嫦娥四号“两器互拍”如何拍?有什么意义?

2018年12月8日2时23分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号着陆器和巡视器组合体,开启了月球背面探测的旅程。

经过了26天的漫长飞行,嫦娥四号着陆器巡视器组合体终于到达了目的地——月球背面南极-艾特肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑

嫦娥四号着陆器巡视器组合体着陆位置:月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑

2019年1月3日10时26分, 嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区。

2019年1月3日11时40分,嫦娥四号着陆器获取了月背影像图并传回地面。这是人类探测器首次在月球背面拍摄的近景图片。这是嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像。

嫦娥四号着陆器与巡视器于1月3日晚顺利分离,玉兔二号巡视器驶抵月球表面。着陆器上监视相机C拍摄的玉兔二号在月背留下第一道痕迹的影像图,“鹊桥”中继星顺利传回地面。

着陆器上监视相机C拍摄的玉兔二号在A点(“玉兔二号”驶离着陆器后到的第一个拍照点)影像图。

1月4日,玉兔二号巡视器继续在月面行走,随后,着陆区域进入月午,玉兔二号巡视器择机进入“月午休眠”模式,预计于1月10日唤醒。期间,着陆器继续正常工作。

嫦娥四号着陆器巡视器组合体所在位置“中午”模拟画面。

玉兔二号月球车为什么要“午休”呢?

这是由于月球中午期间的月面温度过高,为了对月球车及科学载荷的保护,地面人员选择让玉兔二号月球车在此期间进入休眠模式。

“午休”结束后,就不能偷懒了,该起来干活了。

玉兔二号唤醒后,有一项重要的任务需要它来完成,什么任务呢?

两器互拍!

何为“两器互拍”?

“两器”指的是嫦娥四号着陆器巡视器(“玉兔二号”月球车),“互拍”就很好理解了,着陆器拍摄“玉兔二号”月球车,“玉兔二号”月球车拍摄着陆器。

2013年12月,嫦娥三号着陆器和巡视器(玉兔号月球车)互拍。

那么问题来了,怎么拍呢?用啥拍呢?出门旅行谁还不带个相机,嫦娥四号着陆器和巡视器也带了好几个相机,今天介绍“两器互拍”中主要用的相机。

如何拍?

嫦娥四号着陆器落到月面后不能动,只能开展原位探测,而“玉兔二号”月球车有6个轮子,可以实现巡视勘察,所以,“两器互拍”工作中,我们的“玉兔二号”月球车就需要多“跑腿”了。

根据目前得到的信息简单做了一张图,模拟了嫦娥四号着陆器和巡视器(“玉兔二号”月球车)的方位。

在着陆器的正面,有一面五星红旗,着陆器的国旗位于面向月球赤道的方向,方向向北。月球车则在着陆器的南侧。如果月球车要拍摄着陆器上的国旗,需要行驶到着陆器的北侧。

着陆器如何拍摄"玉兔二号”月球车?

要拍照得有相机啊,嫦娥四号着陆器巡视器也准备了好几个相机,其中,主要承担两器互拍任务的是巡视器(“玉兔二号”月球车)上的全景相机和着陆器上的地形地貌相机,两个相机都可以进行彩色成像,它们的分辨率都有保障,所以能得到比较良好的两器互拍效果。

先来看看着陆器上的地形地貌相机。地形地貌相机安装在“嫦娥四号”着陆器顶部桅杆上,真像一个自拍杆。

上图黄色框内就是着陆器上的地形地貌相机(示意图)。

地形地貌相机将对着陆区月面地形地貌进行360度拍摄,完成对月球地形地貌的科学探索任务,监视月球车的工作场景,以供科研人员对月球车在月球上的行进状态开展研究。

嫦娥三号着陆器地形地貌相机环拍图(方位投影)

可以环拍四周,却不能拍自己,所以就出现了“灯下黑”的现象。

它还有一项重要任务呢!地形地貌相机还将与月球车上的全景相机互拍月球车、着陆器上的国旗。

嫦娥三号地形地貌相机拍摄的“玉兔”号月球车。地形地貌相机拍摄的图片是彩色的,简直太漂亮了!

