Радиолокационные изображения предполагаемых мест посадки космического аппарата на Луну

全文:

ВВЕДЕНИЕ

В 2023 г. была запланирована посадка автоматической межпланетной станции Луна-25 в районе южного полюса Луны для исследования верхнего слоя поверхности, экзосферы, построения карты неоднородности поверхности и отработки технологий безопасной посадки в области с неровным рельефом (Митрофанов и др., 2021). Район посадки выбирался исходя из широты места, массовой доли воды в верхнем слое реголита, гладкости и уклона поверхности, лишенной, по возможности, крупных камней, представляющих серьезную угрозу для спускаемого космического аппарата (КА). По этим критериям, были выбраны основной и резервный районы посадки, расположенные вблизи кратеров Богуславский и Манцини (Дьячкова и др., 2017). Эти районы определены “эллипсами разброса” ожидаемых точек посадки относительно “точки прицеливания” и имеют главные оси 30 км вдоль местного меридиана и 15 км вдоль местной параллели с селенографическими координатами центров 69.55° ю. ш., 43.54° в. д. и 68.77° ю. ш., 21.21° в. д. соответственно. При выборе площадок использовались данные нейтронных измерений прибора LEND (Lunar Exploration Neutron Detector), а также цифровые модели рельефа, полученные с помощью оптических камер инструмента LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera) и лазерного альтиметра LOLA (Lunar Orbiter Laser Altimeter), установленных на борту КА LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) (Дьячкова и др., 2021). Однако авторы работы не учитывали радиолокационные измерения, которые позволяют исследовать физические свойства поверхности и приповерхностного слоя реголита. Такие данные, например, были получены с помощью инструмента Mini-RF (Miniature Radio-Frequency), также размещенного на КА LRO (Нозет и др., 2010) и 300-м локатора обсерватории “Аресибо”. В результате серии наблюдений на длине волны 12.6 см, выполненных с 2012 по 2015 г., были получены радиолокационные изображения и поляризационные данные различных районов видимой стороны Луны с разрешением порядка 100 м (Паттерсон и др., 2017). Ранее, до появления КА LRO был проведен ряд наземных радиолокационных бистатических наблюдений Луны с использованием локатора обсерватории “Аресибо” и 100-м радиотелескопа обсерватории “Грин-Бэнк” на длинах волн 70 см (Кэмпбелл и др., 2007) и 12.6 см (Кэмпбелл и др., 2010). Результатом этих экспериментов стали радиолокационные карты порядка 70% поверхности видимой стороны Луны с пространственным разрешением, усредненным до 80 м на пиксель.

В данной работе получены новые радиолокационные изображения и поляриметрические данные для основного и резервного районов посадки КА Луна-25 с пространственным разрешением порядка 80 м на длине волны 4.2 см. В статье представлены технические подробности эксперимента, описан метод получения радиолокационных изображений, выполнено сравнение полученных данных с оптическими изображениями камеры LROC и по результатам анализа поляризационных измерений дана оценка количества и распределения камней и неровностей, соразмерных длине волны излучения, на поверхности и в приповерхностном слое реголита.

ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Радиолокационные бистатические наблюдения основного и резервного районов посадки КА Луна-25 проводились с использованием 64-м антенны ТНА-1500 Центра космической связи ОКБ МЭИ “Медвежьи озёра” и 13.2-м радиотелескопа РT-13 Обсерватории “Светлое” ИПА РАН. Основными задачами антенны ТНА-1500 являются управление космическими аппаратами в ближнем и дальнем космосе и радиоастрономические исследования (Жуков и др., 2023). Ее технические средства обеспечивают передачу радиолокационного сигнала мощностью до 2 кВт в диапазоне частот 7145–7235 МГц. Радиотелескоп РТ-13 используется в основном для проведения астрометрических наблюдений внегалактических радиоисточников в составе российской РСДБ-сети “Квазар-КВО” (Шуйгина и др., 2019). РТ-13 оснащен высокочувствительным трехдиапазонным приемником, обеспечивающим регистрацию сигналов шириной до 512 МГц в диапазоне частот от 7 до 9.5 ГГц (Евстигнеев и др., 2020).

