國際金星探測計劃進展和我國金星重力梯度計劃的實施*

鄭 偉 許厚澤 鐘 敏 劉成恕

(中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077)

1 引言

深空探測計劃是20世紀國內外研究機構探索空間環境和利用空間資源的關鍵途徑，主要包括5個研究領域:月球探測、火星探測、水星/金星探測、巨行星探測以及小行星/彗星探測;預期科學目標是:開發空間資源、擴展生存空間、探索宇宙起源。

金星是太陽系中距地球最近的行星(最近4 100萬千米)。金星是除太陽和月球之外，在天空中能直接看到的最明亮天體。雖然金星和地球被稱為“孿生姊妹”，但金星在諸多方面與地球迥然不同:1)金星自東向西逆向旋轉，自轉周期(243天)大于公轉周期(225天);2)由于日金距離比日地距離短約1/3，因此金星獲得的太陽能比地球多1 倍;3)由于金星具有非常濃密的大氣層，因此金星的反照率(0.76)在太陽系行星中名列前茅。為了盡快揭開金星的神秘面紗，自20世紀60年代起，以蘇聯和美國為代表的國際眾多科研機構競相開展了金星探測計劃，并獲得了大量的金星研究數據和科學信息，主要包括:蘇聯“金星”系列(16 個探測器)、美國“水手”系列(10 個探測器:3 個飛向金星、6 個飛向火星、1 個對金星和水星開展雙星觀測)、美國“麥哲倫”探測器、歐洲“金星快車”探測器、日本“拂曉”探測器等。

金星重力場的精密探測決定著環金飛行器軌道的優化設計和理想著陸點的合適選?。?－10］。由于當前金星重力場信息均是通過環金飛行器的多普勒跟蹤數據獲得，其僅敏感于金星重力場的中低頻信號，而且探測精度相對較低，因此盡早實施專用金星重力衛星計劃，進而構建高精度和高空間分辨率的金星重力場模型刻不容緩。

2 國際金星探測計劃研究進展

如表1 所示，國際科研機構共發射了32 個金星探測器，如果將路過金星的探測器計算在內，總數已達40 余個。

表1 國際金星探測計劃發展歷程［1－10］Tab.1 Progress in international Venus exploration programs［1－10］

國際未來金星探測計劃進展如表2。

3 金星重力場模型建立進展(1980—2002年)

金星重力場模型是指金星引力位按球諧函數展開中引力位系數的集合{Clm，Slm}。自蘇聯于1961年2月4日首次發射金星探測器“金星－1A”以來，國際眾多科研機構已利用多種技術開展了大量的金星重力場測量。表3 列出了基于金星探測器觀測數據建立的主要金星重力場模型，其中MGNP180U 模型是利用“麥哲倫”探測器的多普勒跟蹤數據建立的180 階次金星重力場模型，在180 階處解算金星引力位系數精度為2.5 ×10－9。雖然MGNP180U 模型是至今為止解算精度較高的金星重力場模型，但由于“麥哲倫”金星探測器的主要科學目標并非金星重力探測，因此金星重力場測量精度有待進一步提高。基于地球專用重力衛星CHAMP、GRACE 和GOCE 以及月球專用重力測量衛星GRAIL 在高精度探測重力場方面的卓越貢獻，盡早發射金星專用重力衛星是建立更高精度和更高階次金星重力場模型的優選途徑，通過將來專用重力衛星測量金星重力場的預期精度較目前金星探測器精度至少提高10 倍。

