地月空間碎片地基探測能力現(xiàn)狀與啟示

李海濤, 陳少伍, 辛?xí)陨? 徐得珍

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100094)

1 引言

2020年12月17日凌晨, 攜帶月壤的嫦娥五號返回艙成功著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū), 標(biāo)志著我國探月工程“繞、 落、 回” 三步走圓滿收官[1]。 2022年中國政府發(fā)布的《2021 中國的航天》 白皮書指出: 未來五年, 中國將繼續(xù)實施月球探測工程, 發(fā)射“嫦娥六號” 探測器、完成月球極區(qū)采樣返回, 發(fā)射“嫦娥七號” 探測器、 完成月球極區(qū)高精度著陸和陰影坑飛躍探測, 完成“嫦娥八號” 任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 與相關(guān)國家、 國際組織和國際合作伙伴共同開展國際月球科研站建設(shè)。 深化載人登月方案論證, 組織開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 研制新一代載人飛船, 夯實載人探索開發(fā)地月空間基礎(chǔ)[2]。 此外, 我國也已完成載人月球探測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案深化論證, 形成了具有中國特色的載人登月任務(wù)實施方案。

2022年11月16日, 美國國家航空航天局(NASA) 登月火箭太空發(fā)射系統(tǒng)托舉獵戶座飛船, 在美國佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心39B 發(fā)射臺首飛升空, 執(zhí)行不載人飛行測試“阿爾忒彌斯1 號” 任務(wù), 開啟繞月之旅, 為未來載人試飛和人類探索月球鋪路。 當(dāng)?shù)貢r間2022年11月28日, NASA 新一代登月火箭計劃“阿爾忒彌斯1號” 的“獵戶座” 太空艙飛行到地球外約43 萬公里的位置, 這是用于載人的航天器飛行的最遠(yuǎn)距離。 2022年12月11日, 執(zhí)行美國“阿爾忒彌斯1 號” 無人繞月飛行測試任務(wù)的“獵戶座” 飛船返回地球, 于美國東部時間11日12 時40 分(北京時間12日1 時40 分) 降落在下加利福尼亞半島以西太平洋水域。 至此, 阿爾忒彌斯1 號任務(wù)圓滿成功[3]。 “阿爾忒彌斯1 號” 任務(wù)完成后,NASA 就已經(jīng)在為第二步, 也就是2024年開展“阿爾忒彌斯2 號” 載人繞月飛行測試作準(zhǔn)備,而“阿爾忒彌斯3 號” 登月任務(wù)預(yù)計于2025年進(jìn)行[4-6]。

2022年6月28日, 美國商業(yè)航天公司“先進(jìn)太空” (Advanced Space) 的“頂石號” (CAPSTONE) 12U 立方星由商業(yè)火箭公司“火箭實驗室” (Rocket Lab) 公司“電子號” (Electron) 發(fā)射, 歷經(jīng)通信失聯(lián)、 姿態(tài)異常等故障后, 于11月14日成功成為第一個進(jìn)入月球近直線暈軌道(NRHO) 的航天器, 任務(wù)后續(xù)計劃開展星間無線電測量和自主導(dǎo)航試驗驗證[7]。 2022年8月4日韓國首個月球探測器由美國SpaceX 公司的“獵鷹” 9 號火箭發(fā)射入軌, 并于12月16日成功進(jìn)入環(huán)月軌道[8]。 2022年12月11日,日本初創(chuàng)航天企業(yè)ispace 公司的“白兔-R” 探測器也由美國SpaceX 公司的“獵鷹” 9 號火箭搭載升空, 并于3月21日成功進(jìn)入環(huán)月大橢圓軌道[9]。 該探測器原計劃將在今年4月26日嘗試在月球表面軟著陸, 但在最后垂直降落階段地面與探測器失去聯(lián)系, 初步判斷故障原因是器上推進(jìn)劑耗盡導(dǎo)致無法控制著陸速度, 探測器最終撞擊月面[10]。 與此同時, NASA 的重返月球計劃還與一批商業(yè)航天企業(yè)進(jìn)行了深度合作。 根據(jù)NASA 與美國私營航天企業(yè)簽署的協(xié)議, 美國宇航機器人技術(shù)公司研制的“游隼” (Peregrine) 著陸器已完成全部測試工作[11], 計劃年內(nèi)作為“火神” (Vulcan) 運載火箭首飛任務(wù)(目前暫定5月), 啟程前往月球[12]。 此外,年內(nèi)美國私營航天企業(yè)直覺機器公司的“新星-C” (Nova-C) 著陸器也將搭乘獵鷹9 號運載火箭, 在月球南極區(qū)域表面搜尋可能存在的水冰[13]。