Радиолокационные наблюдения проводились 30 марта 2023 г. с 14:00 до 16:00 UTC, когда южный полюс Луны был максимально повернут к Земле. Антенна ТНА-1500 облучала поверхность Луны модулированным сигналом мощностью 1.5 кВт в левой круговой поляризации на длине волны 4.2 см (7190 МГц), а радиотелескоп РТ-13 принимал отраженные эхо-сигналы. При этом размер облучаемой области на поверхности Луны в текущей бистатической конфигурации определялся проекцией главного лепестка диаграммы направленности 64-м антенны и составлял порядка 300 × 600 км. Селенографические координаты цели (65.0° ю. ш., 30.0° в. д.) были выбраны так, чтобы оба района посадки, расположенные на расстоянии порядка 250 км друг от друга, одновременно попадали в облучаемую область. Сопровождение цели на всем интервале наблюдений проводилось по заранее вычисленным эфемеридам (Маршалов и др., 2018) для каждой из антенных систем.

Излучаемый сигнал модулировался с использованием двоичной фазовой манипуляции, при которой фаза несущей частоты принимает одно из двух значений, 0 или π, через интервалы времени τ = 0.5 мкс в соответствии с повторяющейся псевдослучайной последовательностью длинной 32767 элементов (бодов). Для регистрации отраженного сигнала в диапазоне частот от 7186 до 7194 МГц мы использовали два канала приемной системы радиотелескопа РТ-13 с левой и правой круговыми поляризациями, поскольку при отражении от гладких, обращенных к радару участков поверхности с размерами, сопоставимыми с длиной волны излучения, круговая поляризация эхо-сигнала меняется на противоположную (зеркальная компонента), а вследствие многократных отражений и диффузного рассеяния на шероховатых поверхностях – совпадает с излученной (диффузная компонента). Отношение мощности диффузной компоненты эхо-сигнала к зеркальной (CPR – Circular Polarization Ratio) является мерой шероховатости, количества камней и состава материалов на Лунной поверхности и в толще реголита. Малые значения CPR свидетельствуют о гладких на масштабах длины волны поверхностях, а значения CPR, приближающиеся к 1, указывают на поверхности с большим диффузным рассеянием, такие как каменистые выбросы молодых ударных кратеров и покрытые трещинами застывшие лавовые потоки (Кэмпбелл, 2012). Таким образом, величина CPR позволяет судить о физических характеристиках исследуемой области. Для надежной оценки CPR мы проводили измерения шумовой температуры в каналах приемной системы с левой и правой круговыми поляризациями в течение всего сеанса наблюдений. Шумовые температуры обоих каналов во время сопровождения Луны имели близкие значения и в среднем на сеансе составляли 131 К с отклонением не более 5%. Сигналы обоих поляризаций усиливались и когерентно переносились приемной системой в диапазон промежуточных частот от 1346 до 1354 МГц, затем оцифровывались системой преобразования сигналов (Носов и др., 2021) и сохранялись на сервере со скоростью 32 Мбит/с для каждого канала. Для обеспечения когерентности записываемых данных передающая антенна ТНА-1500 и радиотелескоп РТ-13 были синхронизированы с водородными стандартами времени и частоты, расположенными на каждой из площадок.

Для получения радиолокационных изображений записанный сигнал коррелировался с синтезированным модельным эхо-сигналом. Применяя к результату корреляции быстрое преобразование Фурье (БПФ), мы получали информацию о мощности и доплеровском сдвиге по частоте компонентов эхо-сигнала на соответствующей временной задержке, формируя тем самым радиолокационное изображение. Пространственное разрешение радиолокационного изображения поверхности Луны по задержке ∆r определяется длительностью бода τ и углом между лучом зрения и нормалью к поверхности θ по формуле Δr = cτ/2sinθ, где с – скорость света. Разрешение по доплеровской частоте задается исключительно длинной БПФ. Таким образом, для выбранных параметров модуляции пространственное разрешение радиолокационного изображения в центре облучаемой области составило около 80 м на пиксел по задержке, при θ ≈ 69°. Соответствующее разрешение по оси доплеровских частот было достигнуто интегрированием эхо-сигнала в течение 250 с. Чтобы избежать размытия радиолокационного изображения при таком длительном времени интегрирования, мы использовали метод фокусировки, позволяющий компенсировать изменение задержки и доплеровского смещения частоты в выбранной точке в соответствии с эфемеридными данными (Стэйси, 1993). Поскольку радиолокационные изображения формируются в специфической системе координат на основе временной задержки компонентов эхо-сигнала и их доплеровского сдвига по частоте относительно сопровождаемой цели, то это затрудняет их анализ и сравнение с изображениями на других длинах волн. Мы преобразовали временную задержку и частоту эхо-сигнала к селенографической широте и долготе, используя линейную интерполяцию по известным узловым значениям, полученным по эфемеридным данным (Павлов и др., 2023). Это позволило более точно сопоставить исследуемые области на радиолокационных и оптических изображениях.

