嫦娥四号是怎么落月的?

haibaraemily,公众号haibaraemily_planets

今年 4 月,以色列首个探月任务——创世纪号在成功绕月之后,于动力下降阶段不幸着陆失败,坠毁在月球表面。

9 月初,印度的第二个探月任务,也是印度首个月球着陆任务——月船二号着陆器在动力下降至距离月表 2.1 公里后不久失去联系,最终软着陆失败,也坠毁在月球表面。

从环绕到着陆,这“再靠近一点点”的十几或者几十公里距离里,无数探测器折戟于此。

着陆到底有多难?

了解了这点,才能真正体会到,我国嫦娥三号、四号成功落月有多么了不起。

就在前几天,《自然·通讯》杂志在线发表了以中国科学院国家天文台、中国科学院大学为首的刘建军等科学家们对嫦娥四号落月过程的重建结果[1],通过降落相机拍摄的影像回溯嫦娥四号的落月之路。

嫦娥四号着陆器底部安装了一台降落相机(LCAM),随着嫦娥四号在降落过程中不断靠近月球表面,降落相机也在不断拍照——根据照片图幅的大小、角度变化和拍摄到的特征地貌,再与已有的月球地图做对比和匹配,就可以反推嫦娥四号在降落过程中各个阶段的位置和角度,也可以大致推测着陆点所在的位置了。

嫦娥四号的计划降落策略

和嫦娥三号一样,自主着陆的嫦娥四号整个动力下降过程也分为 6 个阶段:主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。也和嫦娥三号一样,嫦娥四号继续使用 7500N 变推力发动机来完成动力下降阶段的减速和航迹调整。

嫦娥四号的动力下降过程▼

然而,虽然同样是要着陆在月球表面,降落过程中在月面上的航迹也都是 450 公里左右,但由于目的地的地形差异,嫦娥三号和嫦娥四号采取的降落策略就大大不同了

嫦娥三号的着陆区是月球正面平坦的雨海内部,整个降落航迹下的地形起伏不超过 800 米,而嫦娥四号的计划着陆区虽然本身是位于相对平坦的冯·卡门撞击坑内部,但冯·卡门撞击坑整体是位于月球背面崎岖的南极 – 艾特肯盆地内部的,整个降落航迹下的地形起伏高达 6 公里[4]。

嫦娥三号着陆区地形起伏 vs 嫦娥四号着陆区地形起伏▼

这意味着嫦娥四号可选择的着陆范围更小,而且它必须落得非常准——一旦偏了一点,就可能落不进平坦的预定着陆区里,而是撞上崎岖的高山低谷了。

嫦娥四号:我太难了!

因此,不同于嫦娥三号的抛物轨迹下降策略,嫦娥四号选择进一步减小着陆位置的不确定性,从主减速段结束后就由斜向前运动轨迹改为近乎垂直下降轨迹,然后从接近段开始辅以水平方向的微调来越过危险的地形(避障),测距敏感器的引入时机也做了相应调整[3]。

嫦娥四号的实际降落轨迹

那嫦娥四号是不是按照预定的计划着陆的呢?

降落相机告诉我们:是的!

2019 年 1 月 3 日 10 时 15 分,随着北京航天飞行控制中心发出指令,嫦娥四号探测器从距离月面15 公里处开始实施动力下降,7500N 变推力发动机开机,逐步将探测器的速度从相对月面 1.7 公里 / 秒降到 0。约 690 秒后,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面冯·卡门撞击坑内的一片平坦区域。[7]

降落相机在整个动力下降阶段拍摄的视频清楚地表明,嫦娥四号完美执行了预定的着陆策略。

在距离月面约 8-6 公里处,嫦娥四号进行快速姿态调整,从“侧身”转为“垂直”接近月面。通过降落相机拍摄的照片结合已有的嫦娥二号月面地图(摄影成像几何关系 + 月面和影像中的相同地貌点匹配)进行反推,刘建军及其同事们精确重建了嫦娥四号从 5635 米高度(图中以 O 点代表)以下的降落轨迹