可見, 未來月球探測已經(jīng)成為人類航天活動的熱點, 特別是載人月球探測活動。 然而,月球軌道殘存的廢棄航天器等形成的軌道碎片對在軌飛行的月球探測器和航天員將構(gòu)成嚴(yán)重威脅, 這也使得對環(huán)月軌道碎片的探測需求逐步提上議事日程。

2 環(huán)月軌道空間碎片現(xiàn)狀

2.1 印度“月船1 號”

“月船1 號” 是印度空間研究組織的第一個月球探測器, 搭載了超光譜圖像儀、 三維地貌測繪相機、 激光高度計、 低能X 射線譜儀等載荷,獲取月球高分辨率地質(zhì)、 礦物和地形圖。 該探測器于2008年10月22日發(fā)射升空, 最終運行在高度為100km 的環(huán)月圓軌道, 其尺寸為1.5m ×1.5m×1.5m, 一側(cè)安裝太陽能電池板。

2009年8月27日協(xié)調(diào)世界時 (Universal Time Coordinate, UTC) 20: 00,月船1 號在與地面通信過程中失聯(lián)。 失聯(lián)后, 地面無法對其進(jìn)行測控, 也無法獲取其準(zhǔn)確的軌道位置信息。 由于月球上布滿了質(zhì)量瘤, 重力場模型精度有限, 其軌道預(yù)報誤差隨著時間的推移不斷增大。

2.2 日本月亮女神子衛(wèi)星

日本月亮女神探測器于2007年9月14日,在日本種子島航天中心發(fā)射升空, 一同升空的還有兩顆小衛(wèi)星 (中繼子衛(wèi)星Okina 或Rstar;甚長基線干涉測量子衛(wèi)星Ouna 或Vstar)。月亮女神主探測器運行在距離月球100km 高度的極地圓軌道上, Okina 和Ouna 分別運行在軌道高度為100km×2400km 和100km ×800km 極軌上。 兩個子衛(wèi)星均為八面柱體, 尺寸為0.99m×0.99m×0.65m,太陽能電池板貼裝在衛(wèi)星柱面上。 2009年2月12日, Okina 撞擊月球表面。 2009年6月10日,月亮女神主探測器降低軌道高度, 受控撞擊月球, 任務(wù)結(jié)束。 2009年6月主任務(wù)結(jié)束后,Ouna 還在月球軌道運行, 地面已經(jīng)不再對其進(jìn)行軌道測量。

3 NASA 環(huán)月軌道雷達(dá)探測試驗

3.1 NASA月球軌道雷達(dá)探測系統(tǒng)

2016年美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA) 下屬的噴氣推進(jìn)實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)為了驗證地基雷達(dá)對月球軌道目標(biāo)的探測能力,發(fā)起了地基雷達(dá)對月球航天器的探測試驗。 2016年7月～8月, JPL 利用現(xiàn)有的地基行星雷達(dá)系統(tǒng), 主要有戈爾德斯通太陽系雷達(dá) (Goldstone Solar System Radar, GSSR)、 綠岸射電天文望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope, GBT) 和阿雷西博(Arecibo) 行星雷達(dá)系統(tǒng), 成功探測到了美國在軌的月球勘測軌道器(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO)、 印度失聯(lián)的月船1 號和日本廢棄的環(huán)月小衛(wèi)星Ouna。