В результате обработки наблюдений мы получили радиолокационные изображения поверхности Луны для зеркальной и диффузной компонент эхо-сигнала (см. рис. 1) соответственно с пространственным разрешением около 80 м на пиксель. Изображения привязаны к селенографической системе координат и представлены в ортографической проекции с центром в южном полюсе Луны. На изображениях отмечены предполагаемые основной (1) и резервный (2) районы посадки КА Луна-25, которые определены эллипсами размерами 30×15 км. Используя полученные значения мощности каждой из компонентов эхо-сигнала, мы также вычислили значения CPR для соответствующих селенографических координат радиоизображения.

 

Рис. 1. Радиолокационные изображения зеркальной (а) и диффузной (б) компонент эхо-сигнала. Предполагаемые основной (1) и резервный (2) “эллипсы разброса” мест посадки КА Луна-25. Изображения привязаны к селенографической системе координат и представлены в ортографической проекции с центром в южном полюсе Луны.

 

АНАЛИЗ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Почти вся Луна покрыта слоем реголита, который образовался в результате падения метеороидов и воздействия космического излучения на ее поверхность. Этот слой состоит из скальных обломков и камней разного диаметра, находящихся на поверхности и взвешенных в мелкозернистой пыли. Новые поля камней образуются в основном при ударах в коренные породы. Со временем крупные камни разрушаются, а слой реголита утолщается, покрывая их осколки. Толщина реголита зависит от возраста поверхности и варьируется от нескольких метров на равнинах молодых лунных морей до десятков метров в более старых горных районах (Маккей и др., 1991; Вилкокс и др., 2005). Обратное радиолокационное рассеяние в реголите возникает на границах между материалами с разными диэлектрическими свойствами. Сигналы отражаются от обломков и камней на поверхности и под ней, пустот, трещин и подложки коренных пород, размер которых превышает примерно одну десятую длины волны излучения. Глубина проникновения радиолокационных сигналов зависит от тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости реголита, а также от длины волны излучения радара (Карриер и др., 1991). Коротковолновые сигналы X диапазона частот могут проникать в реголит на глубину от 40 см до 4 м, рассеиваясь обратно на структурах сантиметрового масштаба, в то время как более длинноволновые сигналы проникают на десятки метров, достигая коренных пород (Кэмпбелл и др., 1997).

На рис. 1 радиолокационное изображение напоминает фотографию в оптическом диапазоне. На нем заметны крупные формы рельефа, а также имеются тени, которые удлиняются к югу по мере увеличения угла падения сигнала θ. Изображение зеркальной компоненты эхо-сигнала, в отличие от диффузной, – более яркое, поскольку содержит большую часть отраженной мощности. Однако на изображении диффузной компоненты отчетливо видны отдельные яркие области, которым соответствует многократное переотражение сигнала на неоднородностях, сопоставимых с длиной волны. Карты значений CPR для таких областей позволяют оценить количество и распределение камней на поверхности и в приповерхностном слое реголита. Мы наложили значения CPR на радиолокационное изображение зеркальной компоненты эхо-сигнала (рис. 2а) и сравнили с изображением, полученным с помощью оптических камер инструмента LROC (Робинсон и др., 2010) (рис. 2б). Оба изображения приведены в селенографической системе координат в ортографической проекции с центром в южном полюсе Луны и в одинаковом масштабе. На рис. 2а значения CPR отображаются в диапазоне от 0 до 2, причем нулевым значениям соответствуют области, находящиеся в радиолокационной тени, а для областей с экстремально сильным диффузным рассеянием значения доходят до 1.8. Стрелками отмечены места с относительно высокими значениями CPR, некоторые из которых коррелируют с соответствующими местами на оптическом изображении, а другие – нет. Эти различия связаны с тем, что часть камней находится на поверхности реголита и заметна на оптическом изображении, а другая часть присутствует в толще реголита на глубине проникновения радиолокационного сигнала.