在嫦娥三号任务中,按照任务要求,地形地貌相机只承担“嫦娥三号”落月之后,两器互拍及月球表面照片的拍摄任务,完成这些任务后,它还拍摄了美丽的地球,这是地形地貌相机首次进行的拓展任务。

2013年12月21日至12月25日,嫦娥三号着陆器上的地形地貌相机拍摄的地球图像。

由于嫦娥四号着陆在月球背面,看不到地球,所以在此次任务中就无法看到嫦娥四号着陆器上的地形地貌相机拍摄地球的照片了。

地形地貌相机的“寿命”只有15天,也就是月球上的一个白天,现在,嫦娥四号上的地形地貌相机正在抓紧工作,拍摄照片、传送给“鹊桥”号中继星,再由中继星传回地面,下传、解码……

嫦娥四号上的地形地貌相机拍摄的图片应该已经陆续下传到了地面,就等公布了!

着陆器上的地形地貌相机介绍完了,接下来再来看看可以移动的巡视器,也就是“玉兔二号”月球车如何拍摄着陆器。

“玉兔二号”月球车如何拍摄着陆器?

通过上图可以看到,一对导航相机安装在巡视器的桅杆上,用于获得约10米范围的月面地形信息,为巡视器规划路径方向;一对避障相机固定安装在月球车前端,使用鱼眼170度大视场镜头获取月面立体图像,辅助月球车完成3米以内的近距离障碍规避。

“玉兔二号”月球车上的全景相机。

在“两器互拍”过程中,“玉兔二号”月球车主要使用全景相机来拍摄着陆器。“玉兔二号”月球车上的全景相机安装在月球车桅杆的云台上,相机离月面大概1.5米,可以以桅杆为中心旋转将地形地貌拍摄清楚。相机分为黑白和彩色两种模式,分辨率和人眼相当。

嫦娥四号着陆器背面(CG渲染图),前面已经提到了“玉兔二号”驶离着陆器后到的第一个拍照点,也就是A点,“玉兔二号”转身前往下一个互拍位置前先在A点咔嚓来一张。接着,“玉兔二号”月球车将前往下一个互拍地点。

这是“玉兔”号月球车上的全景相机拍摄的嫦娥三号着陆器背面照片

接下来我们可以参考嫦娥三号任务时的两器互拍过程。

这是“玉兔”号月球车上的全景相机拍摄的嫦娥三号着陆器侧面照片

这是“玉兔”号月球车上的全景相机拍摄的嫦娥三号着陆器正面照片。

月球车围着着陆器进行拍摄,走走停停,比方说走10米,两器互拍一次,这样可以看到不同角度的照片。

2019年1月11日,当“玉兔二号”月球车行驶到着陆器的正面时,它将用全景相机拍下着陆器的正面照,鲜艳的五星红旗将展现在我们面前。

这时,嫦娥四号着陆器地形地貌相机也将拍摄“玉兔二号”,拍摄完后,“鹊桥”号中继星又要大展身手了,它将把这些数据传回地面,等待解码处理完成后,着陆器和“玉兔二号”月球车上的国旗将清晰展现在大家面前!

嫦娥四号着陆器地形地貌相机拍摄“玉兔二号”,真实画面和上面的CG渲染图类似。

“玉兔二号”月球车行驶到着陆器的正面时,将用全景相机拍下着陆器的正面照。CG渲染图。

咦?嫦娥四号着陆器上面咋有三根大天线?这是“低频射电频谱仪”,由中科院相关单位研制。月球背面是天文界公认的观测低频射电天文的最佳场所。在月球背面布设低频天线开展0.1-40 MHz的低频射电天文观测,将进一步开创天文观测的新领域,将有机会发现宇宙天体演化中的新现象、新规律。

目前,这3根5米长的接收天线已经释放,每根天线都与其他天线成直角。在月球背面开展低频射电探测。

由于嫦娥四号着陆器上有3根5米长的大天线,所以,在外观上和嫦娥三号着陆器就有了明显的区别,在即将到来的“两器互拍”中,我们将看到和嫦娥三号着陆器不一样图片。

“两器互拍”有什么意义呢?

