月球轨道

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2018年5月21日，我国在西昌卫星发射中心成功将嫦娥四号中继星（鹊桥）和搭载的两颗微卫星（龙江一号、二号）发射升空。龙江一号、二号携带超长波干涉仪有效载荷，将在世界上首次实现空间超长波双星干涉测量。哈尔滨工业大学为龙江一号、二号卫星总体单位，中科院国家空间科学中心是科学任务的提出单位和有效载荷研制及数据处理的承担单位，国家天文台月球与深空数据接收站负责数据接收。

图1龙江一号和二号编队示意图

龙江一号、二号与火箭分离后将各自飞往月球，运行在近月点约300km，远月点约9000km的大椭圆轨道上。他们之间的距离将在1km到10km之间变化，编队飞行。超长波干涉仪的工作频段为1MHz～30MHz。该频段在无线电通信中称为短波，是短波无线电通信和广播，以及业余无线电爱好者的主要工作频段。但在天文观测中，这个波段属于超长波，由于电离层的反射，以及大量自然（如闪电）和人为信号的干扰，在地面上无法用这个波段实施天文观测。即使将探测仪放到电离层之外的地球轨道卫星上，由于距离地球干扰信号源仍然很近，来自宇宙的背景射电辐射信号仍将被淹没在大量的噪声之中。因此，最适合这个频段观测的轨道是月球轨道，并在当卫星运行到月球背面区域时。

为此，超长波干涉仪将在月球背面进行观测。并通过两个微卫星在国际上首次开展超长波频段的干涉实验。实验中，将变化两个微卫星之间的距离，获得不同干涉基线的观测数据。由于两个微卫星的编队围绕月球轨道旋转，其基线的方向也逐渐变化。在月球背面将获得基线旋转180度的效果。更进一步，伴随着地区/月球系统围绕太阳旋转，以及轨道面的进动，使实验系统将获得各个方向和长度的基线测量结果，经过图像处理实现全天图下的超低频干涉测量结果。

超长波干涉仪由可展开三正交偶极子天线、高稳定接收机、数字处理单元以及星间通信、测距和时钟同步一体化单元组成。其中，天线为国家空间科学中心和波兰科学院合作研制，高稳定接收机、数字处理单元以及星间通信、测距和时钟同步一体化单元由国家空间科学中心研制。

图2卫星正样产品

图3超长波干涉仪有效载荷正样产品

对于任何目标的图像，干涉测量的原理是在图像的傅里叶变换域（空间频率域）采样。一旦按照最小采样间隔实施的测量点覆盖了全部空间频率域，就可以通过做一次反傅里叶变换，获得真实的目标图像。采用干涉测量在技术上的好处是，对固定不变的目标，可以分时进行干涉测量，这样就避免了采用直接成像时需要巨大孔径天线在技术和可行性上的挑战。

龙江一号、二号任务，正是基于上述原理，在两颗微卫星上分别携带了一台超长波射电干涉仪，在空间形成一个可变基线的二元干涉仪系统，通过两颗微卫星的相对运动，分时采样形成空间频率域各种长度和方向的干涉基线。这次实验的成功将为下一步采用多个微卫星，效率更高的编队方案，更短的时间内完成采样覆盖，获得全天超长波背景图奠定坚实的技术基础。

附：科学背景

获得超长波宇宙背景辐射的分布，甚至是小区域的辐射分布，在科学上意义都十分重大，是宇宙形成和演化研究领域的重大前沿。宇宙从大爆炸瞬间到第一代恒星、星系形成之间有一段黑暗的时代。这是因为在这段时间里，宇宙中到处分布的只有中性的氢原子，不发光，这一时期大致延续了几十万到数亿年的时间。1944年，荷兰天文学家范德胡斯特首先提出可以在银河系中可以观测到星际氢原子的21厘米波长谱线。其机理是围绕氢原子旋转的那个电子会出现旋转方向的跳变，比如从左旋一下子变为右旋，并伴随着这个跳变辐射出一个1.42GHz（波长为21厘米）的射电脉冲。后来他在一段充满中型氢的封闭波导中测到了这个辐射。可以想象，如果宇宙中充满了大量的中性氢，那么当时一定会有其中许多向外辐射1.42GHz的电磁波。也就是说黑暗时代是对可见光而言，对射电波段并不黑暗。经过137亿年的演化，这个大爆炸之后产生的中性氢辐射源已经弥漫在整个宇宙之中，并随着宇宙的逐渐膨胀，以高速相互远离而去。当时的1.42GHz的射电频率经过多普勒效应，已经降低为1MHz～30MHz频段。如果能够在这个频段对宇宙进行观测，我们就可以补齐宇宙演化过程中最后一个没有被观测过的阶段的图谱，就可以更深刻的理解从中性氢到第一代恒星出现，宇宙是怎么分布和演化的，回答许多现在还不知道的，仅仅是猜想的科学问题。