 

Рис. 2. Радиолокационное изображение зеркальной компоненты эхо-сигнала с наложенными значениями CPR (а) и изображение, полученное с помощью оптических камер инструмента LROC (б). Предполагаемые основной (1) и резервный (2) “эллипсы разброса” мест посадки КА Луна-25. Изображения привязаны к селенографической системе координат и представлены в ортографической проекции с центром в южном полюсе Луны.

 

Нами была проведена оценка количества и распределения значений CPR внутри основного и резервного “эллипсов разброса” предполагаемых мест посадки КА Луна-25. На рис. 3 и 4 представлены радиолокационные карты CPR и оптические изображения мест посадки в увеличенном масштабе. Для основного района посадки камни и неровности размером от нескольких сантиметров распределены достаточно равномерно и занимают не менее 7% от общей площади. Отмеченные стрелками максимальные значения CPR внутри этой области не превышают 0.65. В северной части резервного района стрелками обозначены отдельные плотные области с высокими значениями CPR, доходящими до 1.45. По всей видимости, это связано с наличием выбросов из более крупных молодых кратеров. При этом камни и неровности, соразмерные длине волны излучения, занимают более 15% площади эллипса.

 

Рис. 3. Радиолокационное изображение зеркальной компоненты эхо-сигнала с наложенными значениями CPR (а) и изображение, полученное с помощью оптических камер инструмента LROC (б). Белым цветом обозначен “эллипс разброса” предполагаемого основного района посадки КА Луна-25. Изображения привязаны к селенографической системе координат и представлены в ортографической проекции с центром в южном полюсе Луны.

 

Рис. 4. Радиолокационное изображение зеркальной компоненты эхо-сигнала с наложенными значениями CPR (а) и изображение, полученное с помощью оптических камер инструмента LROC (б). Белым цветом обозначен “эллипс разброса” предполагаемого резервного района посадки КА Луна-25. Изображения привязаны к селенографической системе координат и представлены в ортографической проекции с центром в южном полюсе Луны.

 

ВЫВОДЫ

В работе получены новые радиолокационные изображения и поляриметрические данные для основного и резервного районов посадки КА Луна-25 вблизи кратеров Манцини и Богуславский на длине волны 4.2 см с пространственным разрешением около 80 м. Анализ полученных радиолокационных изображений выявил области с высоким радиолокационным рассеянием и CPR. Проведена оценка количества и распределения камней и неровностей, соразмерных длине волны излучения, на поверхности и в приповерхностном слое реголита на глубине до 1 м. Показано, что внутри основного “эллипса разброса” камни распределены более равномерно и занимают меньшую площадь по сравнению с резервным эллипсом. Средние значения CPR в пределах резервного эллипса заметно выше, чем в основном, что, очевидно, связано с наличием выбросов камней из более крупных молодых кратеров. При этом часть камней находится на поверхности реголита и заметна на оптическом изображении, а другая часть присутствует в толще реголита на глубине проникновения радиолокационного сигнала. Поверхность, кажущаяся гладкой в видимом диапазоне, может скрывать камни, обломки и пустоты размером более 50 см, находящиеся на небольшой глубине и представляющие серьезную угрозу для спускаемого КА. В результате проведенного анализа радиолокационных данных можно сделать вывод, что поверхность и приповерхностный слой реголита основного района более гладкие, чем у резервного, что делает его предпочтительным для предполагаемой посадки. Таким образом, полученные в результате работы новые радиолокационные изображения и карты CPR могут быть использованы при планировании будущих лунных миссий.

Авторы выражают благодарность техническому персоналу Центра космической связи ОКБ МЭИ “Медвежьи озёра” и Обсерватории “Светлое” ИПА РАН за помощь в организации и проведении радиолокационных наблюдений Луны.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 23-22-00254).

作者简介

Ю. Бондаренко

Институт прикладной астрономии РАН

编辑信件的主要联系方式.
Email: bondarenko@iaaras.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

Д. Маршалов

Институт прикладной астрономии РАН

Email: bondarenko@iaaras.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

Б. Зиньковский

АО “ОКБ МЭИ”

Email: bondarenko@iaaras.ru
俄罗斯联邦, Москва

А. Михайлов

Институт прикладной астрономии РАН

Email: bondarenko@iaaras.ru
俄罗斯联邦, Санкт-Петербург

参考

补充文件