两器互拍,看似简单,实则意义非凡!

两器互拍是为了让地面人员能够通过画面对嫦娥四号着陆器和巡视器各自的形态有更直观的了解。

两器互拍可以让着陆器和玉兔二号月球车通过相机相互看到自己,查看月尘是否落到相机,验证相机是否正常工作

在月球车走走停停拍照过程中,还可以检验月球车自身在月面的性能, 看驱动结构是否能正常工作、导航相机、避障相机能否正常配合月球车在月面行驶,通过“两器互拍”,就能检验巡视器和着陆器工作状态是否良好

两器互拍后,数据需要传输,这样也能从侧面检验“鹊桥”号中继星的工作状态是否正常,如果数据传输正常,数据完整,图像清晰,那就说明中继星工作正常,和着陆器巡视器、地面配合良好

两器互拍的过程其实很像是对嫦娥四号探测器(严格来说,嫦娥四号探测器由着陆器、巡视器和中继星组成)的一次“体检”,如果腰不酸腿不疼,眼不花耳不聋,那说明一切正常,身体倍棒!

成功实现“两器互拍”可以说是嫦娥四号任务成功的一个标志,我们希望成功的消息早点传来!

两器互拍结束后,“玉兔二号”月球车就可以开展巡视勘察了,而嫦娥四号着陆器将开展原位探测。

为避免出现“玉兔号”月球车故障,月球车升级!

2013年12月,玉兔号月球车行驶到月面后,它的一举一动都牵动着38万公里外那个蓝色星球上人们的心。

2014年初,玉兔号在进入第二个月夜之前,就出现了故障,故障始终未能排除,导致玉兔号月球车不能继续行进。

玉兔号:“啊……我坏掉了”。它的一举一动都牵动着38万公里外那个蓝色星球上人们的心。图源:@月球车玉兔 微博

看到这个消息,大家都非常伤心。

据公开论文消息,玉兔号月球车最终在月球上只累积行驶了约114.8m。从图中可以看到,规划好的路径无法实现行驶探测了。非常遗憾!按原计划,玉兔号月球车将在月球表面行驶10公里。

在温差达300摄氏度的月球表面,裸露在外的电缆极易出现故障,如今科研人员吸取这一教训,对嫦娥四号月球车电缆进行了最小化的裸露改进,还针对钩挂、摩擦等应用场景做了上千次试验,提升了月球车整体可靠性。据了解,嫦娥三号着陆器和月球车设计寿命分别为1年和3个月,但实际上着陆器目前仍在运行,如今的嫦娥四号月球车设计寿命也是3个月,运行时间预计将比玉兔号更长。

嫦娥三号月球车“玉兔号”在月面累积行驶了114.8米遗憾告终,嫦娥四号月球车将会行驶多远呢?拭目以待吧!

上面这张图展示了在月球、火星上的月球车、火星车行驶里程。(数据截止到2018年6月18日)

在月球上,前苏联的“月球车2号”开启“飙车”模式,4个月的时间行驶了42.1公里(之前说法为39公里,后通过卫星图的比较,测绘专家们再次对月球车2号月面行驶距离进行测量,得出了目前最精确的数据——42.1至42.2公里)。这和一场马拉松比赛的距离很接近。

在不久前的一次采访中,嫦娥三号、嫦娥四号、火星探测器总设计师孙泽洲说:3号(嫦娥三号)玉兔(月球车)在月面工作的时候出现了问题。其实这个也一直是我个人,也是我们团队的一个痛,希望嫦娥4号能够证明我们的月球车可以在月面走得更远。

“玉兔二号”月球车加油啊!

向榜样学习!希望你利用自己的相机、通过“鹊桥”号中继星给我们带来不一样的惊喜。

车行万里路,走好每一步。请遵章行驶,谢谢!

预祝“两器互拍”取得圆满成功!期待带有鲜艳五星红旗的着陆器、巡视器(月球车)清晰互拍图片尽快传回!

有关任务的最新进展,“航天面面观”将持续关注。获取最新消息请关注新浪微博@航天面面观

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