表3 金星重力場模型Tab.3 Venus gravity field models

4 對我國實施金星重力梯度計劃的建議

4.1 SST-HL/SGG-Doppler-VLBI 觀測模式的優化選取

SST－HL/SGG－Doppler－VLBI(Satellite－to－Satellite Tracking in High－Low/ Satellite Gravity Gradiometry mode associated with Doppler and Very Long Baseline Interferometry)觀測系統由地球Doppler－VLBI 系統、低軌金星重力梯度衛星、聯系Doppler－VLBI 系統和低軌金星重力梯度衛星的中繼高軌衛星群組成。該觀測模式的優點如下:1)由于采用傳統金星探測器的多普勒跟蹤數據僅能獲得金星重力場的中長波信號，而衛星重力梯度張量可直接測量金星引力位的二階導數，進而反演金星重力場精細結構的中短波信息。因此，衛星重力梯度測量技術是提高金星中高頻重力場信號精度的優選途徑;2)基于衛星多普勒觀測的傳統衛星重力測量技術主要取決于衛星定軌精度的高低，而SST－HL/SGG－Doppler－VLBI 對定軌精度的要求相對較低，主要原因是加速度計陣列本身可測定衛星的運動姿態，而且重力梯度數據的后處理可進一步改善衛星的定軌精度;3)金星重力梯度衛星在近圓、近極軌和低軌道上連續飛行可獲得全球覆蓋和規則分布的重力梯度數據，數據的密度和分布取決于衛星飛行時間、數據采樣間隔、軌道參數等;不僅可高精度探測金星重力場信號，而且可借鑒地球重力梯度衛星GOCE［22－26］整體系統的成功經驗。

4.2 衛星軌道高度的優化設計

由于不同金星探測器的軌道高度敏感于不同階次的金星引力位系數，因此目前已有金星探測器僅在特定軌道高度區間可發揮優越性，而在軌道空間范圍外基本無能為力。如果我國將來金星重力梯度衛星也設計在已有金星探測器的軌道高度空間范圍，除非金星重力場的反演精度高于它們，否則效果僅相當于其測量的簡單重復，對于金星重力場反演精度的進一步提高無實質性貢獻。因此，我國將來金星重力梯度衛星的軌道高度應盡可能選擇在已有金星探測器的測量盲區，進而信息互補。我國將來金星重力梯度衛星雖然攜帶了非保守力補償系統，但由于有限測量精度的非保守力補償系統無法將作用于金星重力梯度衛星體的非保守力完全平衡掉，同時軌道和姿態微推進器的頻繁噴氣將導致衛星攜帶燃料的大量損耗。因此，適當降低我國將來重力梯度衛星的軌道高度有利于提高金星重力場的反演精度，其代價是略微損失了衛星的工作壽命。綜上所述，我國將來金星重力梯度衛星的軌道高度設計為50 ～100 km 較合理。

5 我國實施金星重力梯度計劃的重要意義

迄今為止，蘇聯、美國、歐洲和日本已發射了40余顆金星探測器，另外，美國、俄羅斯、法國、日本和德國預計于2020—2025年將聯合開展更高精度和更加全面的金星探測計劃。但至今為止，國際科研機構仍未制定金星專用重力衛星測量計劃，因此我國應盡早開展金星重力梯度計劃。

金星重力梯度計劃是一項多學科和高技術相互交叉、滲透和集成的系統工程。由于地球和金星有較多相似之處，因此基于金星的成因、演變和構造等方面的科學信息，有助于研究地球的起源、發展和演變史，可較大程度提升人類對地球、金星、太陽系、銀河系、以及宇宙起源和演變特性的認知和理解。

繼探月計劃［27－29］和火星探測計劃［30－32］之后，金星探測已成為國際眾多航天大國關注的研究熱點。類似于“嫦娥探月”計劃，金星重力梯度計劃的成功實施將成為提升我國深空探測科技水平的重要途徑。目前我國已在人造衛星、載人航天、月球探測等研究領域取得了重大突破，因此盡早開展金星重力梯度計劃和積極參與金星資源的開發和利用是我國航天科技發展的重大舉措。

6 結論

開展金星衛星重力梯度計劃將填補我國在金星探測方面的空白，為盡快縮短與國際先進金星探測水平的差距提供良好的平臺和機遇，有助于進一步增強我國航天大國的影響力。

致謝感謝羅俊院士對本文的幫助。感謝美國宇航局( NASA)、俄羅斯聯邦航天局( RSA)、歐洲空間局( ESA)、日本宇宙航空研究開發機構( JAXA)等研究機構提供金星探測計劃的相關資料。

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