國外深空探測光學遙感載荷發展現狀與啟示

周峰 鄭國憲 蘇云

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

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

進入21世紀，人類的深空探測迎來了一個新紀元。自2003年以來，世界各航天國家紛紛推出新的深空探測發展戰略、規劃和計劃，并力求建立全球深空探測戰略與結構體系，為了尋找天體中水和生命的跡象，實現一系列科學目標，全面展開對整個太陽系以及更遠深空的探測。

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

2 國外深空探測光學遙感載荷發展現狀

從1958年8月17日美國發射第一個月球探測器先驅者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。據統計，截止到2010年12月，人類已發射過的向月球以遠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，探測目標以月球為主，占總數超過一半。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，介紹國外深空探測光學遙感載荷近十幾年來的發展情況。

2.1 月球探測主要光學遙感載荷及分類

人類的月球探測始于20世紀50年代末，沉寂于20世紀70年代的Apollo載人登月計劃。20年后，人類重啟月球探測活動，美國已經開始重返月球，于20世紀90年代發射了“克萊門汀”（Clementine）與“月球勘探者”（Lunar Prospector）月球探測衛星，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成分等各個方面對月球進行了較全面的探測。

進入21世紀，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實施新的月球探測計劃，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日發射了“月球勘測軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter），較之前的月球任務，獲取的月球數據的技術指標獲得大幅度提高，對深化月球的認識以及登月工程的實施都具有重要意義[4]。表1為近幾年國外月球探測衛星搭載的主要光學遙感載荷[5-9]。

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根據月球探測光學遙感載荷的發展情況，按科學目標光學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，月球內部結構；2）勘查地形地貌，繪制月球地圖；3）研究月球空間氣候，探尋月球陰影區水冰；4）其它科學目標（包括拍攝地球升起的過程，引力場、物質流研究，火山、環形山探測等）。具體分類見表2。

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2.2 火星探測主要光學遙感載荷及分類

美國和蘇聯早在20世紀60年代就開始了探索火星的活動，其探索結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、利用太空資源具有非常重要的意義。因此，隨著空間探測技術的不斷進步，特別是在進入20世紀90年代以后，美國等國家加快了探索火星的步伐，發射了一系列的火星探測器，獲得了有關火星的新數據和資料以供科學工作者進行研究。

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，并制定了相應的火星探測計劃。尤其是2003年歐空局發射的“火星快車”，取得了舉世矚目的科學成果。隨著火星探測活動的不斷深入，火星探測必將成為新世紀航天領域的新熱點[10]。表3為近十幾年國外火星探測所搭載的主要光學遙感載荷[11-17]。

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根據火星探測光學遙感載荷的發展情況，按照科學目標火星探測光學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遙感載荷[18-25]。

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總的來說，不管深空探測的目標是哪個天體，按科學目標光學遙感載荷主要分為以下3類：

1）光譜分析類：包括用于研究物質組成、環境及其演化、內部結構等。

2）成像類：包括地形地貌研究、繪圖、地質結構分析、尋找著陸點等。

3）工程探測類：包括衛星狀態監視、輔助降落、導航、避障、挖掘等。

3 深空探測光學遙感載荷發展趨勢

綜上所述，根據不同科學目標的任務需求，深空探測光學遙感載荷種類繁多。但從共性看，主要有以下幾個發展趨勢：

1）隨著技術不斷進步，光學遙感載荷的性能越來越高，在深空探測中發揮的作用越來越重要，衛星所攜帶的光學遙感載荷也越來越多；

2）光學遙感載荷所承擔的科學目標從單一到多元化、從簡單到復雜（例如月球探測光學遙感載荷科學目標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目標）；

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

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

5）逐漸開始重視光學遙感載荷之間的互相協作，以更好地完成任務（例如LCROSS衛星的所有光學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個國際光學遙感載荷）。

