SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, (2022) Free Content

1. 月球表面物质介电常数：“嫦娥”五号月球样品的新启示

• Wenzhe Fa*
  • Address: 北京大学, 北京市海淀区颐和园路5号北京大学遥感与地理信息系统研究所209室 100871
  • wzfa@pku.edu.cn
• Received: Oct 18, 2022
• Accepted: Dec 12, 2022
• Published: Dec 12, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0396

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Abstract

月表物质的介电常数决定了电磁波在月球次表层的穿透深度，对月球雷达、微波辐射计、月表电磁实验等科学载荷的设计与数据解译至关重要，有助于定量反演次表层结构与物理性质。对月球物质介电常数的了解，目前主要基于主被动微波遥感数据反演和对Apollo、Luna月球样品的实验测量。2020年12月，我国“嫦娥”五号探测器从月球正面风暴洋北部成功采集并返回1.731 kg月球样品，为研究月壤介电常数提供了新的样品。本文首先介绍了物质介电常数基础、介质电极化机制、介电常数混合模型和测量方法，接着对月球表面物质介电常数的研究历史与现状进行了系统性梳理与总结，并给出了整个月球表面月壤介电常数的分布。最后，介绍了我国“嫦娥”五号着陆区地质背景与月壤特性的最新研究结果，对“嫦娥”五号月球样品介电常数实验测量给出了建议，并对其潜在科学产出进行了评估。本文对月壤介电常数的梳理与认识，可以为我国后续探月工程中微波遥感器件设计、雷达数据解译、采样点选取和样品分析等提供理论指导与支撑。

https://engine.scichina.com/doi/pdf/491378556484435DAB7877019A092466

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2. 嫦娥五号月壤的表面特征研究

• Chen Li 1, Yang Li 2, Kuixian Wei 3, Zhuang Guo 4, Han Yu 3, Xiumin Chen 3, Xiongyao Li 5, Wenhui Ma 3, Jianzhong Liu 5
  • Address:
    1. 昆明理工大学, 云南省昆明市五华区莲华街道121大街文昌路68号 , 昆明 中国
    2. 中国科学院地球化学研究所, 贵州省贵阳市观山湖区林城西路99号 , 贵阳 中国 550081
    3. 昆明理工大学, 云南省昆明市五华区莲华街道121大街文昌路68号 , 昆明 中国 650093
    4. 中国科学院地球化学研究所, 贵州省贵阳市观山湖区林城西路99号中国科学院地球化学研究所 , 贵阳 中国 550081
    5. 中国科学院地球化学研究所, 贵州省贵阳市观山湖区林城西路99号中国科学院地球化学研究所 , 贵阳市 中国 550081
  • liyang@mail.gyig.ac.cn
• Received: Aug 22, 2022
• Accepted: Oct 28, 2022
• Published: Oct 31, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0343

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Abstract

嫦娥五号月壤是迄今为止人类采集返回最年轻的月球样品，记录了采样区的太空风化改造历史。研究发现，嫦娥五号月壤颗粒的表面广泛分布有微撞击坑、矿物解理面、气化沉积物、覆盖的玻璃质等典型的形貌特征，反映了在以陨石、微陨石轰击为主的太空风化改造过程中，冲击破碎、熔融溅射、气化沉积等作用对月壤颗粒形貌特征的改造。该结果梳理了月壤颗粒中太空风化作用的典型形貌改造特征，从而帮助我们更好地理解月壤的形成与演化过程。

https://engine.scichina.com/doi/pdf/DDBB0BBBCC6C44F2919A4307D92543D3

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3. 嫦娥五号样品——月球遥感定量反演的新地面真值

• Chengxiang Yin 1, Haijun Cao 2, Xiaohui Fu 3, Jian Chen 4, Jiang Zhang 4, Zongcheng Ling 5
  • Address:
    1. 山东大学, 山东省威海市文化西路180号 , 威海 中国 264209
    2. 山东大学, 山东省威海市环翠区文化西路180号，山东大学（威海） , 威海 中国 264209
    3. 山东大学, 文化西路180号 中国
    4. 山东大学, 山东省威海市文化西路180号 264209
    5. 山东大学, 山东省威海市文化西路180号
  • fuxh@sdu.edu.cn
• Received: Jul 24, 2022
• Accepted: Oct 19, 2022
• Published: Oct 19, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0297

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Abstract

嫦娥五号任务从月球风暴洋东北部成功返回了1731克月壤样品. 最新返回的月壤有望为月球遥感数据定量反演提供新的地面真值(Ground Truth). 本研究中首先利用遥感数据获取了着陆单元的矿物组成和化学成分(FeO、TiO2、Th), 并与嫦娥五号月壤样品实验室分析结果进行对比. 二者之间的差异(特别是橄榄石含量)反映了目前利用遥感数据反演元素和矿物含量的方法仍存在提升空间. 本研究通过系统地对比分析发现:

1. 嫦娥五号月壤具有高铁、中钛、富钍的化学特征, 显著区别于已有阿波罗月壤, 可为月球遥感研究提供全新的地面真值;
2. 嫦娥五号月壤代表了一类发育成熟的年轻月海月壤, 外来溅射物占比较小, 能够反映着陆区玄武岩的成分特征;
3. 嫦娥五号月壤粒径较小, 符合Lunar Soil Characterization Consortium (LSCC) 提供地面真值的样品标准(＜45微米).

此外, 嫦娥五号着陆区也具有独特性:

1. 位于月球正面西部的中纬度地区, 不同于美苏样品返回任务所着陆的低纬度区域;
2. 位于月球晚期玄武岩单元, 区别于已有的光谱定标区.

因此, 以嫦娥五号月壤实测数据为地面真值, 进而将嫦娥五号着陆区构建为全新的遥感定标点, 可以显著扩大定标点的地理范围和全球代表性. 基于着陆区遥感及样品研究成果, 本研究在嫦娥五号着陆区所在单元(Em4)内划定了定标区的范围, 可为后续遥感定标区的建立提供参考.

https://engine.scichina.com/doi/pdf/1D20C6BADD2248B98A2009245EEEB473

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4. 嫦娥五号着陆区的成分特征与遥感地质研究

• Zongcheng Ling*
  • Address: 山东大学, 山东省威海市文化西路180号 264209
  • zcling@sdu.edu.cn
• Received: Jul 16, 2022
• Accepted: Aug 19, 2022
• Published: Aug 19, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0289

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Abstract

嫦娥五号任务从月球风暴洋北部地区成功返回了1731克月壤样品, 这些样品为研究月球年轻玄武岩的成因和演化提供了重要的样本. 本文利用多源月球遥感探测数据结合嫦娥五号样品研究结果, 从光谱学和矿物学角度研究了嫦娥五号着陆区年轻玄武岩的演化过程. 嫦娥五号着陆区主要包含雨海纪极低钛到低钛玄武岩和爱拉托逊纪中钛玄武岩, 遥感光谱学分析表明年轻玄武岩表现出明显的1 μm吸收特征, 可能存在橄榄石的富集. 然而, 返回的嫦娥五号月球样品研究揭示年轻玄武岩中橄榄石的含量并不高, 我们推测年轻玄武岩遥感光谱上的1 μm强吸收特征可能是富铁辉石、富铁玻璃、空间风化作用和铁橄榄石共同作用的结果. 综合已有的样品研究和本文的遥感地质研究, 嫦娥五号玄武岩源于高度演化的月球晚期岩浆活动, 其源区可能位于富单斜辉石的浅层月幔.

https://engine.scichina.com/doi/pdf/9C4D66FD677140FE9A4AEBEA51D35AE1

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5. 嫦娥五号任务月球样品存储处理制备方法研究

• Guangliang Zhang 1, Hongbo Zhang 2, Chunlai Li 1, Jianjun Liu 3, Qin Zhou 1, Bin Liu 1, Dawei Liu 1, Mingchun Dong 1, Wei Zuo 1, Xin Ren 1, Zan Wang 1
  • Address:
    1. 中国科学院国家天文台, 北京市朝阳区大屯路甲20号 , 北京 中国 100101
    2. 中国科学院国家天文台深空探测重点实验, 北京市大屯路甲20号 中国 100101
    3. 中国科学院国家天文台, 北京市朝阳区大屯路甲20号 中国 100012
  • zhb@nao.cas.cn
• Received: Jul 15, 2022
• Accepted: Aug 26, 2022
• Published: Aug 26, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0288

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Abstract

嫦娥五号任务实现了我国首次月面自动采样返回, 地面应用系统承担了样品的存储处理和研究任务, 建设的样品实验室能够集中存储、处理和制备原始月球样品, 实现了月球样品的地面高纯氮气环境长期存储和处理. 嫦娥五号任务获得的样品包括两类：表取样和钻取样, 本文针对不同样品进行了详细的存储、处理、制备方法和流程研究. 样品进入地面应用系统月球样品实验室后, 分为样品处理、样品存储和样品制备三个阶段进行工作, 包括密封封装装置解封, 样品分样(钻取样分样和表取样分样), 样品存储(表取样存储和钻取样存储)和样品制备等流程. 其中, 通过封装装置解封处理, 顺利取出表取样和钻取样初级密封容器. 通过表取样和钻取样分样操作, 获得了永久存储样、异地备份存储样、工程展示样和科学研究样等. 这些样品按照本文的存储方法被分别存储在不同位置的不同设备中. 而科学研究样和部分工程展示样按照本文的制备方法被制成光片样, 保证能够获得基础样品信息的同时, 又不会破坏样品的最初特征. 制备的样品将用于月球样品基本物理化学性质分析和基本特征信息描述, 为后续月球样品的科学研究提供重要的样品信息和技术支撑.

https://engine.scichina.com/doi/pdf/956B38C4882343EB9ADB124266261999

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6. 基于嫦娥五号月球矿物光谱仪数据的采样区矿物光谱识别与丰度反演

• Mi Song 1, Yanfei Zhong 2, Chunyu Ding 3, Yuanzhou Liu 4, Shaopeng Huang 5, Qingquan Li 6
  • Address:
    1. 深圳大学, 广东省深圳市南山区南海大道深圳大学科技楼 518060
    2. 武汉大学, 武汉市洪山区珞瑜路129号 , 武汉市 中国 430026
    3. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号深圳大学高等研究院致知楼729室 , Shenzhen 中国 518055
    4. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号科技楼 , 深圳市 中国 518060
    5. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号深圳大学 , Shenzhen 中国 518055
    6. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号科技楼1402 , 深圳 中国 518060
  • shaopeng@szu.edu.cn
• Received: Aug 1, 2022
• Accepted: Sep 8, 2022
• Published: Sep 8, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0318

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Abstract

月壤的矿物组分对于探究月球成因和演化历史具有重要意义，嫦娥五号搭载的月球矿物光谱分析仪LMS为解译月壤的矿物组分提供了宝贵数据。本文采用基于多粒径矿物端元光谱库的稀疏光谱分解方法对嫦娥五号LMS获得的11组就位光谱数据进行分析，结果表明采样区的组成矿物和平均丰度为：凝集物和玻璃49.36%、辉石14.08%、斜长石18.58%、钛铁矿16.11%和橄榄石1.86%，其中79.83%矿物粒径小于75µm，估算月壤和岩石的平均水含量为67ppm。

https://engine.scichina.com/doi/pdf/0F8EF3BEC9984DB98A58F5BC03C81218

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7. 嫦娥五号着陆区热环境及其对探测器外部温度的影响

• Yuanzhou Liu 1, Tong Wang 2, Yingzhuo Jia 3, Mi Song 4, Chunyu Ding 5, Shaopeng Huang 6
  • Address:
    1. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号科技楼 , 深圳市 518060
    2. 中国空间技术研究院, 北京市海淀区航天城 100094
    3. 中国科学院国家空间科学中心, 北京市海淀区中关村南二条一号 100190
    4. 深圳大学, 广东省深圳市南山区南海大道深圳大学科技楼
    5. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号深圳大学高等研究院致知楼729室 , Shenzhen 中国 518055
    6. 深圳大学, 深圳市南山区南海大道3688号深圳大学 , Shenzhen 中国 518055
  • shaopeng@szu.edu.cn
• Received: Aug 18, 2022
• Accepted: Sep 27, 2022
• Published: Sep 28, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0339

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Abstract

本文首次报道嫦娥五号探测器5个热电偶温度传感器超过47小时的连续测温数据，并对这批温度数据进行分析。结果表明，着陆之初5个传感器记录的温度较为均匀，变化范围245-273K，随后温度升高差异加大，测温结束时温度变化范围为285K-370K，月球表面热环境对月球探测器阴面和阳面的温度均有显著影响，对于阴面的影响甚至胜过对阳面的影响。这项成果既有月球热环境变化机理理论研究意义也有探测器热管理工程应用价值。

https://engine.scichina.com/doi/pdf/EFE5BB8EE76D4D92B28DA15831F89181

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8. 嫦娥五号等着陆区的月壤微波热辐射特性及地质意义分析

• Zhiguo Meng 1, Tianqi Tang 2, Xuegang Dong 2, Wenqing Chang 2, Meng Zou 2, Hongbo Zhang 3, Mingchang Wang 2, Zhanchuan Cai 4, Jingsong Ping 5, Yongchun Zheng 5, Yuanzhi Zhang 5, Gusev Alexander 6
  • Address:
    1. 吉林大学, 吉林省长春市西民主大街938号 , 长春 中国 130026
    2. 吉林大学, 吉林省长春市西民主大街938号 , 长春市 中国 130026
    3. 中国科学院国家天文台深空探测重点实验, 北京市大屯路甲20号 中国 100101
    4. 澳门科技大学, 中国澳门氹仔伟龙马路 中国 999078
    5. 中国科学院国家天文台, 北京市大屯路甲20号 中国 100101
    6. 喀山国立大学, 俄罗斯联邦鞑靼斯坦共和国喀山市 , 喀山 俄罗斯联邦 420008
  • mengzg@jlu.edu.cn
• Received: Jul 27, 2022
• Accepted: Oct 10, 2022
• Published: Oct 10, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0303

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Abstract

嫦娥三、四和五号的原位月壤探测为基于嫦娥一、二号卫星微波辐射计数据的月球科学研究提供了重要参考。论文基于嫦娥二号卫星微波辐射计数据，生成了着陆区亮温图；为了消除亮温随纬度变化的影响，突出亮温与月壤成分之间的关系，定义和制作了规则亮温图和亮温差图；基于Kaguya MI数据，制作了研究区氧化亚铁、氧化钛、单斜辉石和橄榄石含量图；结合原位月壤探测成果，系统分析了嫦娥三、四和五号着陆区月壤的微波热辐射特性。主要研究发现包括以下三点：

1. 嫦娥五号着陆区具有稳定的亮温表现，表明该地区月壤成分随深度的变化不明显，可以作为微波热辐射异常研究的重要参考；
2. 嫦娥三号着陆区微波数据探测范围内月壤存在分层结构，以低频数据为代表的深层、以高频数据探测为代表的浅层和以可见光成果为代表的表层，成分变化很大；
3. 在嫦娥四号着陆区发现并提出了微波冷异常的存在，并初步分析了微波冷异常的成因机制。

论文研究发现微波辐射计数据可用于月海玄武岩的识别，可以为深化未来的月海岩浆演化研究提供重要的科学参考。

https://engine.scichina.com/doi/pdf/AE771D3A0B934BDDB57CA61B05DDD6A6

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9. 嫦娥五号探测器精细开环测速及空间引力红移验证设计分析

• lu:e Chen 1, Wenxiao Li 2, Haitao Li 3, Hongbo Jin 2, Jing Kong 4, Mei Wang 5, Weitao Lu 5, Xiaofeng Yang 5, Jianfeng Xie 5
  • Address:
    1. 北京航天飞行控制中心, 北京市海淀区北清路26号院
    2. 中国科学院国家天文台, 北京市朝阳区大屯路甲20号 100012
    3. 北京跟踪与通信技术研究所, 北京市海淀区北清路26号院 , 北京 中国 100094
    4. 北京航天飞行控制中心, 北京市海淀区北清路26号院5130信箱105分箱 100093
    5. 北京航天飞行控制中心, 北京市海淀区北清路26号院 100094
  • luechen0912@163.com
• Received: Aug 1, 2022
• Accepted: Aug 24, 2022
• Published: Aug 25, 2022

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0319

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Abstract

嫦娥五号（CE-5）任务具有天地联合的优势测控资源，为地基无线电测量新方法验证、工程应用与科学研究提供了优越条件。本文重点开展CE-5探测器开环测速精细提取及应用。首先，提出了基于信号重构互相关的开环测速多普勒频率提取算法，建立了从信号输入、信号处理到观测量输出的完整实现步骤；然后，基于中国深空网开展了CE-5轨道器开环测速试验，经信号处理分析结果表明：CE-5轨道器开环测速精度达到23mHz水平，优于深空站基带测速精度34倍；其次，通过CE-5轨道器精密定轨，有效验证开环测速观测量应用效果，结果表明：开环测速的定轨残差为0.12mm/s，基带测速的定轨残差为0.46mm/s；最后，提出了基于深空探测器的多体问题引力红移验证方法，从理论上分析了高精度开环测速在引力红移验证方面潜在应用可行性，初步设计了引力红移验证设想方案，评估了以现有CE-5轨道器开环测速结果为依据，建议可考虑开展引力红移验证专项试验，有望实现10-4~10-5水平的引力红移验证精度。

https://engine.scichina.com/doi/pdf/95BA68448F79455C875E77D6F5FF06FA

sig/天文/嫦娥五号月球科学探测：月壤和样品专题.md

【深空前沿】当“不速之客”遇到雷达

平劲松，孙靖 深空探测 2022-09-30 23:13 发表于北京

• 微信号：深空探测 gh_3924bc8a5524
• 功能介绍：全球深空探测咨询与科普的发布平台；深空探测研究者、爱好者的交流平台；作者与读者的服务平台。本公众号由《深空探测学报》创办。

当“不速之客”遇到雷达

平劲松，孙靖

地基雷达可以通过发射信号，研究太阳系天体的尺寸、形状、旋转周期等特征，是获得其地形地貌、物理特征、轨道动力等信息的最有效技术之一。

20世纪40年代，当二次世界大战结束，同盟国在欧美大陆和列岛上堆积了大量退役的雷达天线设备。如若继续维护保养和使用它们，这将是一笔巨大的经费开销。一部分设备被报废回炉，而另一部分设备则改头换面，继而流入民间。与此同时，部队的雷达工程师们也退役还乡。或许是为了练手，或许是为了生计，也或者纯粹为了兴趣，这些工程师使将报废的雷达指向了天空。