接近段中,嫦娥四号以近乎垂直的角度降落并不断减速,这一阶段还要完成粗避障的任务,也就是要越过一些较大的障碍物,保证着陆器来到一片大体平坦的区域上空悬停,实际降落过程中,嫦娥四号在距月面 99 米处的 B 区开始悬停。

悬停和避障段,嫦娥四号需要对此时的脚下的月面进行进一步勘查,对月面的坡度和小型障碍物进行进一步精细识别和自主避障(精避障),直至选定相对平坦的安全着陆区域后,才开始最后的缓速垂直下降

① 从 O 点北移约 77 米,越过直径约 200 米的撞击坑抵达 A 区 → ②从 A 区到 B 区:向西北移动 244 米 → ③ B 区:悬停约 13 秒 ,向西南移动 12 米以越过一个直径约 25 米的撞击坑,抵达着陆点上空 → ④ 垂直缓慢降落,直至软着陆。改编自:参考文献[1]

嫦娥四号的实际降落轨迹也清楚展现了嫦娥三号和四号降落策略的差异,和计划一样一样的▼

来重温一下嫦娥三号和嫦娥四号降落过程的差异吧▼

注意嫦娥三号在 3-2.4 公里高度进行快速姿态调整(也就是转向),而嫦娥四号则在 8-6 公里高度处就已经开展了快速姿态调整。PS:视频时长不同,这里调成了快速调整段同时转向,所以嫦娥四号的视频晚开始了 30 秒。来源:航天科技集团

嫦娥四号的精确着陆点

通过降落相机拍摄的距离月面越来越近的影像,对比已有的月面地图,我们可以一点一点缩小嫦娥四号最终着陆点的范围。

从嫦娥四号着陆开始,众多科学家们就在为确定着陆点位置而努力。

2019 年 1 月 3 日,嫦娥四号顺利着陆当天,NASA 月球勘测轨道飞行器 LROC 相机团队就根据我国探月工程发布的降落相机影像(小图)中的几个明显的撞击坑和已有的 LROC NAC 影像(背景大图)做了匹配,嫦娥四号最终着陆点就位于这四个撞击坑之内[8]。

1 月 11 日,LROC 相机团队又根据探月工程发布的降落相机拍摄的视频,进一步在 LROC NAC 影像中圈定了最终着陆区域(下中图),还找到了嫦娥四号监视相机拍摄的玉兔二号前方的撞击坑是哪一个坑[6]。

而在此几天前,中科院遥感所邸凯昌及其同事们就已经借助嫦娥二号正射影像 DOM、LROC NAC 影像、嫦娥四号降落相机影像、嫦娥四号监视相机影像等多源数据,利用影像特征匹配定位和单像视觉测量定位技术,确定了嫦娥四号着陆点在 LROC 参考系下的精确位置为 177.588°E, 45.457°S[7,8]。

找到降落相机影像中最明显的 ABC 三个撞击坑在已有月面地图中的位置▼

结合监视相机拍摄的影像,可以进一步圈定精确着陆点▼

确定着陆点精确位置的意义并不仅仅在于给着陆点确定了一个坐标,更是对指导玉兔二号的路径规划和分析嫦娥四号获取的科学数据有很大帮助

在此基础上,北京航天飞行控制中心对玉兔二号前 3 个月昼的路径进行了规划(绿色点),黄线是玉兔二号的实际行进轨迹▼

2 月,LRO 探测器开始陆续拍摄到多张嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车在月面的照片,进一步确定了探测器在 LROC 坐标体系下的地理位置(初步推算着陆点坐标为 45.457°S, 177.589°E)▼

