□ 王舒穎

不管嫦娥二號(hào)飛入到月宮巡游，到拉格朗日L2點(diǎn)旅行，還是與小行星正面“交鋒”，地球上的“管家”都會(huì)為她服務(wù)，會(huì)隨時(shí)給她提供各種日程提醒與指令。在她把探測(cè)獲取的信息源源不斷地從九天之外發(fā)回地球時(shí)，地面的“管家”還要接收、處理、存儲(chǔ)和分析這些信息……這個(gè)連接著“天”與“地”的“管家”，就是探月工程中的地面應(yīng)用系統(tǒng)。

嫦娥工程的地面“管家”

地面應(yīng)用系統(tǒng)是唯一一個(gè)因嫦娥工程而新組建的系統(tǒng)，是我國(guó)第一個(gè)深空探測(cè)的應(yīng)用系統(tǒng)。嫦娥二號(hào)的地面應(yīng)用系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)為主承擔(dān)。它由三部分組成，一是國(guó)家天文臺(tái)的總部，由數(shù)據(jù)的運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和科學(xué)應(yīng)用四個(gè)分系統(tǒng)組成。二是由北京密云地面接收站組成的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。三是云南昆明地面接收站組成的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。這兩個(gè)地面接收站是負(fù)責(zé)地球和衛(wèi)星之間的橋梁，是地面應(yīng)用系統(tǒng)要求最嚴(yán)格、可靠性要求最好的橋梁。

“嫦娥二號(hào)”地面應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)分為三個(gè)階段。

第一階段，即工程的方案和設(shè)計(jì)階段，地面應(yīng)用系統(tǒng)要在首席科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下制定工程的科學(xué)目標(biāo)與探測(cè)計(jì)劃，包括確定有效載荷的類型、技術(shù)指標(biāo)和配置。

第二階段，即業(yè)務(wù)運(yùn)行階段，要對(duì)載荷的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并利用兩個(gè)數(shù)據(jù)接收天線，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、分發(fā)和處理。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)地面站要利用天線跟蹤和捕獲衛(wèi)星，收集無(wú)線電信號(hào)，并利用相關(guān)設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將及時(shí)傳回總部——國(guó)家天文臺(tái)，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

第三階段，地面應(yīng)用系統(tǒng)要組織人員對(duì)各種有效載荷獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解疑、反演和科學(xué)應(yīng)用研究，“嫦娥二號(hào)”的相關(guān)論文、圖像、地圖等均屬于第三階段的成果。簡(jiǎn)而言之，地面應(yīng)用系統(tǒng)是體現(xiàn)既定科學(xué)目標(biāo)及科學(xué)價(jià)值的研究與應(yīng)用中心。

用數(shù)據(jù)與圖像“翻譯”月球

“地面應(yīng)用系統(tǒng)最重要的就是怎么把數(shù)據(jù)接收下來(lái)。”探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師李春來(lái)曾說(shuō)。

為了適應(yīng)嫦娥二號(hào)的任務(wù)需求，地面應(yīng)用系統(tǒng)針對(duì)嫦娥二號(hào)的技術(shù)要求進(jìn)行了相應(yīng)的改造工作。一是將地面站傳輸數(shù)據(jù)的帶寬拓寬，由原來(lái)的3兆碼速率增加到12兆，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)接收的能力，從而保證有效載荷獲得的高分辨率數(shù)據(jù)能盡快傳回地面。二是根據(jù)嫦娥二號(hào)的科學(xué)儀器狀況，對(duì)地面應(yīng)用系統(tǒng)管理儀器、軟硬件的系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。此外最重要的是更新地面應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，增強(qiáng)計(jì)算能力，確保對(duì)嫦娥二號(hào)海量數(shù)據(jù)的處理。三是做好嫦娥二號(hào)科學(xué)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)方案。