首先是太阳，然后是月球和木星，再之后是银河星辰甚至河外天体，短短一二十年就发展了太阳射电天文、行星射电天文等射电天文学的分支领域。后来在宇宙背景辐射、脉冲星、黑洞探索等方向，斩获了一个又一个诺贝尔奖。在孪生兄弟射电天文学巨大的光环遮掩之下，同步诞生了一个促进人类走出地球的辅助和牵引分支领域，这就是雷达天文学。

天生的无名英雄

在早期，雷达工程师配合金星、火星探测的需求发展，把雷达的效能用到了极致。例如，用无线电波照射轰击了月亮、太阳、大行星，验证了无线电电波行进速度与可见光相同；首次实测了行星和地球的距离，获得比光学照相更高精度的行星历表，大幅度降低了20世纪50年代—70年代行星探测任务飞行弹道规划设计的风险；检验了万有引力的传播速度与光速一致的理论假说等。在发展初期，雷达天文学利用相对成熟的技术，为工程和科技发展提供不可或缺的辅助支撑。时至今日，在雷达天文提供的精确历表信息辅助下，人类探测器可以飞抵天体进行探测。雷达天文学可谓是“天生的无名英雄”。

目前雷达探测技术可分为地基探测、星载探测、就位探测、以及星地联合探测等类型，不同的探测方式各有千秋。

1. 地基探测依托地面大口径天线作为发射和接收装置，有着观测周期短、经济方便、可重复性高的特点；
2. 星载探测是将雷达搭载在卫星上，将卫星发射至天体的轨道上进行环绕观测的探测方式，有着范围广、精确度较高、探测周期长的特点，但成本较昂贵；
3. 就位探测是将雷达搭载在天体巡视器上，在天体表面进行实地登陆观测的探测方式，以高分辨率探测天体次表层地质结构与厚度，这种方式的探测精度高，缺陷在于探测区域范围有限；
4. 星地联合探测是将雷达收发设备分置于星载、地基两个不同载体平台，结合了星载雷达与地基雷达的优势，减少了星载雷达的载荷负重，较为经济，但数据处理算法更为复杂，导致分辨率降低。就目前的发展趋势而言，地基雷达以成本低、分辨率高的优势仍将是未来太阳系天体探测的主要手段。

月球的雷达探测

月球是离地球最近的天体，它历来是人类天文观测和空间探测的首选目标之一，是地基雷达探测应用最早、最多的天体。1946年1月，美国海军某地面站向月球发射电磁波，在经过不到3秒的时延后，接收天线便收到了来自月球的信号回波，这是人类首次利用地基雷达技术探测太阳系天体收到的回波。

雷达探测月球具有独特的优势与作用。首先，雷达探测技术不受光照和地球气象条件限制，可用于探测月球两极、月球撞击坑的永久阴影区。其次，合成孔径技术可用于对月球表面的地形测绘、成像。最后，基于雷达电磁波的穿透性与极化特征，通过分析雷达后向散射回波，可反演月球的月壤厚度、介电常数、地质结构等次表层特性，以及探测月球是否存在水冰。但是由于地月运动，地基雷达技术只能探测月球朝向地球的一面。人类运用地基雷达探测技术开展了对月球地形地貌探测、月壤厚度反演、月球水冰探测等研究，取得了丰硕的科学成果。

近地小行星的雷达探测

1968年6月，地基雷达对伊卡洛斯星（Icarus，小行星第1566号）进行探测，拉开了地基雷探测小行星的大幕。这种探测的最大优势在于能够控制发射信号的所有特性，包括强度、方向、偏振、时间结构和频率结构等，从而实现不同的探测目的。小行星的雷达探测主要有两种方式：第一，连续波探测，可得到小行星表面的粗糙度等参数；第二，延迟多普勒探测，用于反演小行星的三维形状模型并确定自转轴状态。这等探测水准，让其它探测手段望其项背。

近年来，近地小行星威胁地球安全的话题与日俱增，美国甚至发射了专门的探测器要去改变小行星的飞行轨迹，并对其运动进行重定向。在精密确定有威胁的小行星飞行轨迹方面，配备了氢原子钟的多基地地面天文雷达站，对小行星的距离位置测量能力高出照相测量几个数量基本。光学和雷达这两种互补的手段，分别扮演了发现新的近地小行星和快速精密确定飞行轨迹、预测判别对地球威胁状态的角色。

自20世纪60年代起，美国就开始了基于地基雷达和射电望远镜联合的相关研究，通过使用地基雷达作为发射端，或直接在射电望远镜上加装发射设备，主动对天体发射电磁信号，并接收天体后向散射的回波。通过对回波的处理，提取地形地貌等几何特征和电磁散射等物理特征信息，具备了对月球、太阳系大行星、近地小行星等进行检测、成像、识别和监视的能力。目前美国GSSR（Goldstone Solar System Radar）是世界上唯一一套在运行的地基行星雷达系统，可以探测1.5×107 km范围内、直径大于1 km的小行星。阿雷西博（Arecibo）行星雷达系统历史上也曾主导了地基雷达对太阳系自然天体的探测，可以探测3.5×107 km范围内、直径大于1 km的小行星。GSSR和Arecibo这两套雷达系统通过不断升级，提高了工作频率，配备了更大功率发射机，在国际太阳系研究中占据主导地位，探测过月球、金星、火星、水星、小行星，甚至太阳系最边远的冥王星等，对天体活动、规律、构成等进行了大量研究，也对一些未知的小行星（甚至行星带）的运行轨迹进行了探测和跟踪。

地基雷达探测依托地面大口径天线作为发射和接收天线，利用雷达与目标的相对运动，通过检测回波信号的时间延迟和多普勒频移实现对目标的探测，是近地小行星探测的一种重要技术途径，是行星学、射电天文学和雷达工程交叉的一个科学领域。地基雷达作为主动探测设备，可观测大的空域，具有全天候和全天时工作 优点，建设和运行费用也比实施空间探测项目更加经济。仅仅通过地基探测手段和资源，就可对大量不同的近地小行星目标的轨道特性、自转特性以及表层和次表层电磁物理特性等进行长期稳定的探测和监 测。地基雷达探测方法不仅可以独立地实现对近地小行星的探测，还可以与光学、 空基等已经获得的信息相结合，揭示自然 天体的动力学特性和电磁物理特性。

我国雷达天文学的发展

与国外相比，我国运用雷达技术对天体的探测还处于起步阶段，“嫦娥三号”搭载的测月雷达（LPR）是我国首次运用雷达技术探测地球外天体，同时也是人类首次运用雷达技术对地外天体进行实地就位探测。然而，目前我国在地基雷达天文领域仍然处于空白阶段，还没有专门用于对月球和其它太阳系天体进行观测的地基雷达。但国内现有的地基设备，包括深空网雷达系统、云南曲靖非相干散射雷达以及我国的大口径射电望远镜网等，目前已初步具备月球探测和近距离、大尺寸小行星的地基雷达发射和接收能力。

在月球考察探索领域，预计包括中国在内的多个国家将发射多个长期驻留的探测器去月球南极，设置科学考察站。未来充分进行任务准备、特别是对长期阴影区域进行摸底，比较现实的方式是动用地球上低纬度和南半球的雷达与射电天文装备协同，在尽可能宽的波段（VHF-P-L-S-C-X-K等），对拟探索区域进行详细的观测，获得区域不同深度的物质特性信息。我国的深空跟踪网与海外和国际合作射电天文台站配合，可以发挥重要作用。

同时，基于地基雷达自主研发技术能力，研究者在国内已经开展了我国近地小行星地基雷达探测系统设计，满足我国近地小行星防御需求，确保深远空天安全。2018年1月，中国国家航天局（CNSA）作为成员单位正式加入国际小行星预警网络。我国地处东半球，建设近地小行星探测雷达系统之后，可以与西半球美国的行星雷达形成覆盖时段上的互补，能够对有撞击地球威胁的近地小行星实现连续跟踪监测，大幅度提高识别和评估的效率。

“工欲善其事，必先利其器”，在这方面的一个简单便捷的发展途径设想是，可以仿效之前西半球阿雷西博与金石台站的协同模式，构建阿雷西博类型天线——FAST天眼与一台大口径天文雷达，如果这个雷达可以达到百米口径，即使发射功率与金石相同，对相同尺寸天体的作用距离将是西半球的2.3倍左右，对小行星的预警提前量超前一倍以上的时间。其意义不仅仅是填补西半球空白，而是在构建人类命运共同体的道路上，有可能快速地从落后变到并跑、引领。

由于雷达波具有一定的穿透性，可以对 天体表层以下的结构进行探测，雷达技术在小行星探测中的主要贡献在于小行星内部结 构探测。通过UHF、L、S、X等多波段的联合探测，基于不同波长的探测可以获得不同 深层区域的演化特征。多波段观测可以从地面直接观测月球表层以下一定深度的物质特性。在主要的雷达探测频段方面，考虑到国际上长达数十年的实践、理论和经验确认， 通用的超远距离作用行星探测雷达建议使用 S波段窄带模式，更长波长的频段在行星际空间穿越行星际等离子体时电磁波信号能量损失衰减更小。

“嫦娥四号”探测器的月面雷达探测。版权／CLEP／GRAS／NAOC

—— 原载于《中国国家天文》2022年第3期

作者简介

• 平劲松，中国科学院国家天文台研究员，月球行星科学探测领域专家。
• 孙靖，中国科学院国家天文台高级工程师，射电和雷达天文领域专家。

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【深空前沿】火星探测导航与通信技术

原创 平劲松 深空探测 2021-05-23 15:27 发表于北京

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火星及其周围空间是人类在行星空间探测活动最活跃、最频繁的区域之一。众多火星任务的飞行导航与通信手段，主要还是通过无线电微波链路在国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）划定频段内开展和实现。微波手段几十年来已经从单一的星地链路方式发展出了星地开环、地-星-火中继，以及仅仅依赖星间链路的ELECTRA（软件定义无线电自主可重构深空通信导航定位授时一体化模组包）导航通信技术。1990年代以来的火星探测任务中ELECTRA扮演了导航通信的关键角色。

01 星地微波链路导航与通信

地火空间通信导航的经典电磁波段是微波频段，主要在ITU规定的UHF、S、X、Ka波段通过闭环或开环链路方式实现。其中使用比较多的是统一S波段通信测控体制（Unified S-Band，USB）和统一X波段通信测控体制（Unified X-Band，UXB），借助地球全球覆盖的地面深空站，单独或联合在S、X频段开展对火星探测器的测量、通信和飞行控制。其特点是技术成熟度高、可靠性高、成本可控、容易实现。在地面站使用原子钟支持下，可以借助地-星-地之间闭环双程或者开环三程链路，高精度地测量探测器与地面站之间的视线方向上的运动速度和距离。

在考虑应急测控通信导航时，探测器使用UHF或者S波段全向通信模式，信号空间传输衰减慢，在较低精度下借助窄通信信道，实现应急业务。而Ka波段的使用，可以把对地的下行通信带宽从兆比特每秒提升到数百兆比特每秒。

针对包括火星探测在内的深空探测需求，目前国际上稳定运行着美国、欧洲和中国的完备的深空测控地面站系统。另外，俄罗斯、日本、印度等国还建有各自的深空测控地面站系统，可以在前三者的合作支持下实现全天覆盖的对深空探测器的飞行控制和导航通信业务。美国的空间探测活动由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的空间通信与导航（SCaN）网络提供通信导航支持，SCaN 网络由三个网络组成：深空网（DSN）、空间网（SN）和近地网（NEN），用户一般根据任务需求选择一个或多个网络提供所需服务。深空网由全球分布的大口径天线地面站组成，为地球同步轨道到太阳系边缘用户任务平台提供连续通信覆盖。深空网重点关注从自然天体噪声中检测和分辨微弱信号，针对近地域之外的深空量级距离捕获数据进行优化。我国深空测控地面站的地面数据接收站主要采用USB和UXB模式，个别站配置了Ka波段的测量与通信接收装备。

美、俄以及日本等在早期的火星探测中发现，仅仅依赖星-地链路径向测量对于火星距离上的飞控导航而言，对轨道的测量控制精度非常差，极大可能导致探测器飞抵火星时会撞击到火星上或者飞掠离去不知所踪。导致这种情况的主要原因是：约束三维飞行弹道的测量数据仅仅来自视线方向一维，对垂直与径向两个正交的横向方向约束极弱，导致弹道积分预报大幅度偏离预期。

为了抑制火星探测导航中的弹道横向测量偏差、进而改进轨道预报精度，在仅仅使用地面手段的时代，使用测量差分技术获取探测器高精度横向位置的手段应运而生。美国深空测控站网的专家们针对这一发展需求，研制研发了差分单向测速、差分单向测距、差分双-三向测速、差分双-三向测距技术，并且在早期借助使用通信载波、副载波、测距调制音信号的基础上，发展起来专用的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）用下行人工信号调制体制。在星上使用锁相转发和发生一体机技术，灵活地实现了统一S或X波段测控通信体制下的火星探测器导航技术。

然而在导航测量性能反面，侧音频带窄测距精度低、宽带伪码透明转发信号弱不易锁住难以实现测距。近年来，伴随着软件无线技术的飞速发展，制约深空探测闭环测距精度提升的一个问题也得到了解决。工程师融合了闭环链路不失锁、伪码测距精度高的优势，提出并实现了再生伪码宽带测距技术，用于深空探测导航，实现了分米精度的地火导航测距。上述融合了USB、UXB、VLBI和再生伪码测距的体制，已经以国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）绿皮书形式发布，形成了国际上建议使用的行业规范。这种融合的手段，强化了火星探测微波导航与通信的以地基技术为主的基本策略。

由于地面测控台站数量整体有限、大型设备更在少数，为此美国工程师们甚至实现了几种更经济的导航通信策略，值得借鉴的两种包括：(1)巡航飞行阶段经济导航通信模式，即在卫星向地面发射基于高稳定时钟的微弱载波组合、地面使用小天线装备接收这些载波并积分提高信噪比，获取卫星状态信息、速度信息、横向速度和距离差分信息，仅当信号组合显示高级别的紧急状态时，呼叫地面大型天线和业务团队跟踪应对；(2)针对火星周围和表面多目标同时或同期导航、通信测控需求，地面台站采用同波束通频带对多目标同步同时接收测量、通信，分时上行测控、通信。在采用相同体制前提下，这两种策略可以数倍地提高的地面平台对火星探测器的管控、导航与通信效率。

承担我国月球与深空探测飞控任务的专家们充分认识到了上述技术需求，从一开始就把USB、UXB和VLBI融合纳入我国的深空测控体制，在"嫦娥"月球探测工程和火星、小行星探测任务中使用了这种综合的深空导航策略，避免了技术上的弯路、降低了测控风险，并且在“天问一号”探测器飞控任务中增加使用了天线组阵地面接收技术，走出了一条充满智慧的发展道路。

02 火星探测中继导航与通信

在着陆器或巡视器降落火星表面最后阶段，可以采用光学手段进行影像匹配导航，规避预设路径区域的凹凸地形、岩块、坑洞，选择平坦区域着陆。在巡视器正常工作时，选择使用照相方式规划行进路线，实现任务导航。

多数情况下，由于火星周边探测器飞行几何构型、星地链路可视条件的遮挡干扰或破坏，会限制导航和通信的实施。在火星及其周边区域，对成规模通信和导航定位跟踪精度与可靠性要求越来越高，依赖传统技术进行的通信、导航与跟踪定位已不能满足需要，于是对多源导航定位技术的发展提出了需求。

其中最为简单的方式是借助火星长寿命轨道器[如火星全球探测器（The Mars Global Surveyor，MGS）、“奥德赛号”（Odyssey）火星轨道器和“火星快车号”（Mars Express）轨道器搭载了第一代UHF 波段中继ELECTRA]的火星探测器对低轨道和着陆器、巡视器，开展的中继导航通信。深空测控、导航与通信的中继技术概念和方案，来自美国跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）。TDRSS是一种位于同步轨道的中继星座及相关地面系统，利用空间段和地面段为低轨用户任务提供跟踪和数据中继服务，支持低延迟需求任务，适合持续、高数据率通信。
用于火星任务时，以我国绕、落、巡一体化的“天问”火星探测为例，当火星探测器进入“落火”阶段后，环绕器会和着陆巡视器分离，由着陆巡视器单独下落。此时地面要想了解着陆巡视器在下落过程中的遥测数据，就需要依靠进入舱与环绕器间的UHF频段双向通信链路。我国的“天问”火星探测任务，选用了UHF频段收发信机和X频段深空应答机实现这类中继的通信测控任务。在我国的“嫦娥四号”火星探测任务中，还追加继承使用了着陆器平台的X波段深空应答机与飞行在拉格朗日L2点的“鹊桥号”，实现中继的通信与测量。
实际上，实现降落火星的美国探测器也选用了微波VHF/UHF频段，用于火星轨道器、着陆器、巡视器之间链路的通信与导航、授时。轨道器S或X频段应答转发器机与地面站建立通信导航链路，巡视器或火星车上的VHF/UHF频段收发信机建立与轨道器之间链路，通过轨道器建立与地面的中继通信、实现测控导航。

未来，预期在火星表面或附近运行的航天器将通过SCaN 体制下开发和运行的火星中继资源接收通信、导航以及定位服务。火星中继资源架构将合并入SCaN 网络，并继续使用轨道器上的中继通信有效载荷或专用中继卫星。火星在轨中继将支持DTN 存储、转发网络服务、无人员调度或干预下的按需访问能力。

火星中继架构将具有可伸缩性，易于演进到支持载人探索以及使用高数据率设备。基于早期实现的航天器设计，近期射频返向数据率可达到6 Mbit/s，通过使用功能更强的发射机和组阵天线，远期可达到150 Mbit/s，地火距离最近时的火星与地球之间的光主干线路数据率至少可达到600 Mbit/s。

SCaN 集成网络体系架构将形成一个能向未来空间任务提供所需通信服务的NASA 基础设施。该集成网络体系架构通过标准化、通用性和技术引入，提升SCaN 网络的运行效率和互操作性。通过对该体系及相关技术的研究，可为未来空间通信系统的发展及相关技术领域的探索提供支持。