4 我國開展深空探測光學遙感載荷研究的啟示與建議

4.1 國外深空探測光學遙感載荷的發展對我國的啟示

我國的深空探測剛剛起步，而國外已經經歷了50多年的發展。我國在開展深空探測活動過程中，應充分借鑒國外的經驗和教訓，少走彎路。根據國外發展情況，得出以下發展啟示：

（1）腳踏實地、循序漸進，確定深空探測各領域的科學目標

深空探測活動技術復雜，風險極高。據統計，在人類50多年的深空探測活動中，截止到2010年12月已發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91次，占39.9%；還有4次任務正在飛行途中（新地平線號、羅塞塔、黎明號、STEREO）。建立深空探測技術能力極其困難，而深空探測光學遙感載荷技術能力是關鍵之一。

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，兩國爭相發展深空探測技術能力，相互爭奪深空探測各個領域的第一。從公開文件分析，美國在1997年才系統公布其完整的科學目標，之前大部分都是為了爭各個領域的第一而發射，科學目標不完善甚至根本就不明確。第二個階段從20世紀末至現在，冷戰結束以后，俄羅斯的深空探測迅速歸于沉寂，反映出沒有明確的科學目標作為牽引，深空探測活動根本無法持續發展。20世紀末開始，美國的深空探測活動尤其是各種光學遙感載荷的提出逐漸開始與科學目標建立比較深的聯系，其技術能力的建立花費了30多年的時間。

因此，我們應該腳踏實地、循序漸進，逐步搞清楚深空探測各個領域的科學目標，在此基礎上有針對性的開展深空探測各領域的光學遙感載荷技術研究，為后續深空探測光學遙感載荷技術能力的建設和提升奠定基礎。

（2）有針對性地開展深空探測光學遙感載荷研究工作，實現可持續發展

分析國外過去開展的深空探測歷程，不難看出：從技術實現的難易程度和持續發展的角度出發，基本采取了飛越、環繞、著陸、返回的探測方式。在當時的技術條件下，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的技術途徑中存在內在的發展規律。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，也應該遵循同樣的指導原則，尊重航天技術發展的內在規律，有計劃、有步驟的開展深空探測任務，實現深空探測活動的可持續發展。

而深空探測光學遙感載荷的研究要緊跟國際形勢，瞄準國家深空探測規劃，有針對性的開展相關探測任務的光學遙感載荷研究工作，實現深空探測光學遙感載荷的可持續發展。

（3）由簡入繁、從易到難，搭建我國特有的深空探測光學遙感載荷技術和能力體系

采取由簡入繁、從易到難、單目標與多目標相結合和交叉的方式逐步推進深空探測各類光學遙感載荷關鍵技術的不斷進步，針對探測距離不斷增大、環境復雜多變的特點，突破共性關鍵技術，搭建我國特有的深空探測光學遙感載荷技術和能力體系。從而在2030年后，使我國的深空探測具備對人類已發現的各類天體開展已知形式的各種探測的能力，滿足進行太陽系和宇宙的科學探索對深空探測光學遙感載荷的需求。

（4）加強工程與科學的聯合

國外深空探測的模式是由科學家帶隊提出需求，工程師根據需求尋求解決的方法。只有這種科學與工程的緊密結合，才能有針對性的研制出先進的光學遙感載荷。我國目前的情況是科學與工程脫節，工程師研制出的光學遙感載荷所獲得的數據不是科學家想要的結果。因此，光學遙感載荷工程研制單位應該與中科院及高校等科學單位聯合，明確科學目標需求。

4.2 我國開展深空探測光學遙感載荷研究的建議

目前，我國正在開展2030年前的深空探測規劃。為了保證歷次任務的順利實施，應該提前開展光學遙感載荷技術的研究，建議重點開展以下幾方面的工作：

（1）深入研究國外先進光學遙感載荷技術

深空探測活動已經開展了50多年，國外已經進行了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發射的深空探測光學遙感載荷的技術發展情況，更要實時跟蹤國外深空探測的最新動向和新技術的應用，積極參與國家深空探測規劃的建設，掌握國家對深空探測光學遙感載荷的需求，并展開國內深空探測各領域的用戶需求及科學目標的調研分析和創新，深入開展深空探測光學遙感載荷技術研究工作。

