嫦娥四号如何防住地球这个友军？

　　大家没忘记嫦娥四号还在月球背面出差吧？
　　在射电天文学家的眼里，要实现它的科学目标，探索一些宇宙的终极秘密， 就得防住地球这个＂友军＂。
　　图片来源：电视剧《亮剑》什么，居然要＂防范＂地球？？？
　　月球不仅能作为一面盾牌，在电影《独行月球》里保护地球（考虑到两者的直径比，月球能提供的保护作用其实并不大），还能利用自己直径约3500km的身躯阻挡电磁波，提供有利于射电观测设备工作的电磁环境。这些被月球所阻挡的干扰信号，并不是来自宇宙的电磁信号（这些可都是价值极高的目标信号），而恰恰是来自地球这个＂友军＂。
　　图片来源：veer图库
　　大气层保护着地球上的生物，也给整个地球戴上了一层＂在不同波段有不同透过率＂的滤镜。简单来说，就是有些频段的电磁波信号能透过大气层抵达地面，有些频段则不行。这些能透过大气的频段被称为＂大气窗口＂，它决定了地面上的观测设备能收到哪些频段的来自宇宙的信号 。
　　大气层阻挡各频段的原理各不相同，有的频段的信号会被氧分子吸收，有的频段的信号则会被水汽吸收，而频率在3-30MHz的信号则会被电离层反射绝大部分能量。来自宇宙的3-30MHz的信号大部分能量会被电离层反射回宇宙，无法抵达地球表面，也就无法在地球表面进行观测。同时，从地球表面所发射出的3-30MHz的信号的大部分能量也会被电离层反射回地球表面，并在电离层与地球表面之间多次反射，这也是超视距短波通信的原理。
　　但这些被电离层阻挡的低频射电信号同样也有着重要的科学意义 。
　　例如，经过红移后的携带宇宙再电离时期信息的中性氢21cm谱线（信号产生时，频率约为1420MHz，经过红移，频率大约在15-200MHz范围，部分信号会受到电离层的影响），太阳爆发所发出的辐射，以及太阳系内的一些大行星的射电辐射，都存在或部分存在于低频射电频段。所以在低频射电频段进行观测，有助于对宇宙再电离时期、对太阳以及系内大行星进行深入的研究 。
　　为了在低频射电频段进行观测，射电天文学家们开始寻找合适的观测方式。
　　如果3-30MHz的信号的能量是＂100%被电离层反射＂的话，那么解决这个问题的方案就很简单了（就是成本比较高），我们只需要把低频无线电信号观测设备发射到大气层外，在近地轨道上工作，它就只能收到来自宇宙的无线电信号了。
　　但现实远没有这么理想，部分3-30MHz的信号仍能穿过电离层。所以，实际当观测设备在大气层外运行时，会收到两部分信号：第一部分，是没有受到地球电离层影响的、来自宇宙的无线电信号；第二部分，则是来自地球，并部分穿过电离层的无线电干扰信号 。
　　于是，就出现了尴尬的场面：
　　在地表上的观测设备几乎收不到来自宇宙的低频射电信号，但在近地轨道上的观测设备却会收到来自地球的干扰信号。
　　射电天文学家们恨不得用一个巨大的屏障，挡在观测设备与地球之间…… 月球——现成的防范利器
　　由于潮汐锁定的存在，月球的自转周期与它围绕地球的公转周期一致，这使得月亮总是以同一面朝向地球。这样一来，放置在月球背面的设备，不会随着月球的自转而在某个时间段内朝向地球。
　　射电天文学家们开始思考，如果将低频射电观测设备放置在月球的背面进行工作，是否能依靠月球巨大的体积，阻挡来自地球的低频射电干扰，获得更加优质的工作环境呢？
　　20世纪中期开始，利用射电望远镜进行空间天文观测成为持续热点。1968年和1973年分别发射的两个射电天文探测器RAE-1和RAE-2，专门用于0.02~13.1 MHz 低频射电观测。[1]
　　RAE-1实物图（来源：维基百科）
　　RAE-2概念图（来源：维基百科）
　　通过分析这两颗卫星的观测数据，人们确认了＂月球能够有效屏蔽来自地球的射电信号干扰，月球背面是太阳系中近乎最安静的低频射电观测场所，是开展低频射电信号观测的最佳选择＂这一重要结论。[2]
　　从此，＂去月球背面设置低频射电观测站＂就成为了天文学家们的目标。 嫦娥四号，带三套设备去月背
　　作为人类首次进行月球背面着陆的探测任务——嫦娥四号当然不会放过这个携带低频射电观测设备开展低频射电天文研究的机会。
　　而且还带了三套 。
