嫦娥四號是怎么落月的？

圖片：adege / CC0

haibaraemily，公家號haibaraemily_planets

本年 4 月，以色列首個探月使命——創宿世紀號在當作功繞月之后，于動力下降階段不幸著陸掉敗，墜毀在月球概況。

9 月初，印度的第二個探月使命，也是印度首個月球著陸使命——月船二號著陸器在動力下降至距離月表 2.1 公里后不久掉去聯系，最終軟著陸掉敗，也墜毀在月球概況。

從環抱到著陸，這“再接近一點點”的十幾或者幾十公里距離里，無數探測器折戟于此。

著陸到底有多災？

領會了這點，才能真正體味到，我國嫦娥三號、四號當作功落月有何等了不得。

就在前幾天，《天然·通信》雜志在線頒發了以中國科學院國度天文臺、中國科學院大學為首的劉建軍等科學家們對嫦娥四號落月過程的重建成果[1]，經由過程下降相機拍攝的影像回溯嫦娥四號的落月之路。

嫦娥四號著陸器底部安裝了一臺下降相機（LCAM），跟著嫦娥四號在下降過程中不竭接近月球概況，下降相機也在不竭攝影——按照照片圖幅的巨細、角度轉變和拍攝到的特征地貌，再與已有的月球地圖做對比和匹配，就可以反推嫦娥四號在下降過程中各個階段的位置和角度，也可以大致猜測著陸點地點的位置了。

嫦娥四號的打算下降策略

和嫦娥三號一樣，自立著陸的嫦娥四號整個動力下降過程也分為 6 個階段：本家兒減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段緩和速下降段。也和嫦娥三號一樣，嫦娥四號繼續利用 7500N 變推力策動機來完當作動力下降階段的減速和航跡調整。

嫦娥四號的動力下降過程▼

然而，固然同樣是要著陸在月球概況，下降過程中在月面上的航跡也都是 450 公里擺布，但因為目標地的地形差別，嫦娥三號和嫦娥四號采納的下降策略就大大分歧了。

嫦娥三號的著陸區是月球正面平展的雨國內部，整個下降航跡下的地形升沉不跨越 800 米，而嫦娥四號的打算著陸區固然自己是位于相對平展的馮·卡門撞擊坑內部，但馮·卡門撞擊坑整體是位于月球后背高卑的南極 - 艾特肯盆地內部的，整個下降航跡下的地形升沉高達 6 公里[4]。

嫦娥三號著陸區地形升沉 vs 嫦娥四號著陸區地形升沉▼

這意味著嫦娥四號可選擇的著陸規模更小，并且它必需落得很是準——一旦偏了一點，就可能落不進平展的預心猿意馬著陸區里，而是撞上高卑的高山低谷了。

嫦娥四號：我太難了！

是以，分歧于嫦娥三號的拋物軌跡下降策略，嫦娥四號選擇進一步減小著陸位置的不確定性，從本家兒減速段竣事后就由斜標的目的前活動軌跡改為近乎垂直下降軌跡，然后從接近段起頭輔以程度偏向的微調來越過危險的地形（避障），測距敏感器的引入機會也做了響應調整[3]。

嫦娥四號的現實下降軌跡

那嫦娥四號是不是按照預心猿意馬的打算著陸的呢？

下降相機告訴我們：是的！

2019 年 1 月 3 日 10 時 15 分，跟著海說神聊京航天飛翔節制中間發出指令，嫦娥四號探測器從距離月面15 公里處起頭實施動力下降，7500N 變推力策動機開機，慢慢將探測器的速度從相對月面 1.7 公里 / 秒降到 0。約 690 秒后，嫦娥四號探測器自立著陸在月球后背馮·卡門撞擊坑內的一片平展區域。[7]