地基行星雷達(dá)早期主要用于開展行星雷達(dá)天文學(xué)研究工作。 其基本工作原理如圖1 所示, 地基雷達(dá)大功率發(fā)射機發(fā)送調(diào)制過的雷達(dá)信號(通常為調(diào)頻連續(xù)波、 偽隨機碼調(diào)制連續(xù)波信號),雷達(dá)信號達(dá)到探測目標(biāo)后經(jīng)目標(biāo)反射, 形成雷達(dá)回波信號, 并最終由接收天線接收并進(jìn)行處理,從而獲得目標(biāo)信號方位、 俯仰、 距離(延遲)、多普勒及回波功率等信息, 利用方位、 俯仰、 距離、 多普勒等信息實現(xiàn)對目標(biāo)的軌道確定及改進(jìn), 利用距離、 多普勒及回波功率等信息實現(xiàn)對目標(biāo)成像。

圖1 行星雷達(dá)的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of how planetary radar works

圖2 戈爾德斯通太陽系雷達(dá)70m 天線和綠岸天文臺100m 天線Fig.2 Goldstone solar system radar 70m antenna and Green Bank observatory 100m antenna

GSSR 位于美國加利福尼亞州南部的莫哈韋沙漠, 該雷達(dá)系統(tǒng)與NASA 深空網(wǎng)戈爾德斯通深空通信綜合設(shè)施DSS -14 深空測控設(shè)備共用70m 全動天線。 GSSR 由雷達(dá)天線、 X 頻段發(fā)射機和低噪聲接收機組成, 上述設(shè)備配合信號處理單元進(jìn)行地基雷達(dá)探測。 GSSR X 頻段工作波長為3.5cm、 發(fā)射功率約為500kW。 雷達(dá)探測的位置誤差為150m、多普勒誤差為0.1Hz、 速度誤差為1mm/s。[14,15]

GBT 位于美國西弗吉尼亞州阿利根尼山脈,其天線口徑為100m, 是目前世界上最大的全動射電望遠(yuǎn)鏡, 可實現(xiàn)85%天球覆蓋。 GBT 是美國國家科學(xué)基金會(美國國會所屬的獨立聯(lián)邦機構(gòu))投資建造, 于2001年投入使用[16]。

阿雷西博行星雷達(dá)位于波多黎各, 是美國天文電離層中心的研究設(shè)施, 是全球最強大、 最活躍的行星雷達(dá), 主要用于無線電天文學(xué)、 雷達(dá)天文學(xué)和電離層/大氣科學(xué)研究活動。 阿雷西博天線是一個固定的球面反射望遠(yuǎn)鏡, 口徑為305m,如圖3 所示, 其可探測范圍在當(dāng)?shù)靥祉敺较?0°范圍內(nèi)。 阿雷西博行星雷達(dá)安裝了兩臺發(fā)射機,其可以工作在UHF 頻段和S 頻段。 UHF 頻段發(fā)射機工作頻率為430.00MHz, 工作波長為70cm, 峰值功率為2500kW, 平均功率為150kW。 S 頻段發(fā)射機工作頻率為2380MHz, 工作波長為12.6cm,連續(xù)波輸出功率為1000kW。 2020年8月和11月, 阿雷西博天線的輔助鋼纜和主鋼纜先后斷裂, 同年11月9日美國國家科學(xué)基金會停止運行該設(shè)備。[17,18]

圖3 阿雷西博行星雷達(dá)305m 口徑天線Fig.3 Arecibo planetary radar 305m antenna

3.2 JPL 對美國在軌LRO 地基雷達(dá)探測

LRO 是目前NASA 唯一在軌運行的月球軌道航天器, 其尺寸較大且軌道位置已知, 成為地基雷達(dá)探測試驗的首選目標(biāo)。

LRO 是美國2004年提出的“新太空探索計劃” 的首次任務(wù), 搭載了宇宙射線望遠(yuǎn)鏡、 中子探測儀、月球激光高度計、月球勘測相機、 微型射頻合成孔徑雷達(dá)等載荷, 主要獲取全天月溫圖、月球大地坐標(biāo)、 高分辨率彩色圖像等科學(xué)數(shù)據(jù), 同時開展月球極區(qū)水冰探測。 LRO 于2009年5月18日發(fā)射, 目前運行在距離月表約50km高度的極地圓軌道, 軌道周期為113min。 LRO 的尺寸為3.86m×2.61m×2.74m, 展開后太陽能電池板面積為4.26m ×3.2m, 高增益天線向外伸出2.59m。 2016年7月2日, JPL 利用戈爾德斯通太陽系雷達(dá)和綠岸射電天文望遠(yuǎn)鏡組成雙站雷達(dá)系統(tǒng)對LRO 進(jìn)行了探測, 其中GSSR 負(fù)責(zé)發(fā)射雷達(dá)信號, GBT 負(fù)責(zé)接收雷達(dá)回波信號, 觀測示意如圖4 所示。

