地月空間三星星座。 中國科學(xué)院供圖
近日，一項(xiàng)新突破在地月空間實(shí)現(xiàn)——由中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“地月空間DRO探索研究”部署研制的3顆衛(wèi)星，在地月空間穩(wěn)定建立百萬公里級星間測量通信鏈路，點(diǎn)亮“地月燈塔”，標(biāo)志著我國已成功構(gòu)建國際首個(gè)地月空間三星星座。
其中，來自成都的中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所（以下簡稱“中國電科29所”）承擔(dān)了DRO-A、B雙星星間測量通信載荷研制任務(wù)，攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，助力地月空間三星星座構(gòu)建，對月球資源開發(fā)利用、人類地外長期駐留與跨行星活動、太陽系探索等，均有重要意義。
探索地月空間的天然太空港
多年來，地球軌道已被科學(xué)家研究得比較透徹。相比之下，由于受到地球、月亮以及太陽“三體”的引力影響，月球軌道不太穩(wěn)定，對其研究較少。“開發(fā)月球需要穩(wěn)定的空間，建立相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，為載人登月及更頻繁地往返地月提供更便捷、有效的條件。”專業(yè)人士說，科學(xué)家因此將目光瞄向遠(yuǎn)距離逆行軌道（DRO）。
DRO是地月空間中一類十分獨(dú)特的有界周期軌道族，距離地球約31萬到45萬公里、距離月球約7萬到10萬公里，順行繞地、逆行繞月，是地月空間的天然太空港。但由于之前建模精度不足等原因，一直沒有被驗(yàn)證過。在研究地月空間布置設(shè)施方面，美國、日本等國積極參與，目前取得的進(jìn)展相近。
“不同于別國，我國的思路是要構(gòu)建起從地表到深空的基礎(chǔ)設(shè)施。”業(yè)內(nèi)人士說。2022年，A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“地月空間DRO探索研究”啟動實(shí)施，計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)地月空間大尺度衛(wèi)星星座，探索DRO的獨(dú)特性質(zhì)及應(yīng)用價(jià)值。
建立星間鏈路是關(guān)鍵
此次三星星座中，DRO-L星于2024年2月發(fā)射，并成功進(jìn)入太陽同步軌道。DRO-A星和B星于2024年3月發(fā)射，7月15日成功進(jìn)入DRO任務(wù)軌道。當(dāng)年8月，三星首次實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。
按計(jì)劃，A星將長期停泊在DRO軌道，也就是靠近月球的遠(yuǎn)距逆行軌道，與L星一起，構(gòu)成兩個(gè)相對固定的基準(zhǔn)。二者之間，B星飛向共振軌道，不斷進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。
三顆星的相對位置實(shí)時(shí)在變，如何知道它們的確切位置？答案是：建立星間鏈路是系統(tǒng)核心。為此，中國電科29所相關(guān)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了A、B雙星星間測量通信載荷研制任務(wù)。
測量的難點(diǎn)首先在于距離遠(yuǎn)，雙星間的最大距離達(dá)到150萬公里；同時(shí)，雙星相對運(yùn)動速度很快，尤其是B星在大尺度空間中“亂跑”，這些都增加了測量難度。
為此，團(tuán)隊(duì)想出對策：預(yù)測位置的同時(shí)做測量。中國電科29所相關(guān)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳林解釋，這其實(shí)與做導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，由于時(shí)間乘以光速就等于距離，本質(zhì)上是測量時(shí)間。因此，測得的時(shí)間越準(zhǔn)，定位精度就越準(zhǔn)。
為測準(zhǔn)時(shí)間，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了原子鐘。這是目前測量時(shí)間最精確的工具，可以利用電子在原子內(nèi)能級躍遷產(chǎn)生的電磁波輻射計(jì)時(shí)。“因此要讓電磁波的信號準(zhǔn)、源頭準(zhǔn)。”陳林說，電磁波的頻率越高越穩(wěn)定，原子鐘的精度就越高，測出的時(shí)間就越準(zhǔn)。
通過反復(fù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)終于攻克了大尺度、高動態(tài)、弱信號接收處理等系列關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了百萬公里距離下的星間高精度測量通信能力。“當(dāng)前的測量精度達(dá)到1米以內(nèi)，并且我們是第一個(gè)從地面把這一精度測出來的。”
這并不容易。“我們起步較晚，但走得快。”從2015年起，團(tuán)隊(duì)開始啟動相關(guān)研究。十年磨一劍，從低軌到深空，在測量通信方面打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
