国际金星探测计划进展和我国金星重力梯度计划的实施*

郑 伟 许厚泽 钟 敏 刘成恕

(中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077)

1 引言

深空探测计划是20世纪国内外研究机构探索空间环境和利用空间资源的关键途径，主要包括5个研究领域:月球探测、火星探测、水星/金星探测、巨行星探测以及小行星/彗星探测;预期科学目标是:开发空间资源、扩展生存空间、探索宇宙起源。

金星是太阳系中距地球最近的行星(最近4 100万千米)。金星是除太阳和月球之外，在天空中能直接看到的最明亮天体。虽然金星和地球被称为“孪生姊妹”，但金星在诸多方面与地球迥然不同:1)金星自东向西逆向旋转，自转周期(243天)大于公转周期(225天);2)由于日金距离比日地距离短约1/3，因此金星获得的太阳能比地球多1 倍;3)由于金星具有非常浓密的大气层，因此金星的反照率(0.76)在太阳系行星中名列前茅。为了尽快揭开金星的神秘面纱，自20世纪60年代起，以苏联和美国为代表的国际众多科研机构竞相开展了金星探测计划，并获得了大量的金星研究数据和科学信息，主要包括:苏联“金星”系列(16 个探测器)、美国“水手”系列(10 个探测器:3 个飞向金星、6 个飞向火星、1 个对金星和水星开展双星观测)、美国“麦哲伦”探测器、欧洲“金星快车”探测器、日本“拂晓”探测器等。

金星重力场的精密探测决定着环金飞行器轨道的优化设计和理想着陆点的合适选取［1－10］。由于当前金星重力场信息均是通过环金飞行器的多普勒跟踪数据获得，其仅敏感于金星重力场的中低频信号，而且探测精度相对较低，因此尽早实施专用金星重力卫星计划，进而构建高精度和高空间分辨率的金星重力场模型刻不容缓。

2 国际金星探测计划研究进展

如表1 所示，国际科研机构共发射了32 个金星探测器，如果将路过金星的探测器计算在内，总数已达40 余个。

表1 国际金星探测计划发展历程［1－10］Tab.1 Progress in international Venus exploration programs［1－10］

国际未来金星探测计划进展如表2。

3 金星重力场模型建立进展(1980—2002年)

金星重力场模型是指金星引力位按球谐函数展开中引力位系数的集合{Clm，Slm}。自苏联于1961年2月4日首次发射金星探测器“金星－1A”以来，国际众多科研机构已利用多种技术开展了大量的金星重力场测量。表3 列出了基于金星探测器观测数据建立的主要金星重力场模型，其中MGNP180U 模型是利用“麦哲伦”探测器的多普勒跟踪数据建立的180 阶次金星重力场模型，在180 阶处解算金星引力位系数精度为2.5 ×10－9。虽然MGNP180U 模型是至今为止解算精度较高的金星重力场模型，但由于“麦哲伦”金星探测器的主要科学目标并非金星重力探测，因此金星重力场测量精度有待进一步提高。基于地球专用重力卫星CHAMP、GRACE 和GOCE 以及月球专用重力测量卫星GRAIL 在高精度探测重力场方面的卓越贡献，尽早发射金星专用重力卫星是建立更高精度和更高阶次金星重力场模型的优选途径，通过将来专用重力卫星测量金星重力场的预期精度较目前金星探测器精度至少提高10 倍。