圖4 GSSR-GBT 雙站雷達(dá)系統(tǒng)觀測示意圖Fig.4 GSSR-GBT two-station radar system observation diagram

JPL 利用LRO 的精密軌道預(yù)報數(shù)據(jù), 首次成功探測到了LRO 回波信號。 圖5 (a) 為未經(jīng)多普勒補償?shù)脑蓟夭ǘ嗥绽? 功率圖, 表明在相應(yīng)的多普勒頻率范圍內(nèi)探測到回波, 回波持續(xù)了2.5min, 持續(xù)時間及信噪比與預(yù)期一致。圖5 (b) 為多普勒補償后的LRO 雷達(dá)回波成像結(jié)果, 顯示了5min 觀測弧段內(nèi)回波功率隨時間變化情況, 回波中心頻率范圍變小, 信噪比更強。

圖5 7月2日GSSR 和GBT 首次探測到LROFig.5 LRO was first detected by GSSR and GBT on July 2

此外, 回波信號表現(xiàn)出明顯的 “閃爍” 特性。 通過分析確認(rèn)是由于太陽能電池板反射雷達(dá)信號造成的。 LRO 太陽能電池板面積較大(展開后4.26m×3.2m)。 當(dāng)太陽能電池板垂直于雷達(dá)視線方向時, 可以高效地反射雷達(dá)信號; 而太陽能電池板平行于雷達(dá)視線方向時, 則表現(xiàn)為“隱身” 狀態(tài)。 因此, 雷達(dá)回波的信噪比發(fā)生顯著變化, 回波信號強度表現(xiàn)出“閃爍” 現(xiàn)象。

3.3 JPL 對印度月船1 號地基雷達(dá)探測

由于JPL 有LRO 的精確軌道數(shù)據(jù), 且其尺寸較大, 相對容易探測。 在成功探測到LRO 后,JPL 嘗試?yán)玫鼗走_(dá)探測其他的月球航天器以進(jìn)一步驗證能力, 探測目標(biāo)鎖定在已經(jīng)失聯(lián)的印度月船1 號。

雖然月船1 號確切位置未知, 但是JPL 研究人員根據(jù)先驗信息判斷其仍運行在200km 高度的環(huán)月軌道, 每圈軌道均會經(jīng)過月球兩極。 因此,JPL 研究人員在2016年7月2日將GSSR 和GBT天線指向月球北極上方約160km 處, 對月船1 號是否穿越雷達(dá)波束進(jìn)行確認(rèn)。

GSSR 在4.5h 內(nèi)持續(xù)發(fā)送連續(xù)波信號, 并兩次探測到月船1 號回波信號, 無多普勒補償?shù)幕夭ㄐ盘柟β式Y(jié)果如圖6 所示。 圖6 (a) 為2016年7月2日第一次探測到的結(jié)果; 圖6 (b) 為第二次探測到的結(jié)果, 回波間隔為2h8min。 根據(jù)理論分析,月船1 號繞月飛行的軌道周期為2h8min。 實際軌道周期與理論軌道周期一致。 成功探測到月船1 號進(jìn)一步證明了地基雷達(dá)對環(huán)月航天器的探測能力。

圖6 7月2日GSSR 和GBT 探測到月船1 號回波功率Fig.6 On July 2, the GSSR and GBT detected the Chandrayaan-1 echo power

月船1 號穿越波束的時刻表明其平近點角相對于2009年估計的軌道漂移了約160°。 根據(jù)2016年7月2日兩次探測結(jié)果, 利用目標(biāo)回波信號獲取了其速度和距離信息, JPL 研究人員對月船1 號的軌道進(jìn)行了初步改進(jìn)。

