錄。

使用為時1年的聯(lián)合團隊為本次試驗開發(fā)改良的高精度開環(huán)測量處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行了處理分析，其結果如圖2所示。從圖2中可以看出，Cassini墜毀過程中的多普勒測量值極具變化，佳木斯深空站多普勒頻率由–549.718 kHz變化到–1 124.239 kHz，喀什深空站多普勒頻率由–533.965 kHz變化到–1 115.055 kHz，多普勒變化率也由最初始的–2 Hz/s變化至近–280 Hz/s。多普勒測量噪聲水平如圖3所示，1 s積分時間的多普勒測量噪聲水平約為30 mHz，對應測速噪聲水平約為0.5 mm/s。

圖2 基于佳木斯/喀什深空站的Cassini墜毀過程多普勒測量結果Fig. 2 Doppler frequency in Cassini crash procedure based on Jiamusi and Kashi deep space station

圖3 Cassini墜毀過程多普勒測量擬合殘差圖Fig. 3 Fitting residual Doppler frequency in Cassini crash procedure

Cassini在墜毀飛行過程中相對于土星的速度由最初的16 km/s到墜毀時刻的34 km/s。北京時間19:55:30卡西尼下行主載波信號消失，與NASA理論預報的墜毀時刻相差僅幾秒，可見NASA對Cassini墜毀飛行過程掌握得異常精確。

本次中國深空網(wǎng)成功實施了Cassini墜毀土星測量試驗，首次獲得了寶貴的地外深空探測器墜毀過程的跟蹤測量數(shù)據(jù)。由于Cassini墜毀飛行過程中穿越了土星最里層大氣，近距離的飛行測量數(shù)據(jù)也包含了土星重力場特征信息。此次Cassini墜毀土星以及半年多以來的無線電科學測量試驗數(shù)據(jù)，將用于研究土星長波重力場、土星環(huán)密度、土星大氣等特性。

此外，本次試驗也是自2015年夏季成功實施了對“新視野號”（New horizons）飛掠冥王星科學觀測之后，我國深空網(wǎng)跟蹤測量遙遠深空探測器的又一次成功的科學技術驗證，為后續(xù)我國更遙遠的自主深空探測任務實施，積累了有益的技術與經驗。