03 星间微波链路导航

天文导航是行星探测可以使用的一种绝佳的备用导航手段，它使用探测器携带的光学敏感器件、参考探测器平台与地面同步了的时钟、借助行星历表和空间星表，及时地确定探测器的空间姿态和探测目标如火星与自身平台的相对空间位置，进而规划调制飞行策略。这种技术手段在“嫦娥二号”探测器飞抵图塔提斯（Toutatis）小行星附近时开展过初步探索，这次在“天问”火星探测任务中得到了实证检验。

火星探测器的飞行控制、通信导航是一个非常复杂的系统工程，从“天问”探测任务成功实施后的宣传就可见一斑。在“天问一号”探测器之前，欧洲、印度都有独自发射火星探测器的经历，其中的成功者对飞行测控的宣传非常低调。这并非是他们的业务驾轻就熟，而是实际上除了天文导航这种经典的手段方法，美国长期的火星探测历史上，已经发展出一种更可靠、精确、稳定的火星周边导航与通信技术——火星周边可重构通信导航定位授时一体化通用的ELECTRA导航与通信技术。这项技术是SCaN 网络中深空网DSN和空间网SN的有机交叉融合。印度、欧洲在自己的火星探测任务中，购买使用了美国的ELECTRA技术设备和技术服务。在布局地球GPS导航卫星体系同时，美国NASA经历了20多年，已经在火星周边维持了一个半自主运行的基于星间链路定位、导航、授时和通信卫星星座体制架构，用来提供支持各种火星探索计划的深空遥远通讯中继和导航任务能力。

这个领域中，可以毫不夸张地说可重构自适应深空测控体制的星载ELECTRA技术是美国深空网PNT的“灵魂”。依托快速发展的软件无线电技术和芯片技术，实现同类技术，结合中继导航通信，可以对月球和火星探测的快速发展形成强有力的技术支撑。星载ELECTRA技术实现了支持火星探测不断增长的科学数据传输带宽的需求，支持各种别有创意的火星空间小型探索项目的高效能通讯导航、将其信号通过中继信道和全向天线把信息送到附近一个中继通讯轨道器去，支持发生在苛刻任务事件的遥测数据的可靠捕获和导航授时，还大幅度提升了火星探测任务入轨飞控的成功率。

目前ELECTRA技术已经发展到了第三代，实现了高性能、微小型化、模块化配置。印度和欧洲的火星探测任务，选购了不同时代的ELECTRA功能模块，借助美国的火星PNTC网络便捷地实现了火星抵近和安全入轨。

ELECTRA的导航功能构型图

MAVEN火星探测任务中使用的ELECETRA载荷（NASA网络公开）

针对地月空间导航需求，并伴随着软件无线电技术的发展，需要发展一种新的自主和半自主的星间链路测控通信架构，用来提供支持各种近地空间活动或探索计划的通讯中继和导航，这类星间可重构通信导航定位授时一体化通用模块技术具备以下功能：(1)自适应地识别接收进来的信号之特性；(2)重构“自己”去接收已被识别的信号；(3)避免要求从地球传来明确的指示(有关信号的特性等)；(4)重复地结合多个接收机的参数估值，以提高其接收性能；(5) 探测器之间的时间服务功能；(6)探测器之间或中继导航定位功能。在较小规模的月球和火星探测任务中，低成本高效能的星间微波自主导航授时和测控通信一体化技术，是仅次于地面和中继技术的不二选择。

该类技术设备工作在UHF、L、S、X、Ku、Ka等频段，使用全向或中等增益天线，以及共用高增益天线，功能完全可重构。设备载荷满足多数码率、开环采样率工作设置，可以使用多种通用的调制模式以及通用的编码模式，由滤波/开关单元、收发机/调制器、基带处理单元和电力放大器/电力供应单元四块叠起的基本模块组成。设备具备频率捕获、波跟踪、载波导航、码元计时恢复、维比特结点同步、码元信噪比提取功能及其它有关子功能，皆基于可重构编程的FPGA 芯片实现，工作内容可根据需要而改变，使其成为一台真正的可重构软件接收机。其重构功能表现在可以自适应地识别接收进来的信号的特性，进而重构“自己”去接收已被识别的信号，还可以重复地结合多个接收机的参数估值，以提高其接收性能。增强版设备可以实现探测器间时间同步，进行相对测距测速。

它不单是为火星探索而设计，对于与月球附近的空间计划也有很广泛的应用机会，作为绕月轨道器与月面漫游器、月面工作站等各种各样设备的中继通讯站，提供与地面通讯的间接通道。在月球卫星和探测器上搭载ELECTRA软件定义的无线电收发中继设备，类似于火星探测中使用的ELECTRA自主中继导航授时，服务于规模有限的载人月球探测实现自主的中继导航授时和通信。按照星间链路的通信、时频同步、测速与测距一体化方案，融合ELECTRA、导航卫星星间链路技术，在统一的框架下基于软件无线电技术，开展这类技术的发展完善和应用。

致谢支持课题：本研究工作得到了空间先导科技专项二期XDA15020303课题、地火间高精度测距技术及火星自转观测研究课题和国家综合PNT深空导航技术路线论证方向课题的支持。

作者简介 The authors introduce

平劲松：中国科学院国家天文台天体无线电科学研究团组首席研究员；中国科学院百人计划研究员，海外引进杰出人才

• 1996年完成学位论文“太阳系人造天体甚长基线干涉测量方法研究”，获得理学博士学位；之后在北京师范大学天文学系从事天体测量和射电天文学教学研究工作。
• 1999—2005年加入日本“月女神”绕月探测计划水泽团队，从事月球与固体行星形状、重力、构造与演化的探测技术与科学研究。
• 2004年回国继续从事月球行星物理、动力学和行星无线电科学探测研究，从事深空探测微波测量与时频技术研发应用工作。
• 为“萤火一号”火星探测任务提出并研发了微波单向开环测定轨技术；使用“嫦娥三号”着陆器实现了地月微波相位测距空间测量技术；为我国行星无线电科学实验探测培养了联合研究团队。

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Kootwijk Repurposed Radar in 1967

During the WWII, the German army created the Atlantic Wall along the entire European coast, from Norway, through Denmark, the Netherlands, Belgium and France. Part of this Kammhuberlinie were overlapping radar stations, using the so-called Würzburg Riese radar antennas.

After the War, several of the antennas were confiscated by the Dutch Telecommunication service PTT. Some were brought to the radio station at Kootwijt, in East Netherlands. PTT gave one to the Dutch Association for Radio Emission from the Sun and the Milky Way (now ASTRON). On May 11, 1951, with this antenna, Lex Muller confirmed the detection of 21cm emission from atomic hydrogen in our Milky Way Galaxy six weeks after Harold Ewen found it with his feed horn at Harvard.

Credit: NRAO/AUI/NSF

sig/天文/深空前沿二则.md

2.2 面向空间VLBI的加权全频谱合成算法流程

在进行VLBI观测时, 各个观测站望远镜共同观测同一目标. 来自遥远射电源天体的信号通常被认为是平面波, 其到达各站望远镜的时间不同, 在处理时需将各望远镜接受到的信号进行时延补偿和相位对齐, 使各个站的信号完全对齐至同一波前. 因此需进行精确的时延补偿和相位对齐之后, 才能对两站的信号数据进行加权全频谱合成(图1).

Figure 1 : Demonstration of the weighted full-spectrum signal combining technology for cislunar Space-VLBI.

$$\begin{array}{lr}R_i(t)=\lbrack A(t+\tau_i)+N_i(t)\rbrack\text{e}^{\text{j}2\text{π}f_0\tau_i},&\text{(18)}\end{array}$$

$R_i(t)$ 为望远镜接收后与本振频率混频调解后记录的信号, $A(t)$ 为地心处基带信号, $N_i(t)$ 为噪声信号,
$f_0$ 为天空频率. 相关处理机需对望远镜 $i$ 记录的基带信号补偿时延 $τi$ 及相位 $2πf0τi$ , 从而将所有望远镜基带信号根据时延模型同步到同一时刻[9].

VLBI软件相关处理机中, 地面望远镜X和Y的信号在经过先验时延模型补偿之后, 往往存在残余时延、残余时延率. 因此采集的射电源信号首先通过VLBI相关处理机, 得到互功率谱. 利用互功率谱进行条纹拟合, 得到残余时延、残余时延率.

为了使合成后的基线信噪比最大化, 使到达各站信号完全对齐到同一波前, 调整 $XZ$ 基线的相位, 使 $XZ$ 和 $YZ$ 两条基线的相位对齐, 将该相位补偿至 $X$ 站, 使 $X$ 站与 $Y$ 站相位对齐[10]:

$$\begin{array}{lr}Q(\varphi)=\underset k{}(V_{yz}(k)+V_{xz}(k)\text{e}^{-\text{jφ}}),&\text{(19)}\end{array}$$

其中, $k$ 表示频点, $V_{xz}$ 和 $V_{yz}$ 表示 $X$ 站与 $Z$ 站、 $Y$ 站与 $Z$ 站基线互功率谱数据, $φ$ 为相位. 通过搜索 $φ$ , 使式(19)的 $Q$ 函数达到最大, 此时可以认为两条基线相位基本对齐. 在相关处理过程中, 相位只能补偿到单个站. 因此, 根据相关处理的原理[11], 将 $φ$ 补偿至 $X$ 站信号上, 即相位对齐后, 即可使 $X$ 站与 $Y$ 站信号进行合成.

本文中的参考点是地心, 将地面望远镜X和Y的信号在时域进行整数比特补偿、条纹旋转, 经快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)转换到频域, 在频域进行小数比特补偿. 经上述补偿后, 再经过逆FFT至时域, 经相位对齐后, 进行加权全频谱合成. 合成后的信号与空间望远镜(或者其他望远镜)进行VLBI干涉处理.

本文采用基线SNR评估合成后基线灵敏度的提升效果. SNR的计算方法与HOPS[12]一致:

$$\begin{array}{lr}\text{SNR}=A\frac{\sqrt{2BT_{ap}/n_{ap}}}{\text{nlags}-1},&\text{(20)}\end{array}$$

式中, $A$ 表示积分时间内全部频点之和的幅值, $B$ 为通道带宽, $T_{ap}$ 为积分周期, $n_{ap}$ 为积分周期权值总和, 本文中为积分周期数目, nlags为通道频点数.

3 实测数据验证

本文利用中国探月工程任务嫦娥四号VLBI测定轨分系统观测数据进行验证, 选用的观测数据来自昆明40 m (Km)、乌鲁木齐南山26 m (Ur)和上海天马65 m (Tm). 积分时长均为60 s. 采样频率均为8 MHz, 天空频率均为8448.75 MHz. 通过网格化搜索最优加权系数时, 步长为0.01.

3.1 最优加权系数验证

本次实验数据来源见表1.

Table 1 Parameters of a CE-4 orbit measurement experiment, ground baseline, radio source NRAO530

其中起始时间、结束时间为世界协调时, 其数字中1–4, 5–7, 8–9, 10–11, 11–13位表示年、年积日、时、分、秒. 如2018350055700表示2018年350日05时57分00秒. 表1数据采用改变合成加权系数全频谱合成后, 其基线SNR变化结果如图2所示.

Figure 2 : Full-spectrum combining SNR change. (a) Km+Ur combined station correlated with Tm; (b) Km+Tm combined station correlated with Ur; (c) Ur+Tm combined station correlated with Km.

由图可见, 合成基线最高SNR位于图中峰值处, 两端对应非合成基线SNR, 合成基线最高SNR高于非合成基线SNR. 图2(a)在Km站占比47%, Ur站占比53%时, Km+Ur合成站与Tm站基线相关处理结果SNR达到最高(1582.1). 由图2(a)–(c), 得

$$\begin{array}{lr}\frac{a_\text{Km}}{a_\text{Ur}}=\frac{w_\text{Km}}{w_\text{Ur}}=\frac{0.47}{0.53},&\text{(21)}\end{array}$$

$$\begin{array}{lr}\frac{b_\text{Km}}{b_\text{Tm}}=\frac{w_\text{Km}}{w_\text{Tm}}=\frac{0.21}{0.79},&\text{(22)}\end{array}$$

$$\begin{array}{lr}\frac{c_\text{Ur}}{c_\text{Tm}}=\frac{w_\text{Ur}}{w_\text{Tm}}=\frac{0.23}{0.77}.&\text{(23)}\end{array}$$

根据式(17)知, 其中观测站最优加权系数 $w=1/\lbrack SEFD{(\eta A)}^\frac12\rbrack$, 仅与各自观测站的参数有关. 其中 $a, b, c$ 分别表示三种合成方式中, 使SNR达到最高的单站占合成站的权重系数(下称最优加权系数). 由式(21)和(22)估得的 $c_{Ur_估}$, $c_{Tm_估}$ :

$$\begin{array}{lr}\frac{c_{\text{Ur}_估}}{c_{\text{Tm}_估}}=\frac{a_\text{Ur}}{a_\text{Km}}\cdot\frac{b_\text{Km}}{b_\text{Tm}},&\text{(24)}\end{array}$$

且有

$$\begin{array}{lr}c_{\text{Ur}_估}+c_{\text{Tm}_估}=1,&\text{(25)}\end{array}$$

得 $c_{Ur_估}≈0.23$ , $c_{Tm_估}≈0.77$ , 与式(23)相符. 根据三个观测站的三种合成的组合方式相互验证可知, 使SNR达到最高的加权系数(下称最优加权系数), 互相呈比值关系, 表明搜索算法三站闭合. 误差与加权系数变化步长的大小有关.

3.2 最优加权系数稳定性验证

3.2.1 同一观测源不同观测时间最优加权系数稳定性验证

Table 2 Parameters of radio source NRAO530, observation code s8c16a

采取与3.1节同样的方法, 获得三种合成组合方式中合成站中前一个观测站的最优加权系数, 如图3.

Figure 3: Optimal weighting factor for NRAO530, observation code s8c16a.

由图3可以看出, 同一观测代码中, 同一观测源在不同scan中最优加权系数稳定.

由图4可以看出, 同一观测代码中, 同一观测源在不同观测时间中合成前各基线SNR足够稳定, 说明望远镜各项参数稳定, 因此最优加权系数也稳定.

Figure 4 : SNR of NRAO530, observation code s8c16a.

3.2.2 同一观测源不同观测代码最优加权系数稳定性验证

VLBI观测在不同观测代码下, 天线状态、天气条件往往有可能存在变动. 本次实验通过搜索不同观测代码中同一射电源观测信号合成的最优加权系数, 验证各望远镜最优合成加权系数的稳定性. 本次观测射电源分别选用了源NRAO530和2134+00. 实验数据来源如表3.

Table 3 Parameters of radio sources NRAO530 and 2134+00 in multiple observations

表3数据的处理过程与表1和2数据一致. 三种合成组合方式的各站合成最优加权系数 $w$ 之比, 如图5.

Figure 5 : Optimal weighting factors in different observations. (a) Optimal weighting factor of radio source NRAO530; (b) optimal weighting factor of radio source 2134+00.

对于图5(a)中观测代码为s8c10a–s8c16a的源NRAO530数据, Km+Ur合成站的最优加权系数aKm, Km+Tm合成站的最优加权系数bKm和Ur+Tm合成站的最优加权系数cTm变化幅度均较小, 说明针对该源的不同观测代码中, 同一观测源在不同scan中最优加权系数稳定. 而图5(a)中, aKm数值接近0.5, bKm和cTm低于0.3, 据式(17)可知, Tm站望远镜观测能力高于其余两站, 则其加权合成时, 权重比较大.

同样, 对于图5(b)观测代码为s8c14a的射电源2134+00数据, Km+Ur合成站的最优加权系数aKm接近0.5, 与图5(a)图中观测代码为s8c14a的源NRAO530最优加权系数近似, 与式(17)中, 最优加权系数仅与望远镜参数有关、与观测源本身无关的结论符合. 射电源NRAO530和2134+00的合成前后SNR如图6.

Figure 6 : SNR of radio source NRAO530, 2134+00 in different observations. (a) SNR of radio source NRAO530; (b) SNR of radio source 2134+00.

观测代码为s8c14a, s8c17a–s8c21a的射电源2134+00数据最优加权系数不稳定, 其各基线SNR差异也较大, 说明望远镜状态产生了变化. 由式(17)可知, 若望远镜状态变化, 则最优加权系数也会发生变化, 与图5中最优加权系数相符. 当合成前各基线SNR变化较小, 即望远镜观测能力稳定时, 可直接使用已搜索得到的最优加权系数进行加权全频谱合成, 或作为初值代入网格化搜索, 减少计算量. 当各基线SNR变化较大时, 最优加权系数产生变化, 无法使用已知值, 需要重新网格化搜索最优加权系数.

3.2.3 不同射电源最优加权系数稳定性验证

最后验证同一观测代码中, 不同射电源最优合成加权系数稳定性. 实验数据来源如表4.

Table 4 Parameters of radio sources in different observations

表4数据的处理过程与表1–3数据一致. 三种合成组合方式的各站合成最优加权系数 $w$ 之比, 如图7所示.

Figure 7 : Optimal weighting factors of multiple radio sources in different observations. (a) Optimal weighting factor of radio source NRAO530; (b) optimal weighting factor of radio source 1936-155; (c) optimal weighting factor of radio source 2008-159.

图7给出了相应观测源在不同代码中, 合成时的最佳加权系数. 例如图7(a)给出了NRAO530在代码s8c10a, s8c11a, s8c12a中合成时最佳加权系数. 经过比对图7(a)–(c)中同一次观测代码的不同观测源的最佳加权系数, 可以看出, 三种合成方式中Km+Ur的Km站、Km+Tm的Km站、Ur+Tm的Ur站最优加权系数分别在0.56–0.52, 0.34–0.28, 0.26–0.3之间. 这表明同一观测代码下不同射电源最优加权系数变化稳定. 产生微小变动的原因在于观测时, 俯仰角度、天气的变化引起望远镜SEFD和天线效率的变化. 该结果与式(17)结论相符, 即进行加权全频谱信号合成时, 最优加权系数取值仅与望远镜性能有关. 图8给出不同观测代码中不同射电源合成前后SNR. 可以看出合成后的基线SNR得到了大幅度提高.

Figure 8 : SNR of multiple radio sources in different observations. (a) SNR of radio source NRAO530; (b) SNR of radio source 1936-155; (c) SNR of radio source 2008-159.