在改進(jìn)軌道之后, JPL 于2016年7月3日又組織對月船1 號進(jìn)行了4 次探測, 其中2 次采用連續(xù)波(僅多普勒測量) 模式, 2 次采用延遲-多普勒成像模式,月船1 號穿越波束時刻與預(yù)計結(jié)果僅差2min。 圖7 (a) 為月船1 號在經(jīng)過月球南極時的延遲-多普勒結(jié)果, 該圖像的距離分辨率為37.5m/像素, 這也是首次在地月距離上對航天器進(jìn)行雷達(dá)測距。 通過進(jìn)一步處理, 得到月船1 號在經(jīng)過月球南極的整個弧段內(nèi)的成像結(jié)果如圖7 (b) 所示。

圖7 7月3日GSSR 和GBT 對月船1 號延遲-多普勒探測結(jié)果Fig.7 On July 3, GSSR and GBT's delayed Doppler detection of Chandrayaan-1

通過對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 獲得擬合后的月船1 號雷達(dá)測量多普勒殘差均方根為4Hz,對應(yīng)X 頻段速度誤差為0.07m/s。 與典型的NASA 深空網(wǎng)對深空航天器的雙向相干多普勒數(shù)據(jù)相比, 誤差增大約200 倍, 但足以將月船1 號的軌道確定精度約束至1km 以內(nèi)。

此次試驗充分證明了地基雷達(dá)系統(tǒng)對月球目標(biāo)的探測能力[19,20]。

3.4 JPL 對日本Ouna 地基雷達(dá)探測

為了進(jìn)一步驗證地基雷達(dá)對月球目標(biāo)的探測能力, JPL 選擇體積更小的日本月亮女神探測任務(wù)甚長基線干涉測量子衛(wèi)星Ouna 作為探測目標(biāo)。

2016年8月26日, JPL 利用阿雷西博和GBT組成的雙站雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了觀測, 其中阿雷西博發(fā)送雷達(dá)信號, 并由GBT 接收回波信號, 觀測示意如圖8 所示。 Ouna 軌道位置誤差導(dǎo)致其在環(huán)月軌道可能分布的空域較大, 地面天線波束寬度也只覆蓋部分空域。 預(yù)估Ouna 當(dāng)天最高位軌道置高度為715km, JPL 將雷達(dá)對準(zhǔn)距月球北極約715km 高度的位置處, 獲得了初步探測結(jié)果, 如圖8 所示。

圖8 8月26日阿雷西博和GBT 初步探測OunaFig.8 On Aug.26, Arecibo and GBT made an initial detection of Ouna

圖9 佳木斯深空站66m 測控設(shè)備Fig.966m measurement and control equipment of Jiamusi deep space station

圖10 喀什深空站35m 測控設(shè)備Fig.1035m measurement and control equipment of Kashi deep space station

圖12 喀什深空站天線陣系統(tǒng)布局[22]Fig.12 Antenna array system layout of Kashi deep space station

圖8 (a) 表明S 頻段雷達(dá)回波的多普勒頻率在-18.4kHz ～-18.0kHz 之間。 圖8 (b) 為回波功率強度隨時間和多普勒頻率的變化情況, 雷達(dá)回波信號從2016年8月26日UTC 時間12: 06開始, 共持續(xù)約7min。 Ouna 是一個體積較小的八面柱體, 也沒有展開的太陽能電池板, 其回波信號沒有LRO 和月船1 號清晰。

通過地基雷達(dá)探測到LRO、 重新發(fā)現(xiàn)失聯(lián)的月船1 號并初步搜尋到體積更小的Ouna, 證明了GSSR、 GBT 和阿雷西博構(gòu)成的大型雷達(dá)設(shè)施協(xié)同工作, 可以探測和跟蹤月球軌道上的小型航天器。