　　这三套观测设备所能观测的频率范围覆盖了0.1-80MHz，分别在地月拉格朗日L2点、月背表面和绕月轨道上进行观测。
　　1. 地月拉格朗日L2点的中-荷低频射电探测仪
　　为了实现人造探测器首次着陆月球背面，首先就要解决地球与处于月背的探测器的通信问题。月球＂潮汐锁定＂的状态虽然为低频射电观测提供了天然的观测条件，但也阻碍了处于月球背面的探测器与地球之间的通信信号。为了使地球与处于月球背面的探测器之间能进行高效的通信，嫦娥四号任务的第一枚运载火箭携带着＂鹊桥＂中继卫星奔向月球。
　　大量的科普文章已经介绍过＂鹊桥＂的作用，它处于地月拉格朗日L2的晕轮轨道上，同时能与地球和处于月背的探测器进行通信，作为通信中继，构建了地球与月背探测器们的通信链路。
　　嫦娥4号中继星＂鹊桥＂发射成功：一桥飞架南北，天堑变通途（图片来源：见水印）
　　但搭载在＂鹊桥＂中继星上的＂中-荷低频射电探测仪(The Netherlands-China Low-Frequency Explorer，NCLE)＂可能就不那么出名了。这台搭载在＂鹊桥＂中继星上的国际合作有效载荷，目标观测频段为0.1MHz-80MHz，利用地月拉格朗日L2点附近的独特优势，既可以收到高红移的21cm线的信号，又可以对太阳及太阳系内行星（包括地球）的射电辐射进行研究，还能对地月拉格朗日L2点的射电背景强度进行测量。
　　＂鹊桥＂中继星与低频射电探测仪的（图片来源：[1]）
　　低频射电探测仪的天线展开测试（图片来源：exploring the far side）
　　天线展开前后对比照片（图片来源：国家航天局探月与航天工程中心）
　　2. 月球背面的着陆器低频射电频谱仪
　　与搭载在＂鹊桥＂中继星上的低频射电探测仪不同，着陆器低频射电频谱仪上有四根天线。
　　明明三根天线就已经可以探测到足够的信息，那为什么还需要一根20cm的短天线呢？
　　这是因为嫦娥四号任务所使用的着陆器是嫦娥三号任务的备用机，而在嫦娥三号任务中，并没有低频射电信号探测这一目标。因此，在着陆器设计之初，并没有考虑对着陆器本身泄露出的电磁波干扰信号进行抑制处理。在着陆器上进行低频射电观测时，频谱仪会受到着陆器所泄露出的低频射电信号的干扰。就好像把录音机放在一辆车上进行录音，即使外界再安静，录音质量也会被这辆车的引擎声所干扰。
　　但＂鹊桥＂中继卫星是专门为嫦娥四号任务所设计的，考虑到低频射电信号探测这一目标，在研发中继星时就对卫星平台与载荷进行了噪声抑制与降噪处理，所以就不需要担心＂鹊桥＂中继星会干扰到观测设备的运行。
　　正是因为搭载平台上存在差异，搭载在着陆器上的低频射电频谱仪比搭载在鹊桥卫星上的观测设备多了一根天线 。长天线、短天线都能清晰地收到来自着陆器的近场电磁波信号，但只有长天线能清晰地收到来自遥远天体的远场电磁波信号。通过对比两套天线所收到的信号的差异，就能把远场信号与近场信号区分开来，获得我们所需要的来自遥远天体的射电信号了。
　　3. 月球轨道编队超长波天文观测微卫星
　　对射电望远镜来说，＂分辨率＂（分辨两个靠近的源的能力）与＂增益＂（收集电磁波信号的能力）是非常重要的参数。观测的波长越短，天线的口径越大，其分辨率就越高。但对于低频射电信号来说，其波长较长，分辨率比较低。如果用＂制造巨型天线＂的方法去提升分辨率的话，成本将会高到难以承受。
　　所以，射电天文学家们想到了另一个方法：将两台使用小型天线的望远镜放在间隔N米的地方，同时进行观测，那这两台望远镜的分辨率就能媲美一台使用直径为N米的大型天线的望远镜，但制作两台小型天线的成本却比制造一台直径为N米的大型天线低了许多——这种技术被称作为：干涉测量。
　　既然我们可以在地球表面设置两台探测仪同时观测以提高分辨率，又能把观测设备搭载在卫星上、发射到月球轨道上躲避来自地球的低频噪声干扰，将这两种方法结合起来，就有了嫦娥四号任务中的第三套低频射电探测设备——月球轨道编队超长波天文观测微卫星 。
　　两颗月球轨道超长波天文观测微卫星(图片来源：[1])
　　龙江二号微卫星实物（图片来源：哈尔滨工业大学）
　　2018年5月21日，嫦娥四号月球任务的通讯中继卫星鹊桥号与龙江一号、龙江二号同时发射升空。