4 结论

本文设计了基于VLBI原始信号的加权全频谱合成算法. 理论推导出, 当参与合成的观测站对应加权系数之比与SEFD、天线效率的开方及天线口径这三者的乘积之比成倒数关系时, 达到最优合成效果. 经多组测试表明, 通过网格化搜索最优加权系数, 基于VLBI原始信号开展加权全频谱合成可以大幅度提高射电源的基线SNR, 达到提高基线灵敏度的效果. 最优加权系数取值仅与望远镜有关. 当基线SNR保持稳定时, 最优加权系数也保持稳定. 本文提出了利用网格化搜索最优加权系数, 当望远镜不提供实时测量SEFD和天线效率的情况下, 可以开展有效的信号合成. 实测结果同时表明合成时的最优加权系数随信噪比变化.

Funding

国家自然科学基金(,11973011 ,11903067)

• 上海市空间导航与定位技术重点实验室
• 中国科学院关键技术人才
• 上海市领军人才
• 上海天文台重点培育项目

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sig/天文/嫦娥五号月球科学探测：月壤和样品专题.md#用于地月空间vlbi的加权全频谱信号合成技术

摘要

对于人类在月球上的长期存在来说，熔岩管是潜在的重要地点，因为它们可以躲避月球表面的危险，包括微陨石、辐射、极端温度和灰尘。在普克拉鲁姆海中 (Oceanus Procellarum) 的马里乌斯山 (Marius Hills) 发现了一个熔岩管开口或坑，这是一个令人信服的动机，促使机器人和最终的人类探索任务前往这些地点进行实地调查和现场评估，以确定是否适合居住和利用月球资源。我们认为马里乌斯山是一个优先级较高的着陆点，并提出了月球数据分析、仪器 / 有效载荷概念、机器人任务的科学论证，以及在基础设施建设或安置之前应进行的专题地质侦察和遥感等元素。这被描述为月球探索和开发的“绿色侦察”方法，旨在解决喷射火箭尾气和升华水等污染因素，以保持科学保真度。我们正在开发一种名为“莱托任务”的行动概念，它是一种绿色侦察方法，可以用机器人进入马里乌斯山的产穴。

统一天文学叙词表概念: 月球 (1692年); 月球特征 (953); 月球科学 (972)

1. 介绍

本文的目的 是通过场地特征、仪器开发和多种数据集 ( 如高分辨率和彩色成像、激光测高仪、雷达测图和矿物测图) ，论证月球坑，特别是马里乌斯山地区发现的坑，作为机器人和人类勘探的潜在着陆点或基地的适用性。机器人和人类任务侦察对于了解月球坑及其周围环境的基础科学至关重要，对于确定潜在人类居住的可行性和安装带有相关基础设施的加压穹顶的工程约束也至关重要 (Ximenes 等 。2011,2012;Ximenes& Patrick 2013) 。 对马里乌斯山坑 (MHP)及其周围环境的地面任务对于展示原位资源利用 (ISRU) 是非常宝贵的。我们相信，该地点提供了最终长期人类居住的潜力。

遗址特征调查是了解 MHP 和其他月球熔岩管或洞穴样特征的地质和资源潜力的基础。普克拉鲁姆海中的马里乌斯山火山群以其各种各样的熔岩流、圆顶、锥、坑和蜿蜒的溪流而闻名 (Greeley 1971;Lawrence et al. 2013) 。这个火山场独特的地质特征促使它被列入阿波罗登月计划的候选地点 (Karlstrom et al. 1968;Elston & Willingham 1969; 威 斯 特 法1993) 。最近 ，它被描述为为期一周的地质突击任务的目标(Clark 2011)。日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 在马里乌斯山地区发现了一个”天窗” (熔岩管天花板坍塌) 工程探索者 (SELENE;aka Kaguya) 任务 ( 并得到了 NASA 月球勘测轨道器 (LRO) 任务的确认) 再次引起了人们对这个地点的关注 (Haruyama et al. 2009) 。熔岩管是人类长期在月球上存在的潜在重要地点，因为它们可以躲避月球表面的危险，包括微陨石、电离辐射、极端温度和灰尘 (H ö rz 1985; 波士顿2010;Ximenes 等 2012) 。 MHP 的发现，加上月球上类似坑的发现 (Ashley 等人 ) 。2011a, 2011b) 和火星 ( 库欣等。 2007; 库欣 2012) ，是机器人和最终人类探索任务的有力动力，目的是对这些地点进行实地调查和评估，以确定是否适合居住。在任何基础设施的建造或安置之前，月球侦察和地点确定是必不可少的 (Ximenes 等，2010,2011,2012;Hooper 等 ， 2013;Ximenes& Patrick 2013) 。除了人类可居住的可能性之外，对坑和其他产穴的基本科学理解对于约束关于熔岩流热力学和 mare 就位的理论 至关重要 (Hooper 等，2013 年 ) 。玄武岩熔岩流的分层序列，结合其相关的火山碎屑沉积，保存了地幔成分和矿物学历史的记录，对理解月球地质演化至关重要。

由于月球资源的潜在利用，地外空洞也引起了极大的兴趣。月球两极的永久阴影区 (PSRs) 可能成为挥发物可能 积聚的冷阱，包括水霜和冰，如果低温温度满足 ( 例如， Watson et al.1961; 阿诺德 1979;Pieters et al. 2009) 。

发现广泛的熔岩管系统——无论是用于人类庇护所还是潜在的自然资源——的可能性仍然很诱人。自从 MHP 被发现以来，我们一直将其作为月球熔岩管侦察任务的参考任务架构的目标 (Ximenes 等。2011 年 ,2012 年 ;Hooper 等，2013; Ximenes& Patrick 2013) 。当探索开始时，在使用侦察技术的第一次接触中，保护这些原始的洞穴环境将是很重要的 。我们将其定义为 ”绿色侦察”方法，它是 MHP 勘探计划的基本组成部分。

图 1 所示。马里乌斯山火山复合体的地形图，使用 LRO 上的 LOLA 进行天窗 / 坑的定位。数据来自行星数据系统 (PDS) 地球科学节点。

2. 马里乌斯山坑的地质背景

马里乌斯山火山复合体由一个高原组成，海拔100-200米，高于周围的普罗斯克拉鲁姆平原 (McCauley 1967，1969) 。火山地貌包括蜿蜒的沟壑、锥形、山脊和低、陡峭的穹丘(Greeley 1971;Whitford-Stark & Head 1977) 。图 1 显示了总体设置和区域地形。在该火山复岩中观察到的形态多样性比在月球上通常观察到的更广泛，可能是一个或多个被提出的过程的结果，包括成分变化、积液率变化、喷发方式变化或岩浆分异(例如，McCauley 1967，1969;Whitford-Stark & Head1977; 韦茨&海德1999; 希瑟和唐恩都乐2002; 希瑟等人2003;Lawrence 等，2013年) 。该地区大部分海玄武岩的年龄为 3.0 ~ 3.5Ga ，但一些低盾构的年龄为1.03 Ga(Hiesinger etal. 2016) 。Besse 等人 (2011) 利用月船 1 号上发射的 M3 光谱仪，首次对 0.46 ~ 2.97μm 的马里乌斯山火山复岩进行了研究。 Robinson 等人 (2012) 和 Lawrence 等人 (2013) 使用月球勘测轨道飞行器相机 (LROC) 窄角相机 (NAC) 提供了马里乌斯山地区火山锥和圆顶的详细图像。尽管自月球轨道器和阿波罗时代以来获得了更新的数据集，但这些月球穹窿、蜿蜒的沟壑和凹坑的形成仍然知之甚少。

月球坑是在 mare 、 impact melt 和 highland 沉积层中发现的陡峭的负凸壁特征 (Robinson 等， 2012 年 ) 。这些坑是由塌陷成地下空洞而形成的，尽管空洞可能是通过不同的过程形成的 (Wagner & Robinson 2014 ， 2015) 。在最近的一项形态测量研究中， Sauro 等人 (2020) 得出结论，地球上的熔岩管坍缩链与月球和火星上的那些被提出的候选坑在形态上呈现出惊人的相似性。他们指出，像宽度 / 深度比这样的维度和形态参数具有不同的范 围，每个 都属于不同 的行星体 。在 Haruyama等人 (2009 年 ) 发现马里乌斯山的陡峭坑壁后， Robinson 等人(2012 年 ) 开始使用米级 LROC NAC 图像对月球表面进行广泛的搜索。他们的搜索发现了超过 225 个以前未知的坑，直径从 5 米到 900 米不等 ( 中位坑直径为 16 米 ) 。尽管这些最近发现的坑大多位于冲击熔体沉积物中，但其中 5 个新坑位于冲击熔体沉积物之外的 mare 材料中， 2 个坑位于非冲击熔体高地材料中 (Wagner & Robinson 2014) 。这些坑的形态参数，如陡峭的斜坡和高深径比，以及缺乏凸起的边缘和喷出物沉积物，排除了唯一的与撞击有关的起源。由于阴影和月球非最低点成像的限制，这些坑的地下范围仍然未知，但 Chappaz等人 (2017) 注意 到，月球上 的低重力和高 喷发率的结合，可能使结构稳定的洞穴形成，其规模远远大于地球上的任何东西。他们利用重力 恢复和内部实 验室 (GRAIL) 的数据 来寻找月球 maria 下面存在大型空熔岩管的证据。

图2。(a)MHP，马里乌斯山天窗(坑)，直径约 50 米。图来源于 LROC NAC 图像 M114328462R 。资料来源 :NASA/GSFC/ 亚利桑那州立大学。(b)34°入射角和 45° 发射角的 MHP 成像 (LRO C NAC 图像 M137929856R) 。坑壁显示玄武岩地层。资料来源: NASA/G SFC/ 亚利桑那州立大学。

MHP 位于一个东向西走向的浅沟的急弯处(Haruyama 等，2009)。宿主沟切割了一个已经存在的皱脊，并且有无数的大坑内 约 25 公里 范围 内的火 山穹 丘，如图 1 所 示 (Weitz &Head 1999; 希瑟等人 2003; 坎 贝尔等人 2009; Lawrence et al.2013) 。靠近 MHP 的许多小圆顶 ( 也许还有里尔洼地本身 ) 可以作为保护屏障，免受月球着陆器喷出物的影响。

MHP 之前曾被认为 是一个基于其 在蜿蜒溪谷内 位置的天窗 (Haruyama 等人 2009) 。马里乌斯山的 天窗分类已经在文献中得到了很好的证实 ( 包括我们自己的许多出版 物 ) ，但大多数月球坑可能是流后的特征，而不是真正的火山天窗(Robinson et al. 2012;Wagner & Robinson 2014，2015 年 ) 。在对它们的形成机制了解更多之前，我们将把这些月球特征称为坑。

NAC 在各种光照条件下对 MHP 进行了成像，入射角从13°到 83°不等，坑道开口的直径 测量范围从 49°到 57m 不等 (Ashley et al. 2011a, 2011b;Robinson 等 2012; 见图2(a)) 。阴影测量显示 了最大深度在锋利的边缘下约 44 米，在周围 平坦的海表面下约 51 米(Ashley 等人 2011a, 2011b;Robinson 等 2012 年 ) 。这些研究还确定，具有良好照明的坑壁视图的图像显示了 8 个地层层，厚度从 4 到 12±1 米不等，平均厚度为 6 米。图 2(b) 说明了这一点。

3. 绿色的侦察

“绿色侦察”的概念是由探索建筑公司 (XArc) 引入的，在人类和机器人探险家及其相关设备、系统和航天器的第一次接触中，作为一项挑战 ，以保护此类 环境中固有的 科学 (Ximenes2012) 。因此， MHP 的绿色侦察被定义为以尽可能不出格的方式进入洞口并首次进入洞穴，以保持该环境中固有的科学的真实性 (Hooper 等， 2013 年 ) 。一个“绿色侦察方法”还将采用一些标准，通过着陆在坑区自然保护设施的后面，并保持足够的距离，以作为保护屏障，防止月球着陆器喷出污染和破坏，从而最大限度地减少月球着陆器喷出污染和排气羽流造成的现场污染。这种绿色侦察方法对月球车的设计和穿越能力有影响。后续任务可能会开始在离坑更近的地方着陆，因为“科学发现”将逐步退出，并过渡到对该地点进行探索的宜居阶段。绿色侦察协议认识到，科学任务调查的演变逐渐让位于侵入式工程和可居住性任务调查，在长期定居地点的开发中。

另一种强调科学保护协议的绿色侦察技术将涉及进入坑内，并首次以旨在减少干扰的方式进入洞穴或管道的原始环境。例如，通过位于井边的机器人平台，将电缆通过开口自动展开后，将一 套仪器 放入空 腔中 (Ximenes et al. 2012;Ximenes2012;Ximenes 和帕特里克 2013) 。光探测和测距 ( 激光雷达 ) 可以收集熔岩管的 3D 点云，通过连接电缆或放置在坑缘的质谱仪 ( 帕特里克 et al. 2012, 2013) 可以检测到不断演化的气体。以保护原始坑环境的方式进行首次进入是至关重要的。

从本质上讲，绿色侦察与行星保护是重叠的。它涉及对未知事物的评估和评估，以及在对其进行详细研究之前保持原始空间或行星环境的愿望。在最初的探索中，防止生物污染应该是一个必要的目标。绿色勘察意味着低影响的发展和可持续性。未来的任务规划应考虑环境影响说明。

绿色侦察的探索策略包括以下措施：

1. 最大限度地减少月球着陆器爆炸喷出物和燃料废气羽流对现场的污染;
2. 空间材料放气的研究、建模和测量;
3. 宇航员生命维持系统的水蒸气特征的研究、建模和测量;和
4. 强调下坑和首次进入洞穴的科学保护规程，有助于保护原始环境。

我们在实地、实验室和课堂上的所有调查都是为了解决月球研究的高优先级主题领域，包括

1. 识别和/或表征月球高科学回报的潜在着陆点(例如地貌、风化层、辐射和成分特性); 和
2. 月球内部和月球上挥发物的鉴定、分布、运输和表征。

对于人类居住而言，熔岩管中可居住的基地或庇护所的基本想法是提供免受有害辐射、微陨石撞击、极端温度和灰尘影响的安全。对于温度变化保护，月球表面的极端温度在其日循环中范围为 -180°C 至 +100°C ，熔岩管内部估计可提供一个常数 −20°C 相对温和的温度环境(Hörz 1985)。这简化了复杂隔热和控制系统的设计，并为工程任务和操作提供了更容易的热控制管理。坑本身还提供了利用外部特征的建筑潜力。例如，在存在大型坑洞的地方，通过将月球天窗坑与加压穹顶围起来，可以大幅增加适宜居住的体积面积，从而使居民摆脱住在模块或封闭在洞穴环境中的限制 (Ximenes et al. 2012;帕特里克等 2014 年 ) 。

熔岩管入口也有可能存在水，这与 LRO 莱曼 - 阿尔法制图项目 (LAMP) 和月球两极 PSRs 观测到的过程类似 (Haruyamaet al. 2011;Sanin et al. 2012) 。从开发的角度来看，更重要的是它们可能接近月球资源。人类在月 球上的持续存在要求ISRU 有必要提取消耗品(如 O2 H2O, N2，3He)用于人类生命维持系统的补充。 Huang 等人 (2011) 绘制了可能高浓度 的FeO 和 TiO2 在马略山地区。熔岩管作为月球前哨行动的保护性居所的可行候选地点， 如果所需的原材料在附近，就会变得越来越有吸引力。

对这些特征的基本科学理解是必要的，以及进入和检查它们的技术，包括机器人和宇航员。地表下的空洞在坑的阴影边缘之外延伸了多远尚不清楚。从目前的图像中可以明显看出，要到达这些空洞，机器人和人类探险家都需要穿越约 45-100 米或更高深度的悬崖，地形复杂，如图3所示。

图3。(a)在这个例子中，月球国家纪念碑和保护区(爱达荷州)的火山口展示了一个具有天窗式入口的陆地熔岩管，与在马略山观察到的类似。从尺度上看，阳光照亮了碎石地面上的人物。图片来源: 国家公园管理局。(b)一种绿色的侦察技术将涉及使用一种滑索以一种不干扰的方式进入月球坑。图片来源: KICT 和 XArc 。

同样具有挑战性的是，在第一次接触这些原始环境时，需要行星保护。地下洞穴保存着独特的地质环境，可以接触到新鲜的、相对无尘的火山岩露头。对原始状态的现场科学调查对首次接触勘探至关重要。对于 MHP 的行星保护，我们的研究制作的详细专题地图将通过为着陆区选址或最终的”总体规划”提供绿色方法来帮助任务规划，以开发该地点的长期人类侵占活动，如地面采矿作业和建筑基础设施元素的建设。

在 MHP 为机器人前驱科学探索任务选择着陆点的绿色侦察方法将采用标准，以尽量减少着陆器爆炸喷出物和燃料羽流对着陆点的污染。第一次接触场地的非绿色方法是将天桥数据与地面数据融合的概念，在精确着陆进场期间，通过直接越过天窗上方的着陆器轨迹飞行路径实现对天窗的场地表征(Peterson et al. 2011) 。这就提出了分散在目标特征上的羽流废气造成的场地污染问题。

图4。标记的圆圈测量距离 MHP(暗圆斑) 坑边的距离，作为绿色侦察方法的保护区组成部分，以最大限度地减少来自月球着陆器爆炸喷出物和发动机排气羽流的污染。结合局部地形和形态特征的任务规划场景确定着陆点和穿越方法与坑的适当距离 。图片来源: LROC NAC 图像 M114328462R 。图片来源来源: NASA/G SFC/亚利桑那州立大学。

实现离坑口尽可能近的分段位置的精确着陆要求也可能不利于保护场地免受污染。精确着陆的驱动要求是在月球表面预定位置 100 米内自主着陆 (Johnson & Montgomery 2008) 。精确着陆很可能能够到达距离悬崖边缘 100 米以内的位置，但根据阿波罗号数据的研究显示，着陆点爆炸区域的平均直径在 ~150 ~ ~ 260 米之间，并有喷出物数百米远 (Clegg & Jolliff 2012) 。 应用绿色侦察的概念，应该在 MHP 周围以及其他月球坑周围建立保护区(图4) 。精确着陆的要求必须在距离坑最近的分期地点和月球着陆器喷出物污染之间取得平衡。在最初的探索中，在 MHP 以北一些更近的小圆顶后面的一个着陆点如图4所示可能作为月球着陆器喷出物的保护屏障。在部署仪器和设备之前，机器人月球车必须穿过大约 1000 米的距离到月球坑。