4 啟示與建議

4.1 我國深空測控系統(tǒng)現(xiàn)狀與潛力

在探月工程的推動下我國建成了全球布站的深空測控網(wǎng)。 探月工程二期建成了喀什35m 深空站和佳木斯66m 深空站, 探月工程三期建設(shè)了阿根廷35m 深空站, 其測控覆蓋率達(dá)到90%, 具備支持各類月球和深空探測任務(wù)的多頻段遙測、 遙控、 數(shù)據(jù)接收和跟蹤測量等功能, 是目前世界上功能完備全球布局的三大深空測控網(wǎng)之一。

佳木斯深空站(北緯46°29′37″, 東經(jīng)130°46′12″), 位于中國黑龍江省佳木斯市東南約45km 樺南縣境內(nèi)。 在該站建設(shè)了一套具備S/X雙頻段測控能力的66m 深空測控設(shè)備(綜合考慮氣象等因素暫未考慮Ka 頻段), 于2013年建成并投入使用[12]。

喀什深空站(北緯38°26′34.7″, 東經(jīng)76°43′40.3″), 位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市以南約130km 莎車縣境內(nèi)。 該站建設(shè)了一套具備S/X/Ka三頻段頻測控能力的35m 深空測控設(shè)備, 于2013年建成并投入使用[12]。

阿根廷深空站(南緯38°11′28.90″, 西經(jīng)70°8′58.20″), 位于南美洲阿根廷西部內(nèi)烏肯省薩帕拉市以北約80km, 站址所處的區(qū)域該站建設(shè)了一套具備S/X/Ka 三頻段頻測控能力的35m 深空測控設(shè)備, 如圖14 所示。 2017年建成并投入運行[21]。

在2020年我國實施首次火星探測任務(wù)中, 深空測控系統(tǒng)為了實現(xiàn)4 億千米遠(yuǎn)距離測控, 在喀什深空站新建了3 個35m 口徑天線, 通過天線組陣技術(shù)將該深空站內(nèi)的4 個35m 天線組成一個天線陣系統(tǒng), 組陣后喀什深空站的X 頻段接收能力已經(jīng)達(dá)到了與佳木斯深空站66m 天線相當(dāng)?shù)乃健?此外, 在后續(xù)月球探測工程還規(guī)劃在佳木斯深空站再建設(shè)一個35m 口徑Ka 頻段深空測控設(shè)備。

我國深空測控網(wǎng)采用了國際標(biāo)準(zhǔn)的S、 X 和Ka 三頻段, 頻率范圍覆蓋NASA 和ESA 深空站的頻率范圍, 符合國際電聯(lián)和CCSDS 的相關(guān)建議,如表1 所示。 目前S 和X 頻段上下行鏈路均可用, Ka 頻段主要用于下行接收。 佳木斯深空站具備S、 X 雙頻段上行發(fā)射及下行接收能力, 喀什深空站和阿根廷深空站具備S、 X 雙頻段上行發(fā)射及下行接收能力和Ka 頻段下行接收能力, 3 個深空站均配有S、 X 頻段測控發(fā)射機, 輸出功率為10kW, EIRP 值分別為93dBW (S 頻段,35m)、 96dBW (S 頻段, 66m)、 104dBW (X 頻段, 35m)、 107dBW (X 頻段, 66m)[23]。

表1 深空測控工作頻段Table 1 Deep space TT＆C operating frequency bands

在2012年自行研制了深空測控系統(tǒng)S 頻段和X 頻段10kW 速調(diào)管發(fā)射機的基礎(chǔ)上, 我國于2017年又實驗成功了X 頻段50kW 連續(xù)波速調(diào)管高功放, 已經(jīng)初步具備研發(fā)200kW 級大功率發(fā)射機的技術(shù)基礎(chǔ)。 此外, 在國家高技術(shù)發(fā)展計劃支持下, 在上行天線組陣技術(shù)上也取得了突破, 實現(xiàn)了對同步軌道通信衛(wèi)星的上行3 個天線組陣技術(shù)研究與試驗驗證, 達(dá)到了80%的合成效率[24]。