下降相機在整個動力下降階段拍攝的視頻清晰地表白，嫦娥四號完美執行了預心猿意馬的著陸策略。

在距離月面約 8-6 公里處，嫦娥四號進行快速姿態調整，從“側身”轉為“垂直”接近月面。經由過程下降相機拍攝的照片連系已有的嫦娥二號月面地圖（攝影當作像幾何干系 + 月面和影像中的不異地貌點匹配）進行反推，劉建軍及其同事們切確重建了嫦娥四號從 5635 米高度（圖中以 O 點代表）以下的下降軌跡▼

在接近段中，嫦娥四號以近乎垂直的角度下降并不竭減速，這一階段還要完當作粗避障的使命，也就是要越過一些較大的障礙物，包管著陸器來到一片大體平展的區域上空懸停，現實下降過程中，嫦娥四號在距月面 99 米處的 B 區起頭懸停。

在懸停和避障段，嫦娥四號需要對此時的腳下的月面進行進一步勘查，對月面的坡度和小型障礙物進行進一步邃密識別和自立避障（精避障），直至選心猿意馬相對平展的平安著陸區域后，才起頭最后的緩速垂直下降。

① 從 O 點海說神聊移約 77 米，越過直徑約 200 米的撞擊坑抵達 A 區 → ②從 A 區到 B 區：標的目的西海說神聊移動 244 米 → ③ B 區：懸停約 13 秒，標的目的西南移動 12 米以越過一個直徑約 25 米的撞擊坑，抵達著陸點上空 → ④ 垂直遲緩下降，直至軟著陸。改編自：參考文獻[1]

嫦娥四號的現實下降軌跡也清晰揭示了嫦娥三號和四號下降策略的差別，和打算一樣一樣的▼

來重溫一下嫦娥三號和嫦娥四號下降過程的差別吧▼

注重嫦娥三號在 3-2.4 公里高度進行快速姿態調整（也就是轉標的目的），而嫦娥四號則在 8-6 公里高度處就已經開展了快速姿態調整。PS：視頻時長分歧，這里調當作了快速調整段同時轉標的目的，所以嫦娥四號的視頻晚起頭了 30 秒。來歷：航天科技集團

嫦娥四號的切確著陸點

經由過程下降相機拍攝的距離月面越來越近的影像，對比已有的月面地圖，我們可以一點一點縮小嫦娥四號最終著陸點的規模。

從嫦娥四號著陸起頭，浩繁科學家們就在為確定著陸點位置而盡力。

2019 年 1 月 3 日，嫦娥四號順遂著陸當天，NASA 月球勘測軌道飛翔器 LROC 相機團隊就按照我國探月工程發布的下降相機影像（小圖）中的幾個較著的撞擊坑和已有的 LROC NAC 影像（布景大圖）做了匹配，嫦娥四號最終著陸點就位于這四個撞擊坑之內[8]。

1 月 11 日，LROC 相機團隊又按照探月工程發布的下降相機拍攝的視頻，進一步在 LROC NAC 影像中圈心猿意馬了最終著陸區域（下中圖），還找到了嫦娥四號監督相機拍攝的玉兔二號前方的撞擊坑是哪一個坑[6]。

而在此幾天前，中科院遙感所邸凱昌及其同事們就已經借助嫦娥二號正射影像 DOM、LROC NAC 影像、嫦娥四號下降相機影像、嫦娥四號監督相機影像等多源數據，操縱影像特征匹配定位和單像視覺測量定位手藝，確定了嫦娥四號著陸點在 LROC 參考系下的切確位置為 177.588°E, 45.457°S[7,8]。

找到下降相機影像中最較著的 ABC 三個撞擊坑在已有月面地圖中的位置▼

連系監督相機拍攝的影像，可以進一步圈心猿意馬切確著陸點▼

確定著陸點切確位置的意義并不僅僅在于給著陸點確定了一個坐標，更是對指導玉兔二號的路徑規劃和闡發嫦娥四號獲取的科學數據有很大幫忙。

在此根本上，海說神聊京航天飛翔節制中間對玉兔二號前 3 個月晝的路徑進行了規劃（綠色點），黃線是玉兔二號的現實行進軌跡▼

2 月，LRO 探測器起頭陸續拍攝到多張嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車在月面的照片，進一步確定了探測器在 LROC 坐標系統下的地輿位置（初步推算著陸點坐標為 45.457°S, 177.589°E）▼