例如，國外最近幾次深空探測任務中多次采用了低溫光譜儀和遠紫外光譜儀載荷，這些載荷可以滿足什么樣的科學目標、獲得了哪些科學研究成果、采用了什么樣的先進技術，這些都需要我們進行深入學習和研究，才能結合我國國情提出合理的科學目標并推動技術的進步。

（2）做好我國深空探測光學遙感載荷技術發展戰略規劃

近年來，世界各主要航天國家都十分重視深空探測戰略的制定工作，以宏大的視野、從戰略的高度明確未來各自的發展方向和重點。從1997年起，美國每3年一次對其深空探測規劃進行更新和完善。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”超大規模星際探索計劃。日本、印度也通過規劃促進深空探測的發展。

我們應該根據國家深空探測規劃，制定系統的深空探測光學遙感載荷技術發展戰略規劃，明確長遠發展的目標和需要重點扶持的專項技術，并及早開展相應的研究工作，對整個深空探測的可持續發展具有十分重要的意義。深空探測光學遙感載荷的技術難度大，研制周期長，需要攻克的關鍵技術多。因此，需要盡早開展深空探測光學遙感載荷共性關鍵技術的研究工作。在明確任務規劃后，需要盡早合理安排專項關鍵技術的預研，避免某些環節出現“瓶頸”，制約深空探測任務的進程，甚至導致任務無法實施。

（3）開展典型、共用和繼承性光學遙感載荷研究，提煉共性關鍵技術

根據國外深空探測光學遙感載荷的發展情況可知，國外深空探測光學遙感載荷具有很強的繼承性，甚至直接采用備份載荷，即使不同天體探測器的光學遙感載荷也有很多相似和通用之處。在深入開展各領域深空探測光學遙感載荷研究的同時，提煉各領域光學遙感載荷的典型技術和共性關鍵技術，并結合我國國情及時提出創新性技術，為我國深空探測光學遙感載荷的發展和戰略規劃提供技術支持。

針對對國外深空探測光學遙感載荷的研究情況，建議重點發展輕小型化技術、低溫光學技術、超高光譜分辨率光譜儀技術和紫外光學載荷技術等。

（4）既注重技術創新，又注重技術的繼承性和銜接性

深空探測是一項復雜的工程，包含幾十甚至上百種專業，不管哪個專業的新技術的出現都需要創新，只有創新才能不斷推進深空探測光學遙感載荷技術的進步。

從國外深空探測光學遙感載荷的發展來看，共性關鍵技術之間存在多種多樣的內在聯系，彼此之間有一定的繼承性和銜接性。通過關鍵技術的繼承和銜接，確定各次任務可靠完成。同時，通過實施上述規劃中共性關鍵技術的突破和驗證，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、強引力弱引力、高溫度低溫度，探測形式涵蓋飛越、撞擊、環繞、伴飛、附著、著陸、巡視、大氣機動、采樣返回等多種深空探測目標及深空探測形式組合的光學遙感載荷工程技術能力體系，實現深空探測光學遙感載荷技術的不斷深化發展，保證我國研制和發射各類深空探測任務目標的能力。

（5）積極開展國際交流與合作

由于深空探測項目涉及的技術領域廣泛，沒有哪個國家可以在所有領域都處于世界領先地位。我國在深空探測領域與歐美國家尚有較大差距，在光學遙感載荷方面差距也較大，特別是在探測器、低溫光學等領域。因此，我國應該積極開展國際合作，使資源得到充分利用，優勢互補，使探測器性能最優化，為深空探測規劃歷次任務的順利實施奠定基礎。

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