在场地的早期探索阶段，人类活动造成的场地污染风险可以通过采用侵入性技术的分层方法来减轻，以获得可接受性场地扰动和正向污染。从最近的研究中提出的行星保护考虑主张对人类影响程度进行本地化和分区(波士顿，2010年)。以科学保护协议平衡日益增长的人类活动侵蚀是我们调查绿色侦察技术的前提。

4. Leto: 机器人侦察首次接触任务

与第一次行星洞穴探索任务相关的操作场景、技术以及人类和机器人性能的壮举在文献中或之前的研究中都没有得到很好的定义 (Ximenes 等， 2012) 。Jawin 等人 (2019 年 ) 将第一阶段任务的着陆点 ( 包 括马吕斯山 ) 列为使用静态着陆器的着陆点。他们的第二阶段任务增强了技术能力，包括自动着陆地点的危险避免、着陆时的灰尘缓解和通过漫游的机动性。在这里，我们概述了机器人进入 MHP 洞穴避难所的绿色侦察方法的操作 (ConOps) 概念。为了纪念阿波罗和阿耳忒弥斯的母亲莱托 (Leto) ，我们将这次任务命名为 Leto 。就像莱托寻找一个地方生下她的双胞胎一样，莱托漫游者也在寻找我们月球定居点的诞生地。

为了保护坑不被着陆器的火箭排气和羽流喷出物污染，机器人探测车会在附近地区发现的高山或地质结构 (如火山圆顶)后面的一段距离着陆。如图 5 所示，机器人月球车穿越 1000米的路径，以找到月球坑，以便部署我们的多用途步行探索者(骡子)机器人(Ximenes 等。 2012,2021) 。

图5。以月球车、骡子和其他技术为特色的任务概念。

骡是一种适应地形的四足机器人，能够穿越崎岖的洞穴地形。这些机器人俗称 Spot ，是由波士顿动力公司在美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的资助下开发的。NASA/JPL 还将该机器人用于他们的协作地下自主弹性机器人(CoSTAR)项目。JPL 的“Au-Spot”是“Spot”的改进版本，配备了网络传感器和软件，以帮助它安全、自主地扫描、导航和绘制环境地图。

正如 Ximenes 等人 (2021 年 ) 所概述的那样，莱托漫游者从坑边缘协商到一个安全的距离，以便在坑内部署和发射智能滑索。这条滑索是一种有动力、数据和通信的系绳。滑索部署本质上是安装在着陆器上的鱼叉炮，用于射击固定在坑道崖壁上的地面穿透器。虽然存在其他交付方式，但“鱼叉”解决方案集是一种复杂的方法，也代表着一种技术发展调查( 或技术演示 ) 。一旦吊索固定好 ，储存的有效载荷就会被卸载并下放到坑中。滑索为骡子机器人 (s) 提供了一套有效载荷科学仪器，用于在下降过程中对坑进行远程测量，并在下降后对坑和熔岩管洞穴进行探索。数据中继系统有助于侦察和通信。

我们目前正在开发一种用于串联骡子以接力方式探索洞穴的 ConOps 和技术，其中一个骡子-1 作为带仪器套件的向前探索者，第二个骡子-2 是一个行走电池组，用于扩展骡子-1的工作范围。骡子-2 通过降低的吊绳提供与漫游者公用事业服务连接电力和通信。骡子-2装配了一个机械臂，用于样本调查和任何需要的系绳解扣。回收侦察机器人是不打算的，并将增加不必要的复杂性的任务 ConOps 。机器人在任务结束时通过电缆通信链路将采集到的所有数据传回地面。机器人骡子在任务结束时进行冬眠，在穿越洞穴的范围内停止。它们将被重新激活并充电，用于后续的人类侦察任务。ConOps 在概念上如图6所示。

图6. 串联 MULE ConOp 以扩大洞穴勘探范围

5. Site 描述目标

对月球坑的基本科学了解是约束熔岩流热力学和 mare 阵地理论的关键。目前尚不清楚月球熔岩管或洞穴是否作为冷阱或储层 ，为可能的挥发分积累，但这种潜在的积累 - 即使是更难处理的挥发分(例如，含硫矿工- als) - 可能产生宝贵的水冰沉积物。此外，地貌调查是选址的一个重要组成部分，因为坑、斜坡和地形的特征对于确定通往坑的田野穿越和接近路线的位置至关重要。

我们的科学溯源矩阵如表 1 所示。在任何基础设施建设或就位之前，月球侦察和场地表征是必不可少的。为了进一步了解月球坑的起源、背景和潜在利用，我们概述了一个地点表征方案，其中包括

1. 用于侦察和资源评估的遥感分析(包括雷达和多光谱和高光谱数据集);
2. 原位传感;
3. 质谱作为科学的哨兵;
4. 用于 ISRU 评估的风化层和挥发性分析和
5. 地形(数字高程模型 (DEM) 或数字地形模型 (DTM)) 和形态表征。

场地特征将确定

1. 矿产资源;
2. 地貌与表面粗糙度; 和
3. 地形和景观分类，建立坡角和岩石丰度，这对人类安全和勘探至关重要。

表1 Leto 任务概念的科学溯源矩阵

以下各节将阐述本项目的关键方面。

5.1. 遥感

遥感测量是了解 MHP 和其他月球坑区域地质的基础，这些坑现在有数百个 (Haruyama et al. 2009;Robinson et al.2012;Wagner & Robinson 2014, 2015) 。表 2 总结了与 MHP相关的一些可用数据集。月球矿物学制图仪 (M3) 光谱仪搭载在印度空间研究组织 (ISRO) 于 2008年10月22日发射的月船1号 (Chandrayaan-1) 月球轨道器上 ( 该任务在 2009年8月提前结束 ) 。其光谱范围为 0.43 ~ 3.0 μ m ，尽管任务提前结束，但仍获得了 95% 的月球 表面数据集 (Green et al. 2011)，包括马里尤斯山火山复岩 (Besse et al. 2011) 。雷达探测由SELENE 表明，在 MHP 以 西有一个长度约 数十公里的巨大地下空洞 (Haruyama 等，2017) 。通过激光雷达扫描从地表以下进入坑内的探测器来确认这个扩展的空洞，将确认这个熔岩管的存在，并为月球火山活动提供更深入的理解。激光雷达扫描还将收集坑的 3D 点云，以建模其几何形状，质谱仪可以检测到演化的气体 (Patrick et al. 2012, 2013) 。

表2 月球数据集

• 马略山全球和区域地图 Global and Regional Marius Hills Maps

  数据	任务	name	空间分辨率	源
  全球马赛克	月球轨道器	Lunar Orbiter	60 m pixel−1	USGS
  UVVIS 全球地图 (五个波段和RBG)	克莱门泰	Clementine	200 m pixel−1	USGS
  UVVIS 750nm 滤镜反照率图	克莱门泰	Clementine	100 m pixel−1	USGS
  温度图(占卜者辐射计)	月球勘测 轨道飞行器	LRO (DLRE)	1/128 deg	PDS
  地形图	罗拉	LRO (LOLA)	470 m pixel−1	PDS
  GLD100 WAC 全球 DEM	月球勘测 轨道飞行器	LRO	100 m pixel−1	亚利桑那州立大学
  合成孔径雷达		LRO Mini-RF	15–30 m pixel−1	PDS
  月球矿物学制图仪(M3)	月船一号	Chandrayaan-1	70–150 m pixel−1	ISRO/PDS
  TiO2 全球分布图	克莱门泰	Clementine	100 m pixel−1	USGS, Lucey et al. (2000a)
  FeO 全球分布图	克莱门泰	Clementine	100 m pixel−1	USGS, Lucey et al. (1998)

• 马略斯山 DEM Marius Hills DEM from NAC Frames

  Lat/Lon	rms Error	No. Stereo Pairs	Total Coverage (km2)	Source
  14° N, 304° E	3.80	3	388	USGS

• Marius Hills Pit Select LROC NAC Images

  Image	Slew Angle (°)	Incidence Angle (°)
  M122584310L	0.00	28.08
  M114328462R	6.80	61.38
  M133207316L	29.13	82.84
  M137929856R	42.86	33.79
  M155607349R	8.69	12.52

• Marius Hills Select Gravity (GRAIL)

  Calibrated Data Record 校准数据记录	Instrument 仪器
  5214_MED_RES	Lunar Orbiter 80 MM Focal Length Camera 月球轨道器 80 毫米焦距相机

图7 是用于初始光谱和地形分析的联合配准图像合成图。MHP 的光谱和地形分析将利用多个数据集 (例如高分辨率和彩色成像、激光测高仪、雷达制图、温度制图和矿物制图)来 (i) 描述区域火山活动的风格， (ii) 描述地貌特征和风化层属性，作为了解 ISRU 潜力的关键，以及 (iii) 了解 MHP 作为机器人和人类勘探的潜在着陆点或基地的适用性。我们可以根据月球颜色比图像的组成和成熟度来解释其光谱响应。例如，Lucey 等人 (1998,2000a,2000b) 创建了产生 FeO 和 TiO 的算法2 地图。与其他月海相比，马里尤斯山的月海单元的钛含量相对较高 (Lucey et al.1998;Weitz & Head 1999;Lucey 等，2000a)。

图7. MHP的遥感数据库演示(用黄色三角形标记的位置)。上面是高分辨率LROC全色图像(细数据条)，下面是两幅滤波处理后的 Mini-RF 图像的马赛克图像(细线显示横向图像范围)，背景图像是LOLADEM。虽然大多数数据的协同配准步骤是成功的，但SAR数据(Mini-RF)表现出各种失真。例如，左边的图像被平移到北方，但是右边的图像被旋转或缩放不同。SAR元数据表明，它们是(i)在不同的日期获得的，(ii)在大入射角下获得的，(iii)在不同的模式下(上升/下降)获得的。数据来自 PDS 地球科学节点。

LRO 具有与基本光谱和地形分析最相关的仪器载荷。月球轨道器激光高度计 (LOLA) 提供了精确的全球月球地形模型和 大地网格，可作为月球高程评估的基础 (Smith et al.2007) 。 LROC 包括两个 NACs ，用于提供5公里测绘带的0.5-2.0m 尺度全色图像，以及广角相机 (WAC)，用于提供60公里测绘带内7个色带的100m像素尺度图像 (例如，Robinson et al. 2010;Scholten et al. 2012) 。NAC不是作为一个立体系统设计的，而是通过从两个轨道获取的图像获得立体对。LROC NAC 左右图像对可以进行正交化校正和镶嵌，从而创建 dem (Tran et al. 2010;Burns et al. 2012) 。预言者月球辐射计实验 (DLRE) 是一个 9 通道推扫式测绘辐射计，观测发射的热辐射 (7通道) 和反射的太阳辐射 (2 通道) 。0.3-400μm之间，空间分辨率约 160×320米，距离 50公里的名义任务轨道 (Paige et al. 2010) 。预言者数据可以提供以下信息: 对比岩石和风化细粒之间的热物理性质、月球表面岩石的面积分数和大块硅酸盐矿物学 (Bandfield et al.2011) 。 Meyer & Hurtado(2011, 2012) 描述了一种利用 DLRE热惯性数据探测月球下熔岩管的可能方法。LRO 微型射频(Mini-RF) 仪采用混合极化结构测量月球表面返回散射特性，Nozette 等人 (2010) 对此有详细讨论。

5.2. 原位传感

许多其他的科学目标也可以通过这种 MHP 的原位探测来实现，包括使用红外激光光谱来表征过去的熔岩就位位置、古风化层和碎石堆的组成。光学和x射线光谱技术将测量地下古风化层和局部地表风化层之间的差异，而碎石堆图像将为崩塌建模提供数据。其他调查将包括确定地下辐射剂量和尘埃颗粒影响的实验，以及为提供导热模型而进行的壁温测量。

了解月球风化层的机械特性对 ISRU 和建筑宜居概念的发展很重要，例如使用风化层作为 3D 打印结构的原料，或用 a包围一个月球天窗坑加压穹顶 (Patrick 等，2014年)。这将有助于解决月球天窗是否可以加压使其适合居住的问题。仅在天窗坑上放置一个圆顶帽的直观方法存在几个问题，包括气体扩散、基岩断裂和干燥的风化层。

5.3. 质谱作为科学的哨兵

商用现货(COTS)四极质谱仪 (QMS) 残余气体分析仪已成为监测真空系统清洁度和在实验室过程中进行分析化学的重要工具。QMS 可以被认为是两个主要的子系统: 气体处理和分析仪。该分析仪为QMS，只能在高真空环境下工作。这种类型的 QMS 属于被称为残余气体分析仪 (RGA) 的一类。由于其小的足迹，尺寸和成本，RGA已经使大质量范围 (1-300 Da)的背景气体监测在实验室中司空见惯。

月球表面的气体研究始于阿波罗12号、14号和15号(Johnson 和埃文斯1974年)期间部署的冷阴极仪表实验CCGE)。1969年11月，阿波罗12号 CCGE 的运行揭示了着陆点的污染，不仅使压力表达到数小时的饱和，而且还记录了与登月舱舱减压相关的压力特征(Johnson 等人1970年)，以及宇航员背包内的冷却水使压力 表达到饱和 (Patrick& Mandt 2016) 。最近的月球模拟实验结果表明，更多的挥发物从其中释放出来机械颗粒对颗粒接触比来自照明引起的干扰(Patrick et al.2015)。除了航天器燃料燃烧造成的场地污染副产品和放气设备，模拟月球风化层扰动的实验表明，可检测到的天然气体是由来自车轮、钻头、探测器和宇航员的脚步。因此，我们知道没有比质谱原位分析化学能力更好的方法来探测月球表面环境，我们认为这是在超高真空(UHV)条件下表征天然气体特征的唯一合适方法，以便在即将到来的勘探和 ISRU 月球表面运动中，将这些气体从人工来源中分离出来。

搭载在航天器上的质谱在行星大气的分析化学方面有数十年的成功记录。从地球大气的大气探索者(Burgess & Torr 1987) 到金星的调查(Hoffman et al.1979; 尼曼等1980年)、火星(Stern 等2015年)、木星(尼曼等1996年)和土星系统(尼曼等 2010年;Teolis et al. 2017;Waite et al.2018)，质谱分析已经确定了行星大气中的主要气体和痕量成分。月球环境中的质谱分析始于阿波罗15号(1971)和16号(1972)指挥服务舱(Hoffman 等等人1972)上的月球轨道质谱分析实验。最近，月球大气和尘埃环境探测器(LADEE)用中性质谱分析(NMS)从轨道上探测了月球外逸层6个月(2013-2014年)，并在已知的微流星体流期间检测到水汽和二氧化碳的特征升高(Benna et al.2014)。然而，到目前为止，部署在月球表面的唯一质谱仪是1972年12月阿波罗17号期间部署的月球大气成分实验(LACE)。该仪器确定了月球外逸层中的放射性氩气(40Ar)，以及着陆点的污染物(Hoffman 等，1973年)。

在月球表面，40Ar已被测量，并作为40K(τ1/2 = 1.28×109年)。1972年12月，阿波罗17号着陆点首次测量了月球外逸层的这一主要成分(Hodges et al. 1974;Hodges1975年)。类似 COTS RGA 的 QMS 将不仅涵盖已知的天然放射性成因的地下演化40 Ar还可以监测可能被发现的任何较重的气体分子的释放。这些将超出阿波罗17号期间部署的有限质量范围的LACE，这些仪器还将履行重要职责，监测来自航天器推进器、人类生命维持系统和部署设备的人为污染，以及上述由于资源勘探和勘探工具和设备对月球表面的机械干扰而释放的天然气体库存。

这样的MHP原位任务不仅将提供十年级的调查级科学(NRC(国家研究委员会)2007年、2011年)，而且还将为“参考任务”提供踏脚石人类探测月球的基本工程和技术发展(Dorrington et al.2018)。在没有耗尽或完全破坏局部浓度的空间风化过程的情况下40在月球上层风化层中，Ar和其他挥发性物质(如P、Na、K、Zn、Hg和S)的浓度在壁内、囊袋内或月球熔岩管深处的冷阱内增强，在这些地方可能有挥发性物质的积累，这并不是不可想象的 (Watson et al. 1961; 阿诺德1979;Pieters 等人 2009;Haruyama et al. 2011) 。这些年代久远的矿床可能提供古宇宙的标记物在完全不受任何风成力、板块构造或生物群系干扰的环境中记录。

5.4. 用于ISRU评估的风化层和挥发性分析

了解月球表层的渗透性和流动特征对于可能的水回收和利用具有重要意义。使用先进仪器设备测试各种月球模拟物的研究已经调查了用于水回收的模拟物的气体渗透性 (Toutanji et al.2012)。其他涉及月球表面气体交换过程的月球事件，如火箭发动机废气流入月球土壤，以及火箭可能污染风化层(克莱格& Jolliff 2012; 克莱格等(Clegg et al. 2014)，也启发了使用越来越复杂的设备测试月球模拟器的研究，如JSC-1A(约翰逊航天中心 ;LaMarche et al. 2011)。

我们的团队使用 JSC-1A 月球土壤模拟物进行了一系列初步的渗透性测试，结果表明，在设计类似于月球表面的实验室条件下，气体和流体发生了显著的渗透性 (Patrick 等人2013、2014、2015;Necsoiu et al.2018;Patrick等人2019年)。我们的实验与月球表面的类比也有局限性。当真空被抽到模拟体积的低压一侧时，不仅是这个下游体积被抽走，而且模拟体积内的夹带大气气体也被抽走。

风化层模拟研究是量化地质力学特性所必需的，也是ISRU 技术的重要组成部分，包括用于栖息地设计和行星建设的 3D 打印制造。为了帮助满足航天工业对模拟物日益增长的需求，我们开发了一种通用的月球风化层模拟物 LCATS-1，以月球洞穴模拟试验场项目命名，并在 Hooper 等人(2020年)中引入。LCATS是Hooper等人(2017年) 、Ximenes等人(2019年)和Ximenes等人(2019年，2020年)描述的一个空间干项目，该项目在月球任务背景下使用机器人技术和地面模拟物。LCATS 的其他组成部分包括月球灰尘环境和 ISRU 技术，用于风化层模拟研究和制造，用于栖息地设计和行星建设。