4 月底，LROC 團隊發布了操縱 2 月 LRO NAC 拍攝的影像對成立的嫦娥四號著陸區地形數字高程模子（DEM），切確確定嫦娥四號著陸點在 LROC 參考系統下的坐標為 45.4561°S, 177.5885°E，高程 -5927 米▼

而本次劉建軍及其同事們則經由過程嫦娥二號的正射影像（DOM）、嫦娥四號下降相機在 5635 米高度下拍攝的 180 張分歧距離和角度的月面影像（1 張 / 秒）、嫦娥二號地形數字高程模子 DEM (CE2TMAP2015)、玉兔二號的兩個導航相機獲取的立體影像等綜合數據，進一步確定了嫦娥四號著陸器在嫦娥二號影像參考系統下的切確坐標為 177.5991°E,45.4446°S，高程?5935 米。

嫦娥四號著陸點（+ 號）在分歧來歷、分歧分辯率的影像中的位置和四周地形▼

這一成果還可以經由過程玉兔二號頂部的兩個全景相機（PCAM）拍攝的影像來互為驗證。

玉兔二號拍攝的影像中顯示，嫦娥四號著陸于一個已退化的撞擊坑的緩坡上，海說神聊部 8.35 米外就是一個直徑 25 米的撞擊坑的邊緣。著陸區被五個直徑 10.21~25 米，深度 1.21~3.03 米的撞擊坑所環抱。

基于嫦娥二號參考系統的位置與基于 LROC 參考系統下的位置合適得很好，但也不是百分百吻合：兩者在緯度上有 226 米的誤差，經度上有 348 米的誤差，總位置有 415 米的誤差。

這一點點偏移長短常正常的，表現了月背兩套影像數據自己的細小偏移。探測器各自的軌道測量誤差、月背的重力場轉變、相機攝影的細小形變等良多原因都可能會對最后的定位成果發生細小的影響，而在月球后背成立絕對節制點可以有用消弭這種偏移。

結語

嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車至今狀況杰出，還在繼續它們的月背探險之旅。就在幾天前，9 月 23 日 20 時 26 分和 22 日 20 時 30 分，著陸器和月球車接踵受光照當作功自立“叫醒”，起頭了第 10 個月晝的探測工作[11]。

而科學家們對嫦娥四號獲取的科學數據的闡發息爭譯工作也還在繼續。等候嫦娥四號的測月雷達、低頻射電頻譜儀、月表中子及輻射劑量探測器、中性原子探測器等儀器的科學當作果也早日和大師碰頭吧~

拓展閱讀參考

[1] Liu, J., Ren, X., Yan, W., et al. (2019). Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside. Nature Communications.

[2]

[3] 李飛，張熇，吳學英，等. 月球后背地形對軟著陸探測的影響闡發[J]. 深空探測學報，2017，4（2）：143-149.

[4] 嫦娥四號探測器當作功著陸月球后背傳回宿世界第一張近距離拍攝月背影像圖

[5] LROC | 2019.01.03 On the Farside!

[6] LROC | 2019.01.11 Chang'e 4 Lander Coordinates

[7] 海說神聊京航天飛控中間就嫦娥四號使命圓滿當作功標的目的空天信息研究院發來感激信嫦娥 4 著陸器定位.html

[8] 邸凱昌,劉召芹,劉斌,萬文輝,彭嫚,王曄昕,芶盛,岳宗玉,辛鑫,賈萌娜,牛勝利,2019. 多源數據的嫦娥四號著陸點定位. 遙感學報, 23(1):177-184, DOI:10.11834/jrs.20199015

[9] LROC | 2019.02.15 Above the Landing Site

[10] LROC | 2019.04.30 Topographic Map of the Chang'e 4 Site

[11] 中國探月工程 - 嫦娥四號著陸器和“玉兔二號”巡視器完當作自立叫醒，起頭第十月晝工作