　　如果一切顺利，两颗搭载了低频射电探测仪的微卫星将在绕月轨道上进行编队飞行，并随时修改基线的方向与长度，具有比固定在地面上靠地球自转来改变基线的干涉测量系统更灵活的基线变化能力，可以等效成多单元的干涉成像系统。想要实现这样的变基线能力，对双星间的时间、频率同步提出了很高的要求。
　　可惜的是，龙江一号因故突然失联。经过飞控团队的努力，才实现了＂龙江二号＂的在轨抢救成功。由于＂龙江一号＂的缺席，低频射电信号的双星编队干涉测量却无法进行了。
　　但幸运的是，处于绕月轨道上的＂龙江二号＂还有一个得天独厚的优势 。
　　由于＂鹊桥＂中继星需要与地球通信，搭载在中继星上的低频射电探测仪并不能完全避免来自地球的低频射电干扰。而着陆器位于月背，搭载在着陆器上的低频射电频谱仪在享受月背宁静的电磁环境的同时，也完全无法收到来自地球的低频信号。
　　低频射电探测仪正样（图片来源：[4]）
　　只有＂龙江二号＂处于绕月轨道上，会多次经过月球的正面与背面，也就可以绘制出绕月轨道上各处的低频射电频谱图，确认月球对来自地球的干扰信号的屏蔽效果。同时，还能在位于月球正面时，将观测数据直接传给地球上的观测站，而不需要使用＂鹊桥＂中继星进行数据转发。
　　低频射电探测器三极化数据在月球遮挡地球前后的对比（图片来源：[4]）
　　上图为2018年9月28日低频射电探测器三个极化数据在月球遮挡地球前后的对比，在每个通道中，横轴代表着时间，而某些频率上的干扰信号逐渐消失，意味着卫星逐渐运行到了月背，不再受到来自地球的信号的干扰。由此可见，月球对地球的射频干扰起到了良好的遮挡作用。
　　低频射电探测仪在轨期间累计开展观测329分钟，对月球轨道不同位置的辐射谱进行探测，获取了月球轨道1-30MHz超长波连续谱，完成地球射电干扰普查，针对太阳、木星、银心和Cas-A等强射电源开展了掩月探测试验，对三正交卷尺型展开天线、超稳定接收机﹑高精度定标等有效载荷关键技术进行了验证。[4]
　　2019年7月31日22时，世界首个独立完成地月转移、近月制动、环月飞行和一定探测任务的月球微卫星——＂龙江二号＂，以撞击月球的方式结束使命，累计在轨运行437天。 结语
　　＂龙江二号＂的使命已经告一段落，而嫦娥四号任务中的中继星低频射电探测仪与着陆器低频射电频谱仪依然还在工作。在作为＂友军＂的地球上，总会有人遥望着月球，除了默念千年来无数吟诵月球的诗句外，偶尔也会有人想起仍在月球上替人类默默聆听来自宇宙的信号的的探测器们，并期待着下一次回传的数据中，隐藏着有关宇宙黎明的秘密。
　　参考文献：
　　[1]贾瑛卓,薛长斌,邹永廖.月球背面——低频射电天文观测的圣地[J].现代物理知识,2019,31(03):14-17.DOI:10.13405/j.cnki.xdwz.2019.03.004.
　　[2] 张锦绣,陈学雷,曹喜滨,安军社.月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务[J].深空探测学报,2017,4(02):158-165.DOI:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.009.
　　[3]嫦娥4号中继星＂鹊桥＂发射成功：一桥飞架南北，天堑变通途
　　[3]纪奕才,赵博,方广有,平劲松,吴伟仁,宁远明,卢伟,周斌.在月球背面进行低频射电天文观测的关键技术研究[J].深空探测学报,2017,4(02):150-157.DOI:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.008.
　　[4]韦明川,胡超然,阎敬业,穆罕默德·本·奥斯曼,张哲,王峰,孔宪仁,曹喜滨.首颗自主地月转移微卫星＂龙江二号＂[J].宇航学报,2020,41(06):790-799.
　　[5]武宇翔. 空间低频射电天文干涉测量技术方法研究[D]. 中国科学院大学.
　　[6]再见，龙江二号：全球无线电爱好者的共同胜利，中国航天版的＂少年可期＂首颗自主地月转移微卫星＂龙江二号＂ ＂行星事务所＂微信公众号,2019-12-30
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