5.5. 地形和形态特征

马略山地区的熔岩流、圆顶和相关火山地貌的光谱属性和形态计量可以用来确定它们是否与马略区不同，以及是否可以利用这些差异来更多地了解形成地貌和特征的火山活动。一般来说，多光谱数据用于绘制成分信息，而雷达数据则用于绘制表面形态。雷达系统的固有特性使其对涉及纹理、形状和地形起伏的地形分析特别有价值。表面粗糙度对雷达回波信号的幅度有最重要的影响，因为它控制着返回散射的范围。

使用多传感器数据融合来绘制一个区域，可以提供混合多种遥感数据类型的额外好处。利用数字地形数据集，可以定性和定量地评估火山地貌、撞击坑、断层崖和滑坡，以了解不同景观发展和发展的速率和时间尺度《进化》(Hooper 2001,2002;Hooper 等2002、2003;Necsoiu和 Hooper 2009a;Necsoiu 等人 2009b;Hooper&斯玛特2012,2013) 。

在着陆区选址的绿色方法中，通过对周围穹顶的自然形成进行地貌测绘，可以说明如何通过作为屏障来保护坑和洞穴入口免受登陆器喷出物和爆炸羽流的污染，从而优化这些保护特征。Pozzobon 等人(2021年)报告称，MHP 环境不受巨石等障碍的影响，并提供良好的可通行性。在工程约束下，着陆应该是足够安全的，在邻近的大部分坑区，坡度 <10°，除了围绕有限数量的撞击坑和附近的洼地和沟壑墙的限制性区域。实现对地形和地形的详细分析，为“先驱”机器人的第一次任务和对月球坑的实地科学调查评估合适的着陆点提供了一个有价值的工具。我们建议在坑周围 2000米的邻近区域内开始绘制这样的地图。最初，就绿色侦察方法而言，勘探足迹将是有限的。然而，随着着陆点的成熟，探索足迹应该扩大到15公里×15公里，这与NASA在2022年8月宣布的13个阿尔特弥斯III号月球南极着陆候选区域相一致。

6. 影响

在进行首次进入时，保持原始的矿坑环境是至关重要的。该任务的目的是了解坑和洞穴的特点，以适应未来作为避难所的居住和月球定居点的诞生。

滑索的部署有利于对坑道开口进行现场描述的操作概念，并防止坑道受到来自着陆器天桥的烟羽和燃料的污染，或试图沿着悬崖向下移动的其他侵入性机器人活动的污染。滑索从坑口中心放下仪器/设备，进行360°视场激光雷达测量，以获得整个坑的三维点云。科学调查、场地污染缓解和场地的初始基础设施建设都是在最初的滑索科学侦察任务中完成的，基本上为最终的前哨站提供了在场地的第一个基础设施部署。

基于以前在月球轨道和月球表面成功使用的太空飞行质谱分析，结合最近的实验室结果和月球极点的气体检测，我们认为，在月球洞穴环境中部署质谱分析对描述这些至关重要科学、探索和 ISRU 的环境。

7. 建模、动画和未来的工作

如图5 所示，我们已经创建了坑边和斜坡的解释，以动画 MHP 任务概念 (Ximenes & Shaffer 2020) 。制作了这段 2分钟的视频，说明了迄今为止开发的任务剖面。坑的直径、大小和深度都被精确建模。正在进行的工作进一步发展了骡子机器人如何进入洞穴并保持动力和新的动画的概念在洞穴中的通信。表3提供了详细的科学溯源矩阵，以确定将安装在骡子上的必要仪器。目前正在对骡子上的仪器进行初步的质量/体积分析和预算，以确定骡子机器人是否可以携带不同的仪器穿越月球表面。我们计划在德克萨斯州当地的一个洞穴中使用波士顿动力现场机器人进行现场测试，该机器人带有安装的激光雷达和各种仪器，我们将在未来报告结果。

表3 MULE 机器人科学溯源矩阵

注 : 波士顿动力 (http://www.bostondynamics.com/)

8. 结论

通过开发MHP作为行星洞研究的框架，我们将提高社区对熔岩管坑和其他宫下空洞的理解。挥发性通量、月球火山作用、风化过程和灰尘环境包含了月球探测分析小组(LEAG(月球探测分析小组，2017))和国家研究委员会(NRC(国家研究委员会，2007,2011)的指导文件中确定的科学概念和目标。详细的地质分析和制图可以识别矿物学资源、矿体，或在坑或空洞附近或内部的挥发性物质积累。如果该地区有可能进行采矿作业，那么该地区的商业和居住潜力就会变得越来越有吸引力。

我们选择 MHP 作为调查地点，并认可其为”参考任务”，因为它的火山环境、靠近月球赤道、航天器数据的可用性，以及相对大小，以了解进入这些类型坑的工程挑战的复杂性。该坑以及月球上其他地宫产空区的发现，为机器人和最终人类探索任务提供了令人信服的动力，对这些地点进行现场调查和地点评估，以确定长期居住和利用月球资源的可行性。探索行星洞穴所必需的新技术将有益于行星研究的其他领域。

我们提出了绿色侦察的新概念。这包括以一种不令人不安的方式进入月球熔岩管、洞穴、天窗和坑，以保留任何原始、未被破坏的特征。在第一次进入坑之前，需要努力了解坑边的地貌、斜坡方法和周围的风化层特征，以帮助确定最佳的进出技术，以便保持一种尽量减少现场干扰和污染的理念，同时将仪器和机器人放入坑中进行调查科学。

最后，洞穴研究本质上是跨学科的，对宫下空洞的探索可能会融合元素地质、化学、水文、太阳物理和微气候学。虽然月球洞穴可能为第一批人类定居者提供安全和庇护，但它们最终可能被证明是未来行星探索的踏脚石。

本文所讨论的 LCATS (Lunar Caves Analog testing Sites) 材料是基于NASA资助的月球洞穴模拟试验场(Lunar Caves Analog testing Sites，简 称 LCATS)项目。NNX16AM33G。本材料中表达的意见、发现、结论或建议均为作者观点，并不一定反映美国国家航空航天局的观点。我们感谢匿名审稿人的耐心和评论，他们帮助改进了本手稿的早期版本。

Giant moon cave could become home for future lunar base - Daily Press
dailypress.com|1152 × 648 jpeg|Image may be subject to copyright.

二年级学生也能做太空实验​？他们的灵感来自萤火虫......

原创 星渡研学 星渡研学 2020-10-14 19:37

• 微信号：星渡研学 NASACamps
• 功能介绍：星渡太空科创学院项目(Starship Space Innovation Academy)官方订阅号，代表星渡（上海）教育科技有限公司发布项目最新信息，并为合作机构、家长、学生提供最新资讯

二年级学生也能做太空实验？这既需要灵感(萤火虫!)，也要归功于学校的指导老师、校外航天专家以及航天企业的通力协作。这一太空教育案例很值得老师们及家长们参考。也许，未来的太空科学家就会从他们之中诞生。

报道原文的链接见 “原文链接“ 。下图是搭载着该太空实验的返回舱着陆后的现场画面，该返回舱是由蓝色起源公司于2017年发射并回收回来的(图片来源：蓝色起源)。

早在2015年，美国印第安纳州西拉法耶特市康伯兰小学的二年级学生们在课堂上讨论一个有趣的科学问题： 如果有一只萤火虫去了太空，它在零重力环境中漂浮时，是否还能发光？ 很多学生深信它还会发光，因为太空里”够冷、够黑“；当然，这只是学生们的猜想(hypothesis)。这批学生的指导老师向她的朋友，来自附近的普渡大学的航天专家克利科特教授，寻求答案。

克利科特教授的答复出人意料：不要瞎猜了，我们为什么不做一个真正的太空实验？

火箭发射过程中，萤火虫会受到惊吓；萤火虫受到惊吓后，是不会发光的。另外，在太空里，如何让萤火虫开心地活下来，也是一个问题。经过这些思考之后，在克利科特教授的指导下，这批二年级学生顺利地设计出了“无重力发光实验”，该实验装置已经于2017年12月12日，由蓝色起源公司的火箭送上了太空。下图中的盒子里就是回收回来的实验盒子，其中并没有装进去真的萤火虫，而是一种模拟萤火虫发光化学反应的装置，其中有一只装有发光物质的注射器，当返回舱飞到最高点时（距地面约9.7万米），盒子里的微型摄像头就会自动打开，并记录这只"模拟萤火虫"的表现。

图片实验结果是： 它在太空里会发光 ！

该校的指导老师说，她已经联系了一些航天工程师，未来要进校给二年级学生上”迷你课”，课程内容包括：飞行与推进的基本原理、以及萤火虫发光的基本化学原理。

2020星渡太空科创营(上海)精彩回顾

原创 星渡教育 星渡研学 2020-07-18 22:55

• 微信号：星渡研学 NASACamps
• 功能介绍：星渡太空科创学院项目(Starship Space Innovation Academy)官方订阅号，代表星渡（上海）教育科技有限公司发布项目最新信息，并为合作机构、家长、学生提供最新资讯

2020年7月11日至17日，星渡太空科创营(Starship Space Innovation Camp)在上海成功举办，该夏令营分为两个阶段：第一阶段是探月营，与上海未来学院(Dee Future Academy)联合举办；第二阶段是火星探索营，与德英乐青少年俱乐部联合举办(下面是第二阶段的视频回顾)。

德英乐·火星探索营

• 宇航员训练
• 探索太阳系
• 观测3D火星
• 描绘火星梦想

火星闯关游戏

• 宇航服降温实验
• 卫星通讯实验
• 太空食谱设计
• 火星着陆（设计与测试）

送给火星营的…小可爱们

怀揣着探索太空的梦想，我们开营啦！

每天早上，小营员们都会进行模拟宇航员训练，类似的活动宇航员也会参加！

第一天：月球生存

月球生存竞赛

制作月球模型

3D打印建模及月球基地设计

3D打印的月球基地模型

第二天 月球采矿

月球采矿竞赛

月球之旅闯关游戏(模拟编程)

乐高机器人搭建、学习Scratch编程、用机器人完成月球采矿任务

第三天 认识太阳系与火星

探秘太阳系(用水果模拟太阳系各大行星的大小与距离)，小营员们先画出对太阳系的猜想：

太阳系知识讲座后，各组挑选代表各大行星的水果

各组展示修正过的太阳系模型

描绘火星梦想

自制3D眼镜，观察立体火星地貌

火星之旅（模拟火星任务）

第四天 飞向火星（发射&着陆）

火箭设计与发射

着陆火星：设计火星着陆器（第一阶段：原创设计）

信心满满地准备进行测试

有失败......

也有成功！

设计火星着陆器(第二阶段：仿制勇气号火星车的着陆器)

第五天 太空生活（宇航服&太空食物）

宇航服知识讲座后，各组设计降温实验，并上台陈述实验方案

通过降温实验，理解宇航服调节体温的原理

学习探空气球的升力原理，进行悬浮气球实验

太空食谱设计，各组先品尝、挑选食物，并对各种食物进行评分

各组陈述太空食谱方案，并解释原因

第六天 卫星通讯及太阳能板创意设计

模拟卫星通讯实验

寻找重心实验：为什么宇航员在月球上容易摔倒？

太空折纸：艺术与太空工程技术的完美结合

第七天 设计太空实验及火星基地

设计火星科学实验

设计火星基地

我们毕业啦！

星渡太空科创营计划在中国各地巡回举办，欢迎各地的学校、培训机构洽谈合作。联系方式：13810711581（星渡教育苏老师微信、电话）

一起遥望星海：

我的初步方案。以太空美景作为封面，遥望星辰大海是我们共同的理想。摘转几篇和青少年相关的内容体现苏老师的行动。收录到 遥望比邻频道。也可以收录到校园频道。

• 卡尔•萨根回答小学生的问题

  

  著名天文学家、科普教育家卡尔•萨根在纽约布鲁克林的一所小学上课时，一位学生问：太阳是银河系的一部分吗？萨根回答：当然，而且你也是银河系的一部分。以人为本，太空教育就能走出传统科普的窠臼，真正启迪下一代的心灵。

  • You are considered part of the mocoa galaxy in the question no the question the Frank OK is the some considered part of the mokiy galaxy you are considered part of the module galaxy everything except other galaxies this part of the mocura galaxy。The sun is one star there isa few hundred booming stars in the malcula and he gran each star maybe so what you find its and con one those finances life and one of the life forms on that planet is you so you are part of the look we go to you now。

• 二年级学生也能做太空实验​？他们的灵感来自萤火虫......

• 2020星渡太空科创营(上海)精彩回顾

• 航天主题校内社团课合作计划

• 在月球上采矿？时机已日渐成熟！

• 非常解压的高清火星美景来了！(4K视频)

  

  这段最新火星视频中的照片全部是由NASA火星车在火星表面上拍摄的。现在可以坐下，放松，静静地享受来自火星的美景。非常解压！

  为了制作这一视频，制作团队花费了大量的时间在拼接图片上；视频中的每一帧都凝结着制作团队的才华与心血。

  有人会感到奇怪：为什么不在火星上放一个摄像头，然后我们在家里看直播视频，那样多省事？！实际情况是：我们现在的技术水平真得还不能满足这个需求，在可预见的未来，火星上的探测器、火星车以及火星轨道上的卫星，还得一幅图片一幅图片的往回传送。也许，未来可以通过星间链路以及各国的火星探测器共享通讯等机制，提高火星与地球的通讯能力。

  ------苏老师点评

北美教育

我现在主要在国内做教学及小课题研究，明年会重新开始带学生去美国，参加夏令营、科考、参加NASA竞赛；您可以宣传一下正在进行航天教育的学校以及喜欢太空的小朋友们的故事，我带的一位学生北美国名校UIUC录取了，他读的材料专业在全美排名前十。这个故事可以分享一下。当时做的课题就是用模拟火星土(从美国进口得)做砖，并测试其物理指标

• 申请美国大学的4年规划——第一阶段：信息准备
• 申请美国大学的4年规划——第二阶段：自我修炼
• 申请美国大学的4年规划——第三阶段：时间表、截止日及工作清单
• 中学生科研专题 | 星渡研学

Space Weather

Space Weather is a gold open access journal that publishes original research articles and commentaries devoted to understanding and forecasting space weather and other interactions of solar processes with the Earth environment, and their impacts on telecommunications, electric power, satellite navigation, and other systems.

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1. Space weather: Storms from the Sun | National Oceanic and Atmospheric ...
   NOAANOAA|2550 × 1650 jpeg|Image may be subject to copyright.

   

2. NASA - Getting Ready for Solar Max: Separating Fact from Fiction on ...
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3. Space weather forecast: Big storms ahead | Science News for Students
   sciencenewsforstudents.orgsciencenewsforstudents.org|1214 × 1200 png|Image may be subject to copyright.

   

4. ESA - Space weather effects
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5. Space Weather | Science Mission Directorate
   NASANASA|1421 × 2000 jpeg|Image may be subject to copyright.

   

6. An introduction to Space Weather
   land-of-kain.de|1536 × 1201 jpeg|Image may be subject to copyright.

   

7. ESA - Space for Kids - Space Weather Week!
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8. Space in Images - 2013 - 01 - Affected by space weather
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https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/swe.20034

申请美国大学的4年规划——第一阶段：信息准备

原创 星渡教育编译 星渡研学 2020-06-04 21:10

• 微信号：星渡研学 NASACamps
• 功能介绍：星渡太空科创学院项目(Starship Space Innovation Academy)官方订阅号，代表星渡（上海）教育科技有限公司发布项目最新信息，并为合作机构、家长、学生提供最新资讯

Elizabeth Long 为美国高中生及家长写了一本升学指导手册：THE COLLEGE APPLICANT'S ORGANIZER. 笔者认为很实用、很系统，特别是其方法论值得中国的家长参考，以免被不专业的留学中介误导。计划分五期连载的方式，摘要介绍请美国大学的主要准备工作，并以此作为该书的导读。有计划购买此书的朋友，请关注最后一期，届时将公布该书的出版信息。

第一阶段 信息准备

孩子9年级时，就要开始做准备工作了！

在这一阶段，要收集、研究大学招生信息，并缩小选择范围，定下5至8所计划申请的大学。

在本阶段，有7部分工作要做：

1. 准备工作
2. 录取信息资源
3. 找到心仪的大学
4. 研究大学
5. 实地访问大学
6. 校园考量
7. 决定要申请的大学名单

准备工作

首先要准备以下几份工作表单

1. 申请人的工作表(考量因素：环境、气候、规模、地理位置、离家远近、居住条件、社交、文化、政治、学术)
2. 父母的工作表(因素同上，见下图)
3. 大学基础信息汇总表（名称、网址、说明）
4. 每所大学的入学考试录取线汇总(SAT、ACT、AP、GPA等)
5. 计划实地考察的大学
6. 最终名单（分成三个档次(高档、中档、安全档)，分别列出23所大学，并注明每所大学的网址及是否是第一选择或第二选择，合计58所大学）

建议查阅以下图书收集有价值的信息

• Admission Matters: What Students and Parents Need to Know about Getting into College (Jossey-Bass)
• Barron's The All-In-One College Guide (Barron's)
• Cracking College Admissions (The Princeton Reviews)
• Don't Worry, You'll Get In: 100 Winning Tips for Stress-Free College Admissions (Marlowe&Company)
• The Truth About Getting In: A Top College Adviser Tells You Everything You Need to Know (Hyperion)

找到希望录取你的学校

把要申请的学校分为三档：

• 第一档：你在申请人中，竞争力处于最后30%
• 第二档：你在申请人中，竞争力处于中游的40%，有可能申请到奖学金
• 安全档：你在申请人中，竞争力处于前30%，可能就读优秀专业，可能拿到最好的奖学金

申请准备攻略部分(略)

实地考察大学

• 到大学里要做什么事
• 拜访你感兴趣的院系
• 午餐时到学生中心晃一下
• 到招生办看一下
• 在校园里吃一顿饭
• 参加面试(针对11或12年级的学生)