4 月底,LROC 团队公布了利用 2 月 LRO NAC 拍摄的影像对建立的嫦娥四号着陆区地形数字高程模型(DEM),精确确定嫦娥四号着陆点在 LROC 参考系统下的坐标为 45.4561°S, 177.5885°E,高程 -5927 米

而本次刘建军及其同事们则通过嫦娥二号的正射影像(DOM)、嫦娥四号降落相机在 5635 米高度下拍摄的 180 张不同距离和角度的月面影像(1 张 / 秒)、嫦娥二号地形数字高程模型 DEM (CE2TMAP2015)、玉兔二号的两个导航相机获取的立体影像等综合数据,进一步确定了嫦娥四号着陆器在嫦娥二号影像参考系统下的精确坐标为 177.5991°E,45.4446°S,高程−5935 米

嫦娥四号着陆点(+ 号)在不同来源、不同分辨率的影像中的位置和附近地形▼

这一结果还可以通过玉兔二号顶部的两个全景相机(PCAM)拍摄的影像来互为验证。

玉兔二号拍摄的影像中显示,嫦娥四号着陆于一个已退化的撞击坑的缓坡上,北部 8.35 米外就是一个直径 25 米的撞击坑的边缘。着陆区被五个直径 10.21~25 米,深度 1.21~3.03 米的撞击坑所环绕。

基于嫦娥二号参考系统的位置与基于 LROC 参考系统下的位置符合得很好,但也不是百分百吻合:两者在纬度上有 226 米的偏差,经度上有 348 米的偏差,总位置有 415 米的偏差。

这一点点偏移是非常正常的,体现了月背两套影像数据本身的微小偏移。探测器各自的轨道测量误差、月背的重力场变化、相机拍照的微小形变等很多原因都可能会对最后的定位结果产生微小的影响,而在月球背面建立绝对控制点可以有效消除这种偏移。

结语

嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车至今状态良好,还在继续它们的月背探险之旅。就在几天前,9 月 23 日 20 时 26 分和 22 日 20 时 30 分,着陆器和月球车相继受光照成功自主“唤醒”,开始了第 10 个月昼的探测工作[11]。

而科学家们对嫦娥四号获取的科学数据的分析和解译工作也还在继续。期待嫦娥四号的测月雷达、低频射电频谱仪、月表中子及辐射剂量探测器、中性原子探测器等仪器的科学成果也早日和大家见面吧~

拓展阅读参考

[1] Liu, J., Ren, X., Yan, W., et al. (2019). Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside. Nature Communications.

[2] https://twitter.com/coastal8049/status/1072038703147536385

[3] 李飞,张熇,吴学英,等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报,2017,4(2):143-149.

[4] 嫦娥四号探测器成功着陆月球背面 传回世界第一张近距离拍摄月背影像图

http://www.gov.cn/xinwen/2019-01/03/content_5354498.htm

[5] LROC | 2019.01.03 On the Farside!

http://lroc.sese.asu.edu/posts/1084

[6] LROC | 2019.01.11 Chang’e 4 Lander Coordinates

http://lroc.sese.asu.edu/posts/1087

[7] 北京航天飞控中心就嫦娥四号任务圆满成功 向空天信息研究院发来感谢信http://www.pmrslab.cn/news/嫦娥 4 着陆器定位.html

[8] 邸凯昌,刘召芹,刘斌,万文辉,彭嫚,王晔昕,芶盛,岳宗玉,辛鑫,贾萌娜,牛胜利,2019. 多源数据的嫦娥四号着陆点定位. 遥感学报, 23(1):177-184, DOI:10.11834/jrs.20199015

[9] LROC | 2019.02.15 Above the Landing Site

http://lroc.sese.asu.edu/posts/1092

[10] LROC | 2019.04.30 Topographic Map of the Chang’e 4 Site

http://www.lroc.asu.edu/posts/1100

[11] 中国探月工程 – 嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”巡视器完成自主唤醒,开始第十月昼工作https://weibo.com/1822161445/I8iPD2iXi

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