隨著我國近年來在大口徑射電望遠(yuǎn)鏡研制方面的突破, 也建設(shè)了多個射電望遠(yuǎn)鏡, 具體包括中國科學(xué)院國家天文臺密云站的50m、 40m 射電望遠(yuǎn)鏡, 武清站70m 射電望遠(yuǎn)鏡, 國家天文臺貴州500m 球面口徑FAST 望遠(yuǎn)鏡, 云南天文臺昆明站40m 射電望遠(yuǎn)鏡, 新疆天文臺烏魯木齊站25m射電望遠(yuǎn)鏡, 上海天文臺佘山站25m、 天馬站65m。 上述射電天文望遠(yuǎn)鏡除了開展射電天文研究外, 還承擔(dān)了月球及深空探測工程任務(wù)。 密云站和昆明站作為地面應(yīng)用系統(tǒng)的組成部分承擔(dān)了月球及深空探測器科學(xué)應(yīng)用數(shù)傳數(shù)據(jù)接收任務(wù),佘山站、 天馬站、 烏魯木齊站、 密云站和昆明站作為測控系統(tǒng)VLBI 測軌的組成部分承擔(dān)了月球及深空探測器VLBI 測軌任務(wù)。 上述射電望遠(yuǎn)鏡的工作頻段非常寬, 主要覆蓋了UHF、 L、 S、 C、X、 Ka 等多個頻段[25]。

4.2 我國地月空間碎片探測系統(tǒng)發(fā)展建議

基于我國已有深空測控網(wǎng)、 射電天文觀測設(shè)施和已經(jīng)具備的工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)條件, 構(gòu)建我國地月空間碎片探測系統(tǒng)已經(jīng)具備了技術(shù)上的可行性。 建議按照一次規(guī)劃設(shè)計、 分步建設(shè)實施、 逐漸擴大規(guī)模和能力的步驟發(fā)展建設(shè)。

首先, 依托我國深空測控網(wǎng)在喀什深空站的一個35m 天線或者是佳木斯的66m 天線, 配置50kW 級X 頻段大功率發(fā)射機, 具備雷達(dá)發(fā)射能力, 由國內(nèi)射電天文觀測設(shè)備的上海天馬65m、天津武清70m、 北京密云和云南昆明的40m 等多個天線接收, 共同構(gòu)成多基地雷達(dá)探測系統(tǒng), 對月球軌道在軌航天器進(jìn)行地基雷達(dá)探測技術(shù)驗證, 在具備初步探測能力之后, 進(jìn)一步發(fā)展更高頻率和更大帶寬的高分辨率探測系統(tǒng)。

其次, 在Ka 頻段10kW 級大功率發(fā)射技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上, 發(fā)展基于發(fā)射信號空間合成的寬帶組陣?yán)走_(dá)系統(tǒng), 利用喀什深空站的3 個35m天線, 分別配置Ka 頻段大功率發(fā)射機, 由上海天馬65m、 佳木斯深空站新建35m、 以及未來將建設(shè)的長白山40m 和日喀則40m 天線進(jìn)行接收,構(gòu)建Ka 頻段寬帶高精度地月空間探測雷達(dá)系統(tǒng),具備對目標(biāo)進(jìn)行成像探測的能力。

最終, 通過進(jìn)一步擴大喀什深空站35m 天線發(fā)射組陣系統(tǒng)的規(guī)模, 大幅度提高發(fā)射功率, 可以實現(xiàn)更小目標(biāo)的探測能力, 并可以將探測距離延伸到更遠(yuǎn)的日地拉格朗日點乃至可以探測距離地球數(shù)千萬千米遠(yuǎn)的近地小行星。

5 結(jié)論

隨著人類探索月球活動的不斷深入, 甚至還會出現(xiàn)地月空間經(jīng)濟圈, 對于地月空間碎片的探測感知要求也逐步提上議事日程。 作為負(fù)責(zé)任的大國和追求航天強國目標(biāo)的中國, 也應(yīng)當(dāng)在地月空間碎片探測領(lǐng)域有所作為, 為構(gòu)建人類命運共同體貢獻(xiàn)中國智慧、 中國方案、 中國力量。 加快依托已有深空測控設(shè)施和射電天文觀測設(shè)備, 推動我國地月空間碎片雷達(dá)探測系統(tǒng)建設(shè), 將是具有里程碑意義的標(biāo)志性事件。