校园考量因素

• 公共与隐私
• 大与小
• 校园政治
• 艺术气息
• 多元性与相似性
• 娱乐设施

校内的升学指导老师与校外的升学顾问

在中学里通常会有升学指导老师，为学生提供大学录取信息、择校建议、升学规划、协助申请等服务，这是很好的一个渠道。但是，由于该老师面对的是众多的在校学生，你不能指望从这位老师那里获得你需要的全部关照。通常这位老师不会有时间获得各所大学的一手信息，因为指望他们实地访问各所大学是不现实的。这项工作最终要靠申请人及家长自己完成。

如果你想从专家那里获得一手信息或一流的信息，而且不差钱，校外的独立升学顾问就是必然的选择。独立升学顾问对以下学生特别有价值：

• 想就读录取率很低的好大学，
• 动机不够强，想获得额外的帮助，以便就读高性价比的大学(录取率相对高一些)

关于常春藤大学

SAT满分但却被拒于常春藤大学的案例司空见惯。除非你提前被常春藤大学录取了，否则，你一定需要申请中档和安全档的大学。

常春藤大学里最难以琢磨的是这些大学(见下图)：

• 布朗大学
• 哥伦比亚大学
• 康奈尔大学
• 达特茅斯大学
• 哈佛大学
• 普林斯顿大学
• 耶鲁大学

还有一些大学虽不是常春藤，但却与常春藤大学一样好(见下图)：

怎样建立最终的申请名单

(略)

在月球上采矿？时机已日渐成熟！

原创 StanleySU 星渡研学 2020-05-03 21:08

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编者语

太空产业正在成为世人谈论的话题，从2B的太空采矿、卫星发射、卫星通讯、卫星修复、太空垃圾处理，到2C的太空旅游，通过大众媒体透露出来的消息只展示了太空产业蓬勃发展的冰山一角。太空产业的某几个应用领域可能会在未来几年迎来爆发，可能是低轨卫星的发射及卫星通讯服务，可能是太空垃圾处理，也可能是月球采矿，总之一定是可以在短时间内实现盈利的产业。现在虽不能说只欠东风，但东风真的很重要，有了东风，万事俱备的速度就会大大加快。这个东风就是——市场需求。让我们拭目以待。

一块来自月球的石头会有多值钱？这块来自月球的陨石(编号NWA12691)近期将在佳士得拍卖行拍卖，估价200万英镑，约合人民币1765万元！该月球陨石质量仅13.5公斤， 单价约1308元/克 ，这是目前黄金价格的两三倍！这样看来，去月球上取块石头带回地球卖，似乎是个好生意？这事原本看似天方夜谭，但现在似乎变得可行起来。

月球陨石在地球上非常稀有，总共只有654公斤。在1960年代和1970年代，阿波罗计划带回了大约400公斤的月球岩石，这些样品都是用于科研和教育目的，不会被出售。因此，想要售卖一手的月球石头，最好的办法不是做陨石猎人，而是直接去月球采矿！

几十年来，在月球上采矿一直是个纯科幻的想法，即使对那些热衷于此的人而言，这也只是一个疯狂的概念而已。然而时至今日，技术的进步以及来自各国政府的支持，让月球采矿变得可行了。

50多年前，人类踏上了 月球；从那以后，没人真正想出利用月球资源的最佳方式。今年4月6日，美国政府颁布行政令，允许美国公司到月球采矿，商业开发月球表面资源的大门已经打开。这是支持月球商业开发的企业们日思夜想的一刻。

《外层空间条约》（Outer Space Treaty）又名《外空条约》，1966年12月19日联合国大会通过，1967年1月27日开放供签署，1967年10月10日生效，无限期有效。该条约是国际空间法的基础，号称“空间宪法”，规定了从事航天活动所应遵守的10项基本原则。条约的主要内容有：各国皆有探索和利用外层空间的自由；各国不得将外层空间占为己有；不得在绕地球的轨道上、天体(星球)、外层空间放置大规模毁灭性武器；禁止在天体上建立军事基地和进行军事演习；利用外层空间应避免对地球环境产生不利影响等。

下图是1967年签署条约的现场画面

2015年，美国奥巴马政府签署了《美国商业太空发射竞争力法案》，该法案允许美国人拥有并售卖采集自外星的商品。美国政府近期签署的这个行政令清楚地表明，本届美国政府也支持这一立场，同时强调：这种开发并不违反《外层空间条约》。可以想见，未来世界各国都会效仿美国，在月球资源开发、小行星资源开发方面跃跃欲试。

但是，要打开月球采矿这个市场，可不是仅靠签署一纸行政命令就能实现的；上世纪60年代就有人在动这个念头，但开发这个市场所面临的技术与经济的挑战实在是令人生畏。

" 在NASA内部有很多人认为：月球任务是分心之举 "，这对月球采矿事业的推进，无形中制造了障碍。数十年来，有很多国际企业、科学家、工程师们在坚持不懈的研发能够将月球开发成前哨基地的基础设施。政府、私人实验室都在进行关于月球采矿的实验，并推出了一些原型产品，例如：紧凑型的发电系统、太空机器人、月壤采矿。这些产品中的很多，不仅设计合理，而且也很可行。关于月球采矿的争论源自两位著名专家的意见分歧。

一方认为：要专注于行星探索

辩论一方的代表人物是美国火箭之父冯.布劳恩(见下图)，他领导开发了土星五号火箭。这一派的观点是：行星才是太阳系皇冠上的明珠，只有探索行星才会有最好的科学发现。

近年来，马斯克也在大力推动火星移民计划。这一派的人士认为：任何载人火星探索任务以外的任务，特别是探月任务，都是分散精力与资源的。

另一方认为：应先开发月球，用赚的钱为火星任务提供资金支持

辩论的另外一方是美国物理学家杰拉德.K.奥尼尔(见下图)，他于1976年出版了一本著作(书名为The High Frontier)，在该书中，他提倡让航天基础设施远离行星，以节省摆脱引力所需的能源，这是太空旅行中最耗费资金的部分。他建议建立在轨太空基地，并开发利用月球资源，以此为大型在轨空间站提供支持。

蓝色起源的创办人贝佐斯(见下图)强烈支持这一观点。

有NASA科学家认为，NASA目前严重倾向于冯.布劳恩的观点。随着NASA对太阳系的探索日益深入，这两派之争也将愈演愈烈。支持月球采矿事业的人士最担心的就是：阿波罗探月任务结束后发生的事也许会重演。支持奥尼尔的专家认为：如果能够利用行星外产业(如月球采矿)支持地球上的经济，我们就可以通过发展地球上的经济，来为火星任务提供资金支持；如果我们跳过了发展地月经济的阶段，火星任务会以类似于阿波罗计划的方式退出历史舞台。

我们可以卖什么?

即使在支持奥尼尔的“探月优先”派内部，大家对如何操作还没有达成共识。 我们应该在月球上开采并销售什么？ 对于这一最基础性的问题，人们的认识都在不断改变。

在月球上可以生产很多有吸引力的商品原料，例如：可用于建筑的金属、可用于制造太阳能板的硅、可用于核聚变反应的氦-3。最早流行的观点是： 要开采在月球很容易获取、在地球上很稀有的东西，然后带回地球附近，一点一点的出售 。氦-3就是典型的这种原料。

但后来人们发现，首要的问题变成了： 能否通过销售在太空里要使用的商品赚钱 ？在月球上开采原料并制成商品，买家在太空里使用这些商品，而非带回地球使用。

买家最可能需要的这种商品就是氧气。氧元素的质量占月球总质量的42%，太空任务最大的成本就来自于发射阶段消耗的氧气。在月球上生产氧气(用作燃料及生命支持原料)，氢气则来自地球——这一商业模式看起来很有吸引力，NASA至今还在研究这一路线的可行性。在月球上任何一个地方都可以采矿并生产氧气，现在还有可能利用月球陨石坑里的冰(这可是氢资源的宝库)来生产氢气。通过电解水的方式，就可以生产氢气和氧气，这可是最高效的化学推进剂。这样一来，火箭的燃料问题就解决了！

下图是蓝色起源公司的蓝月亮月球探测器部署月球车的概念设计

现在的问题是如何在月球上采集冰。通过月球遥感卫星的多年探测，我们发现在那些又深又暗的陨石坑中，存在永久性的水冰资源。2009年10月9日，月球坑观测与感知卫星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，简称：LCROSS探测器）主动撞上了月球上的一个永久阴暗地区，科学家发现：在撞击产生的扬尘中有5%的成分是水。尽管这证明了月球上的冰确实是在那里存在，但研究人员对此还是有很多问题。

下图简单介绍了LCROSS撞击月球任务，其中1为近红外光谱仪，2为用于撞击的火箭燃料箱，它将10亿年未见太阳光的灰尘与冰撞了起来，产生的月球扬尘高达6英里高，撞击坑有一个游泳池那么大，3为月球扬尘，NASA动用了月球侦察卫星、哈伯太空望远镜及地球上的天文望远镜同时对这一扬尘进行了观测)

发现了这些月球宝藏之后，科学家们下一步的工作就是要研究并验证这些月球矿藏的特征。NASA已经设立了一系列小规模的太空任务计划，准备送一些月球车到月球上进行月面勘探。明年NASA计划发射“商业月球载荷服务(CLPS)”计划的月球车，到月球上挖取月壤样品，并用光谱仪检测其化学组份。世人瞩目的一项任务是将于2022年发射的VIPER月球车(见下图)，它将绘制第一幅月球水资源分布图。VIPER将在美国下次登月任务着陆点附近(可能在月球南极附近)，开展地面勘测，探测水冰的分布状况、丰富程度、存在形态以及表面环境条件。

很多支持在深陨石坑采矿的人都期待获得未来将采矿位置的精准数据。我们以前从未在那些永久阴暗区着陆并用仪器在那里采样以确认水的存在。我们不知道那些冰的状态，也不知道那些冰是以何种方式与月壤混合在一起的。

哪里有挑战，哪里就会有设计解决方案的航天工程师。洛克希德马丁公司在为NASA研发McCandless月球着陆器(下图)的同时，还资助了科罗拉多矿业学院的一个研发团队，该团队正在研发一个名为Veritas的月球探测器，计划搭载在这个着陆器上，用于证实水冰的存在。

该着陆器装配了电池，电量足够该着陆器在月球上的黑暗地区工作一整天。着陆后，着陆器上的Veritas将弹射出6只镶满传感器的探测器(绰号“松鼠”)，在周边200米范围内进行探测，并把数据返回给着陆器；着陆器上的探地雷达也会同时进行探测。这一设计的好处是无需月球车，就可以在很大的范围内进行探测；这样就不需要考虑月球车的配载质量、成本等诸多限制。

一旦确认存在月球水冰，下一个问题就是： 如何把月球水加工成火箭燃料 。随这个问题逐步也引发了各种解决思路的竞争，以及更高级别的目标。

下图是NASA研发的核能装置Kilopower反应堆，能够为未来的月球基地、火星基地供电

在月球采矿与在地球上采矿不同，需要从冰冻的月壤中采矿。有机构正在设计一种“ 热力采矿 ”的新工艺，来解决这一问题。热力采矿的流程是：将月球表面加热到足够高的温度，用一种升华工艺将冰直接升华成水蒸气(跳过了水相阶段)；水蒸气会被一个大的遮蓬拦截并重新冰冻；水冰会被运送到一个电解工厂，并被电解成氢气和氧气。NASA最新的研究项目已经证明， 这种热力采矿工艺是可行的 。

下图是在月球上进行热力采矿的想象画面

火箭燃料生产设备重约26吨，每年可生产1100吨火箭燃料；研发这一装置并将其部署到月球的预算约25亿美元。初步的经济可行性研究结果表明，在10年的运营期内，这一投资是有利可图的，前提是政府及民间的航天企业有购买这种火箭燃料的需求。

量产级别的热力采矿生产工艺的需要的2.8兆瓦的电力供应能力， 如何在又深又黑的月球陨石坑里提供如此高的电力？解决方案之一就是：小型核反应堆。

下图是美国国家核安全管理局及NASA的工程师们在为Kilopower反应堆罩上真空舱的外壳

2018年，NASA与多家研发机构共同设计出了KRUSTY系统，该系统是将Kilopower反应堆与Stirling技术相结合的产物。NASA喜欢这种核裂变反应堆，是因为它使用寿命长、维护成本低，可以支持在外星进行的热力采矿生产。该系统采用Y-12高浓缩铀为燃料原料。高浓缩铀反应堆质量轻，是一种紧凑型设计，这很适合太空飞行的需要。但是，这一系统也会很容易被改装成木亥武器，所以需要对物流运输进行严格管制，安保措施要非常严格。因此，在过去几年里，小型化的低浓缩铀反应堆逐渐兴起，这种反应堆经过改装后就可以用于月球采矿。

下图是Ultra Safe Nuclear公司的MMR型低浓缩铀反应堆

有没有不用核能的方法呢？科学家们提出了以下三种方法：

电解熔盐采矿

月球采矿不一定非要依赖核能，欧洲航天局正在研发一种“电解熔盐”系统，据称该系统可以从月壤中剥离出全部的氧。操作方式是：先把月壤放入金属篮子里，用氯化钙做电解质，然后加热。

无需熔化月壤 ，该系统只要把反应物加热到950℃即可，电流会让氧气从月壤中解析出来，并通过电解质运动到阳极，并被收集起来。这个电解反应的副产物是：月壤会被转换成有用的合金。

利用月球上的资源制备的氧气，既可以用于呼吸及其它生命支持系统(如植物生长)，也可以用于在月球上生产火箭燃料。

用镜子开采水资源

另外一个想法是：利用可移动位置的镜子反射太阳光，照射并加热陨石坑里的水冰，让水冰变成水蒸气并进行捕集。可以安装三面可移动的镜子在陨石坑的环形山顶上，每隔120°安装一面镜子，这样可以保证有稳定的光照射到水冰上；另外再安装两面镜子，用于反射光线到水捕集装置和燃料加工装置上。

下图是用巨型镜子开采水资源的想象画面

在浅陨石坑里筛选细冰粒

有迹象表明，在较浅的陨石坑里含有细小颗粒的冰。如果确实如此，开采这一水资源的最简单方式就是：把这些小颗粒筛选出来。这里的水产率会低一些，大概2%(在深陨石坑里开采的水产率约5%)；另外，这里的水冰在月壤深层，深陨石坑里的水冰则在月壤表层。因此，这一地区的采矿难度和成本会更高，应该安排在以后进行；首先应到深陨石坑这种容易开发的地方开采水资源，在这里实现盈利以后，再去开发高难度的矿区。

总结

到月球采矿这事正在变得越来越靠谱，正在得到社会各界的支持和响应，也许有一天会成为投资风口。NASA科学家麦茨格表示，“只要有政府投资，我们就能让产业界动起来， 越早启动，人类在地球上的生活就会越早从中受益” 。

星渡教育推出了ISRU(在外星利用现场资源)方向的小课题研究项目，欢迎感兴趣的高中生报名参加。咨询电话/微信：13810711581 苏老师

申请美国大学的4年规划——第二阶段：自我修炼

原创 星渡教育编译 星渡研学 2020-06-04 21:10

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Elizabeth Long 为美国高中生及家长写了一本升学指导手册：THE COLLEGE APPLICANT'S ORGANIZER. 笔者认为很实用、很系统，特别是其方法论值得中国的家长参考，以免被不专业的留学中介误导。计划分五期连载的方式，摘要介绍请美国大学的主要准备工作，并以此作为该书的导读。有计划购买此书的朋友，请关注最后一期，届时将公布该书的出版信息。

第二阶段 自我修炼——让自己成为理想的候选人

很多人想知道大学招生部门采用的秘密准则，想知道大学会接纳哪些人、拒绝哪些人。尽管无法断定大学们赋予每个申请要素的准确权重，但他们对每个要素重要性的排名顺序很明确，这些要素的重要性从高到低依次为： 平时分数级别(GPA)、标准化考试分数、课外活动、社区服务和暑假活动 ，这些都会被大学招生老师认真考虑和审核。(如果你是因为体育特长或其他奖学金的原因被录取，则上述顺序不适用)

1 平均成绩(GPA)

大学录取官会考察你的课程难度及你在班里的排名，以决定你的GPA的权重。举个例子：与编篮子手工课的A相比，在微积分课得个A，给录取官的印象要更加深刻。如果你的GPA是3.8，但在班里排名在后50%，这样的成绩不能与GPA3.5并在班里排名前25%相提并论。

要成绩A还是要读AP课程？

当然，最理想的是读AP课程并得到A。在现实生活中，如果你能得到B，就可以读AP课程；如果你只能得到C，那还是读一般的课程，把大学水平的课程留到大学入学后再读吧。

2 标准化考试

那些平均成绩(GPA)好但标准化考试成绩差的学生，有时ACT成绩会高于SAT成绩，这是因为ACT考查学生对知识的掌握程度，而SAT考查抽象逻辑推理能力。

SAT与ACT

几乎所有大学都会采用这两种标准化考试中的一种，来评估申请人。美国东部和西部的热门大学更流行采用SAT，美国中西部和南部的大学则喜欢采用ACT。很多大学声称，不会偏爱其中一种考试，但从申请人的心态来看，大学确是会看重更某一种考试。如果你确实担心这事，不妨问一下该大学的录取官；如果答复还是让你不满意，你可以两种考试都参加，当然这会很累。

两种考试的比较：

1. SAT有写作部分，ACT不要求(可选项)
2. ACT更加考验语法功底
3. ACT包含三角函数，SAT只包含算术、代数、几何。
4. ACT有科学部分，而SAT没有
5. SAT会用错误答案迷惑你，而ACT没有
6. 分数计算方法不同
7. 大学要看申请人全部的SAT分数，ACT考试则只看最高分。

AP考试

就高中阶段读AP课程并通过考试，可以令申请人在高中阶段就获得大学学分。这不是申请大学必须提供的考试成绩，但最热门大学通常希望看到申请人的成绩单上有几门AP课程的考试成绩。

网上备考资源

• www.barronstestprep.com
• http://sat.bostontestprep.com
• www.kaptest.com
• www.number2.com (免费！)
• http://store.collegeboard.com
• www.prepme.com
• www.review.com

3 课外活动

大学希望看到申请人参加一些高质量的课外活动，而不是一长串课外活动的清单。课外活动要以质取胜(深度参与几项活动，并承担领导责任)，而非单纯的堆积数量(参加了10项活动，但在活动中只是跑龙套)。活动的主题要选自己真正有兴趣的，而不要一味迎合大学的口味。