嫦娥二號(hào)一共有7臺(tái)有效載荷，據(jù)中國(guó)探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師溫衛(wèi)斌介紹，在拓展任務(wù)中，針對(duì)工作能力和工作狀態(tài)選擇了其中4臺(tái)有效載荷，繼續(xù)發(fā)揮它的預(yù)熱。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星上搭載的太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器、太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器、X射線譜儀及γ射線譜儀等有效載荷，將探測(cè)地球遠(yuǎn)磁尾的帶電粒子，并對(duì)可能的太陽(yáng)X射線爆發(fā)和宇宙γ爆等進(jìn)行觀測(cè)，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，提高對(duì)日地空間環(huán)境的認(rèn)識(shí)。這4臺(tái)有效載荷從2011年5月底開始拓展任務(wù)，總共累計(jì)工作時(shí)間約3500小時(shí)，地面接收的數(shù)據(jù)大概有206GB。目前這些數(shù)據(jù)還在進(jìn)一步的分析中，并已經(jīng)取得了部分重要的分析成果。

最終，嫦娥二號(hào)在地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下，獲得7米分辨率、100%覆蓋全月球表面的全月球影像圖，并成功控制衛(wèi)星的主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施降軌，對(duì)虹灣區(qū)域進(jìn)行高清晰成像，又獲得了幅寬6千米左右的16軌圖像，對(duì)進(jìn)一步了解虹灣區(qū)域的地形地貌，為嫦娥三號(hào)著陸區(qū)域的選擇提供了寶貴的信息。

這些寶貴數(shù)據(jù)的獲得有著重要的意義。一方面，這些數(shù)據(jù)為我們進(jìn)行月球探測(cè)、太陽(yáng)探測(cè)，乃至行星際空間探測(cè)，尤其是研究地球和太陽(yáng)的相互作用等，都積累了豐富的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。另一方面，嫦娥二號(hào)在距離地球700萬(wàn)千米的深空對(duì)圖塔蒂斯小行星拍照并成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與處理，進(jìn)一步驗(yàn)證了我們的深空數(shù)據(jù)接收能力。

北京密云地面接收站50米口徑天線

有力推動(dòng)全球月球探測(cè)的發(fā)展

截至去年年底，嫦娥二號(hào)共獲得15TB的數(shù)據(jù)(10TB大約等于一個(gè)人腦的存儲(chǔ)量)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向全世界發(fā)布，現(xiàn)共有包括港、澳、臺(tái)30多家科研機(jī)構(gòu)和高校獲得了嫦娥二號(hào)的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上展開了相應(yīng)的研究。

月球探測(cè)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)國(guó)家的學(xué)科建設(shè)與科學(xué)研究都有非常重要的促進(jìn)作用，大大推動(dòng)了我國(guó)月球探測(cè)與未來(lái)的行星探測(cè)的科學(xué)研究。以我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金與探月相關(guān)的項(xiàng)目申請(qǐng)為例，在2001年時(shí)還沒(méi)有相關(guān)項(xiàng)目，2008年有6項(xiàng)基金，到2011年達(dá)到26項(xiàng)。同時(shí)，國(guó)家“863”計(jì)劃也增加對(duì)月球探測(cè)數(shù)據(jù)的開發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目。一些高校也開始重視對(duì)月球探測(cè)的研究。2009年教育部以湖南大學(xué)為基礎(chǔ)，聯(lián)合包括北大、清華在內(nèi)的20多所高校，成立深空探測(cè)聯(lián)合研究中心，開展對(duì)月球探測(cè)和行星探測(cè)的數(shù)據(jù)研究。

據(jù)地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師劉建軍介紹，用戶可以在國(guó)家天文臺(tái)的官網(wǎng)進(jìn)行申請(qǐng)，在月球探測(cè)中心批準(zhǔn)審核通過(guò)后，會(huì)由國(guó)家天文臺(tái)對(duì)外發(fā)布數(shù)據(jù)。目前，數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)站上已有2000多個(gè)注冊(cè)用戶。