表3 金星重力场模型Tab.3 Venus gravity field models

4 对我国实施金星重力梯度计划的建议

4.1 SST-HL/SGG-Doppler-VLBI 观测模式的优化选取

SST－HL/SGG－Doppler－VLBI(Satellite－to－Satellite Tracking in High－Low/ Satellite Gravity Gradiometry mode associated with Doppler and Very Long Baseline Interferometry)观测系统由地球Doppler－VLBI 系统、低轨金星重力梯度卫星、联系Doppler－VLBI 系统和低轨金星重力梯度卫星的中继高轨卫星群组成。该观测模式的优点如下:1)由于采用传统金星探测器的多普勒跟踪数据仅能获得金星重力场的中长波信号，而卫星重力梯度张量可直接测量金星引力位的二阶导数，进而反演金星重力场精细结构的中短波信息。因此，卫星重力梯度测量技术是提高金星中高频重力场信号精度的优选途径;2)基于卫星多普勒观测的传统卫星重力测量技术主要取决于卫星定轨精度的高低，而SST－HL/SGG－Doppler－VLBI 对定轨精度的要求相对较低，主要原因是加速度计阵列本身可测定卫星的运动姿态，而且重力梯度数据的后处理可进一步改善卫星的定轨精度;3)金星重力梯度卫星在近圆、近极轨和低轨道上连续飞行可获得全球覆盖和规则分布的重力梯度数据，数据的密度和分布取决于卫星飞行时间、数据采样间隔、轨道参数等;不仅可高精度探测金星重力场信号，而且可借鉴地球重力梯度卫星GOCE［22－26］整体系统的成功经验。

4.2 卫星轨道高度的优化设计

由于不同金星探测器的轨道高度敏感于不同阶次的金星引力位系数，因此目前已有金星探测器仅在特定轨道高度区间可发挥优越性，而在轨道空间范围外基本无能为力。如果我国将来金星重力梯度卫星也设计在已有金星探测器的轨道高度空间范围，除非金星重力场的反演精度高于它们，否则效果仅相当于其测量的简单重复，对于金星重力场反演精度的进一步提高无实质性贡献。因此，我国将来金星重力梯度卫星的轨道高度应尽可能选择在已有金星探测器的测量盲区，进而信息互补。我国将来金星重力梯度卫星虽然携带了非保守力补偿系统，但由于有限测量精度的非保守力补偿系统无法将作用于金星重力梯度卫星体的非保守力完全平衡掉，同时轨道和姿态微推进器的频繁喷气将导致卫星携带燃料的大量损耗。因此，适当降低我国将来重力梯度卫星的轨道高度有利于提高金星重力场的反演精度，其代价是略微损失了卫星的工作寿命。综上所述，我国将来金星重力梯度卫星的轨道高度设计为50 ～100 km 较合理。

5 我国实施金星重力梯度计划的重要意义

迄今为止，苏联、美国、欧洲和日本已发射了40余颗金星探测器，另外，美国、俄罗斯、法国、日本和德国预计于2020—2025年将联合开展更高精度和更加全面的金星探测计划。但至今为止，国际科研机构仍未制定金星专用重力卫星测量计划，因此我国应尽早开展金星重力梯度计划。

金星重力梯度计划是一项多学科和高技术相互交叉、渗透和集成的系统工程。由于地球和金星有较多相似之处，因此基于金星的成因、演变和构造等方面的科学信息，有助于研究地球的起源、发展和演变史，可较大程度提升人类对地球、金星、太阳系、银河系、以及宇宙起源和演变特性的认知和理解。

继探月计划［27－29］和火星探测计划［30－32］之后，金星探测已成为国际众多航天大国关注的研究热点。类似于“嫦娥探月”计划，金星重力梯度计划的成功实施将成为提升我国深空探测科技水平的重要途径。目前我国已在人造卫星、载人航天、月球探测等研究领域取得了重大突破，因此尽早开展金星重力梯度计划和积极参与金星资源的开发和利用是我国航天科技发展的重大举措。

6 结论

开展金星卫星重力梯度计划将填补我国在金星探测方面的空白，为尽快缩短与国际先进金星探测水平的差距提供良好的平台和机遇，有助于进一步增强我国航天大国的影响力。

致谢感谢罗俊院士对本文的帮助。感谢美国宇航局( NASA)、俄罗斯联邦航天局( RSA)、欧洲空间局( ESA)、日本宇宙航空研究开发机构( JAXA)等研究机构提供金星探测计划的相关资料。

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