如果对自己到底喜欢什么毫无头绪，可以先在入学后先报名几样不同领域的活动体验一下，然后再决定要投身到哪个方向，以及继续参加哪些活动、放弃哪些活动。如果这样下来还是没有找到兴趣方向，可以考虑参加社区服务活动。

社区服务

现在很多高中要求学生一定要参加社区服务。既然本来就要参加，为什么不找到一个自己认为成立的、参加这项活动的理由？而不是简单认为，这只是老大不情愿的花一个周六的时间跟着同学们捡拾垃圾。

一旦你选择了一个理由，并负责地长期坚持参与这项活动，为期一年(或至少半年)，在此期间你能带头参与工作并能发挥领导作用。这样的表现，在大学录取官眼中的权重，肯定高于那些轻松的活动(例如:带弱势族群小孩去动物园玩)。

关于活动报告的建议： 要站在大学录取官的角度看待如何写活动报告 。不要功利地认为参加社区服务就是为了申请大学。 参加社区服务其实是为了让你走出自我、回报社区，以及在此过程中成长 。每次参加完社区活动，就把活动情况记录到你的“4年工作表单”中，待日后总结。不要每参加完一项活动，就在当周写一篇报告，并声称这是一项改变人生的活动。如果活动谈不上“责任”、“主动性”、“领导作用”，就认真的考虑另换一个合适的主题写份报告。

暑假活动

如果不差钱，可以参加夏令营、实习、社区服务、出国参加国际交换学生计划。

很多学生选择在暑假打工，攒大学学费或零花钱。这些学生会担心，没能像那些不必暑假打工的同学一样参加上述活动，日后可能会不利于申请大学。暑假打工是不参加上述活动的正当理由，同时也可以证明你能承担责任。找暑假工作时，要找那些可以让你承担责任、发挥主动性、锻炼领导技能的工作。

4 四年工作表单

在9至12年级这四年里，按时将学习成绩及课外活动情况填写进当年的工作表单，每个学年完成一张表单(见下图)。课外活动要记录参加的时长和付出的努力。在你填写大学入学申请表及个人简历时，这些工作表单就会派上用场。当你要写申请大学报告时，或简短回答问题时，就可以引用这些工作表单。

5 个人简历

尽管在大学申请文件中无需个人简历，但对给你写推荐信的人来说，你的个人简历就是一个宝贵的工具，它可以简化推荐人的工作，因为你的成就、参加的活动、获得的奖励等亮点都一目了然。利用多出来的时间，推荐人(例如你的老师)就能给你写一份更好的推荐信。

简历的内容包括：姓名、电话号码、电邮、学术奖励与荣誉、课外活动、特别的兴趣、社区服务、暑假经历、工作经历等。

写作技巧(详略)可参考以下网站：

• www.resumeedge.com
• www.resumewriters.com
• www.resume-help.org

申请美国大学的4年规划——第三阶段：时间表、截止日及工作清单

原创 星渡教育编译 星渡研学 2020-06-04 21:10

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Elizabeth Long 为美国高中生及家长写了一本升学指导手册：THE COLLEGE APPLICANT'S ORGANIZER. 笔者认为很实用、很系统，特别是其方法论值得中国的家长参考，以免被不专业的留学中介误导。计划分五期连载的方式，摘要介绍请美国大学的主要准备工作，并以此作为该书的导读。有计划购买此书的朋友，请关注最后一期，届时将公布该书的出版信息。

在这个阶段，要有序的坚持完成各项任务，不能忘记那些重要的截止日期。

9年级排期提示

进入高中了，随之而来的是更多的功课、更多的活动、更多的分心，以及更多的快乐。建议如下：

• 计划在前：开学后做一个综合计划表，并按重要性排序，核心课程列为最优先级
• 日常计划：制定一个每周工作日历、每天工作清单(工作按重要性排序)，每天在固定时间写作业
• 做功课时，不要看电视、听音乐、收发手机信息、打电话
• 选择你最清醒的时间学习
• 功课及任务完成后，每天花20分钟时间用于娱乐

9年级考试截止日期

考虑参加SAT II 科目考试数学和/或生物。注册截止日期如在3月末及4月，考试就在5月份。注册截止日期如在4月末及5月，考试就在6月份。

参加SAT科目考试的最佳时间是科目学习完成之后，趁大脑对科目信息的记忆新鲜，尽早参加考试。热门大学要求学生参加三门科目考试。

你所有的SAT考试成绩都将被提交给你要申请的大学。所以，如果生物(举例)不是你擅长的，你肯定你会考砸，那就不要参加这门考试。

10年级的考试截止日期

• 与学校的升学指导老师讨论何时注册PSAT或PLAN考试
• 10月份参加考试

11年级的考试截止日期

在手册的表单上注明PSAT、PLAN、SAT I、ACT、AP等考试的注册时间和考试时间。你应该在6月份参加考试，除非你上的是暑期学校(最快10月份考试)。

12年级排期建议

除了学业压力之外，你忽然发现参加课外活动的责任多了很多。你还要完成很多大学申请，要填写很多表格，回答很多问题......你现在是高年级学长了。

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College Application Checklist
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航天主题校内社团课合作计划

星渡研学 星渡研学 2020-06-28 00:00

• 微信号：星渡研学 NASACamps
• 功能介绍：星渡太空科创学院项目(Starship Space Innovation Academy)官方订阅号，代表星渡（上海）教育科技有限公司发布项目最新信息，并为合作机构、家长、学生提供最新资讯

星渡教育计划与全国各地的中小学合作建设航天主题的校内社团，借助社团平台，向有志于航天事业的学生提供国际领先的火星探索主题STEM课程，并为各合作校培养师资。

以学生成长路线为主轴，星渡教育设计的校内社团课程体系如下：

• 小学阶段 的社团课以培养兴趣为主要目标，采取小项目式教学模式；

• 初中阶段 的社团课以培养科学素养与学术潜力为主要目标，通过大项目式教学模式，提高学生掌握、运用研究方法与工具的能力，提供跨界应用知识的能力；

• 高中阶段 的社团课采取创客教育模式，课程是“火星车创客”，培养工程设计能力，另外，优秀高中生还可以选择参加背景提升项目，课题研究反方向是：太空原位资源利用(ISRU)

以火星探索主题STEM课程为例，该系列课程面向3-8年级学生开设，火星探索主题STEM课程设初级班(3-5年级)、中级班(6-8年级) ，采取项目式学习方式，每学期12课时，共24课时。课程的二级主题、三级主题及课程(活动)名称如下：

欢迎有合作意向的各地学校、机构咨询合作。

联系方式：13810711581(苏老师的微信、电话)

（上图是设在校园内的太空气象播报站）

SPACE WEATHER, VOL. 6, S09003, doi:10.1029/2008SW000437, 2008

Space Weather for Kids

• Mohi Kumar
• Published 11 September 2008.

Citation: Kumar, M. (2008), Space Weather for Kids, Space Weather, 6, S09003, doi:10.1029/2008SW000437.

This school year, students in Cheryl Williams’s class of fourth through sixth graders may be able to look into the night sky and observe something that few American children have seen: the brightly lit, swirling colors of aurorae.

“Some of my students can look from their porches at night and see the colors dance,” said Williams, who teaches at the Youth Education and Support Service (YESS) elementary school in Fairbanks, Alaska. “They come in the next morning, and they ask questions. Knowing that, I’ve planned activities to try and get them answers while still meeting our educational standards.”

Farther south, Tom Traeger also wrestles with how to engage students while meeting grade requirements. Traeger teaches Earth science and geology at La Cañada High School in La Cañada Flintridge, Calif. “Education standards in the state of California require that high school students know about nuclear fusion within the Sun, about the magnetic field of planets,” Traeger explained. “I use those standards to weave in topics related to space weather.”

Williams and Traeger are two of relatively few teachers in the United States who introduce concepts related to space weather into their classrooms, discussing with their students not just how solar storms are created but also general concepts about how such storms can disrupt satellite streams, zap spacecraft circuitry, and damage power grids.

Williams’s students visit NASA Web sites and download photographs to keep sunspot journals. With their art teacher, they use pastels to create their own pictures of auroral streamers. “Our school focuses on special needs kids. Some are bipolar, some have Attention Deficit Disorder, many are foster kids,” Williams explained. “I have to inexpensively engage them with activities that grab their attention.”

Traeger’s students use their classroom’s magnetometer and solar telescope to delve into space weather subjects. “We discuss the 11-year sunspot cycle, how moving electrons induce a magnetic field and how magnetic fields are generated from the Earth’s core,” he said. “And of course, we surf the Web a lot.”

Williams’s and Traeger’s experiences highlight two important challenges to educating elementary, junior, and high school students about space weather. First, because there are no national mandatory education standards in the United States, curricula are up to the discretion of states, school districts, and individual teachers. Second, to ensure that most teachers can benefit from an activity, the space weather lesson plans must be easily understood, actively engaging, and inexpensive to implement.

Over the years, several innovative approaches have developed to meet these challenges. These programs share a common thread: They link space weather science to standards in an interactive way.

Getting Creative With Curricula

Although no mandatory national standards exist, in 1996 the U.S. National Academies published National Science Education Standards (NSES), meant to serve as guidelines for states and school districts as they develop their science education requirements. These standards suggest that students be taught that the Sun is a star and that the Sun is the source of the light and heat that warm the Earth and produce our climate.

Because space weather is not explicitly addressed in NSES, curriculum developers have to get creative. “The light piece gives teachers a window into space weather, to X rays and science missions associated with solar flares,” said Roberta Johnson, executive director of the National Earth Science Teachers Association (NESTA) and a space weather scientist at the U.S. National Center for Atmospheric Research’s High Altitude Observatory. But perhaps a more definitive link comes through electricity and magnetism within the physical science standards, she explained: “Magnets, magnetism, the planets and Sun as magnetic bodies—focusing on magnetism, primarily phenomenologically, is very effective because kids love it. It’s invisible forces—it’s like magic.”

Johnson coordinates an online portal for information about the Earth and space sciences. Called “Windows to the Universe,” the portal contains primers and video clips on the Earth and space sciences, with a focus on science in action. Created in 1995, the Web site (http://www.windows.ucar.edu) contains more than 8000 pages written at three levels of content (upper elementary, middle, and high school), with specific notes to teachers about how information relates to NSES standards.

Space weather content on Windows to the Universe is funded by the Center for Integrated Space Weather Modeling (CISM), a U.S. National Science Foundation Science and Technology Center at Boston University. Through this content, students and teachers can read up on the ionosphere and aurorae, search for magnetic north with an interactive compass, solve space weather–themed word searches, and construct flip books to show the evolution of a solar flare. “Our pages related to space weather research and spacecraft get about 2 to 3 million hits every year,” Johnson said.

Paralleling this example, several other Web sites seek to match teachers to NSES standards through interactive lesson plans about space weather. For example, on the Web site of the Space Weather Prediction Center, a branch of the U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), teachers can download lesson plans referenced to standards that instruct students on how to build a spectroscope, measure the solar constant, and even simulate the effect of the solar wind on the geomagnetic field (see http://www.swpc.noaa.gov/Education/index.html).

Stanford University’s Solar Online Activity Resources (SOLAR) Center provides NSES-referenced classroom projects that show students how to measure the angular velocity and rotational period of the Sun, design a solar cooker, and detect the Sun’s effect on communications systems using AM radio reception (see http://solar-center.stanford.edu/). Students can also listen to helioseismological hums, read up on solar folklore and ancient observatories, and take Web-based quizzes about the Sun. “We want to show that the Sun, besides making our lives possible, has provided inspiration for arts and culture,” said John Beck, SOLAR Center’s education and public outreach scientist.

With such resources, teachers are encouraged make ties to other important standards set forth in NSES. “Space weather is well suited to educational connections dealing with the impacts of natural events on society,” explained Johnson. “There are also standards relating to technology, the history of science, science as a process. Hooks are there—we just have to use them.”

Kids as Real-Time Observers

A question that plagues curricula developers who focus on space weather is how to give form to intangible concepts, such as the radiation belts and the solar wind. A few years ago, education specialists at NASA’s Sun-Earth Connection Education Forum (SECEF) realized that the answer lay inside computers, within the vast streams of data that NASA receives from its satellites and spacecraft.

“The imagery from NASA missions is simply phenomenal,” said Troy Cline, an educational technology expert at SECEF. “Combine that with newly available technologies and the speed of communication, and we’ve got a way to put information instantly at our fingertips.”

Cline and his colleague Elaine Lewis, a science curriculum coordinator at SECEF, work on developing content for NASA’s Space Weather Action Center (SWAC; http://SunEarthday.nasa.gov/swac/). Launched in 2006, the program allows students to easily track solar storms online from their inception to their impacts at Earth (see Figure 1).

Figure 1. An example of a Space Weather Action Center that a teacher might set up in his or her classroom.

“When students go to our Web site, they see a huge resource, a tool with about 36 different data sets from various satellites and ground-based observatories,” explained Lewis. “Through this and our simple setup guide, students can use remote sensing to collect results in near real time, with a lag of only about 2 hours.”

The program works through a series of simple steps. First, students monitor for sunspots to see whether they are growing or changing. They then see if sunspot activity is generating storm signals. “Students can actually listen to radio waves from the Sun to hear if that sunspot is really active. So if they hear a storm, they can start monitoring the Earth’s magnetic field for aurorae,” Cline said.

After answering a few simple questions every day or every week, the students are ready for the last step of the program: developing their own space weather report. “Using really simple and inexpensive software, a webcam, and a piece of cloth to make a bluescreen, teachers can quickly set up a little TV studio,” said Cline. “Soon kids can start generating CNN-style news reports on space weather.” The opportunity for students to act like they are on television is what captivates children the most. “I’ve seen terribly shy kids lining up in droves to try this when we visit schools for demonstrations,” Lewis explained.

SWAC is part of a broader effort by the SECEF to get students immersed in space weather. Their main focus is SunEarth Day, an event that happens each year on or near the vernal equinox. Sun- Earth Day started in 2000 as a 1-day event—webcasts, broadcasts, scientific interviews—focused on the theme “Have a Solar Blast!”

Other themes throughout the years have included 2003’s “Live From the Aurora,” where students in the San Francisco, Baltimore, and Anchorage areas packed into their local science centers overnight to watch live video streams of aurorae in action. In 2005, the theme “Ancient Observatories, Timeless Knowledge” featured video and webcast programming of solar alignments with structures that mark equinoxes and solstices. Sites visited included Chaco Canyon (New Mexico) and Chichen Itza (Mexico).

“The first year we had more than 80,000 people downloading and viewing. Now we’re into the millions,” explained Cline. “People started using our materials whenever they
could, even during summer. So now the program is yearround.”

SECEF has just wrapped up Sun-Earth Day 2008, “Space Weather Around the World,” which included live coverage of the solar eclipse seen over China in the days preceding the Olympic games. In support of the upcoming International Year of Astronomy, the Sun-Earth Day theme for 2009 is “Our Sun, Yours to Discover.”

“We’re going to focus on missions such as Ulysses and Voyager, as well as on space weather on other planets,” explained Cline. “The goal is not only to highlight important concepts in solar physics but also to suggest that there are many stars like our Sun in the universe.”

The power of SECEF activities is that students are viewing real data, in near real time. “Students know they are seeing the same data that scientists look at,” said Lewis. “They won’t ever feel like teachers are creating something at a lower level just for them to understand,” Cline added.

Moreover, students can interact with the data in ways that appeal to several different learning styles. “If students can read it, write about it, touch it, listen to it, be involved with it, and express themselves through it, then a teacher is making content approachable to all the kids in the classroom,” Lewis said. “That’s our goal.”

Space Weather Comic Books

To help make basic concepts of space weather come alive for children, some groups have introduced space weather-themed comic books. Featuring principle characters who are female -- to help draw girls into science -- the comic books take readers on a journey through the solar-terrestrial environment.

Mol and Her Robotic Dog Mirubo

Through a series of nine comic books, Mol and Mirubo explore their curiosity about space weather and the Sun-Earth relationship. Developed by Nagoya University's Solar-Terrestrial Environment Laboratory, these comic books, originally published in Japanese are now being translated into about 20 languages.

Cindi and Her Space Dogs

In "Cindi in Space," an android girl and her two space dogs vault through the near-Earth space environment to capture and count ions and neutral particles. Developed by scientists at the University of Texas at Dallas, Cindi represents an instrument on board a recently launched space weather monitoring satellite.

Zillian and the Alien

In NOAA's comic book "Space Weather," scientist Zillian and an alien stowaway travel from the Earth to the Sun to learn why weather in space has zapped Zillian's television.

Comic Books

Not all efforts to introduce students to space weather involve high-tech, hands-on activities. Instead, some groups are turning to comic books to communicate information to children (see “Space Weather Comic Books” sidebar).

In 2001, NOAA released a comic book called “Space Weather,” illustrated by Zander Cannon (http://www.bigtimeattic.com). Several years later, borrowing from the strong Japanese tradition of manga, Yohsuke Kamide, then at Nagoya University’s Solar-Terrestrial Environment Laboratory (STEL), began producing comic books about the Sun-Earth relationship.

In these books, the Japanese girl Mol and her robotic dog Mirubo explore their curiosity about space weather. Illustrated by Hayanon, a leading science cartoonist in Japan, and originally published in Japanese, these nine manga have been intensely promoted by the international Scientific Committee on Solar-Terrestrial Physics (SCOSTEP). “So far, these comic books have recorded more than 2 million hits per year at STEL and SCOSTEP,” said Kamide, now at Kyoto University but still involved with STEL outreach activities.

Inspired by NOAA’s comic book, scientists at the Center for Space Sciences at the University of Texas at Dallas developed a comic book in 2005 called “Cindi in Space” to highlight the Coupled Ion Neutral Dynamics Investigation (CINDI), a joint NASA/ U.S. Air Force–funded project. Built by the Center for Space Sciences, the CINDI instrument consists of two sensors, one for ions and one for neutral particles, designed to analyze their composition and dynamics in the ionosphere. CINDI is operating on the Air Force’s Communication/Navigation Outage Forecast Satellite (C/NOFS), which launched in April 2008.

The book, illustrated by Erik Levold, features an android girl named Cindi who searches space for space dogs: dogs with positively charged bodies and negatively charged tails. A dog with its tail is average, neutral, sedate. But if the dog eats an energy biscuit, his tail flies off, and the dog becomes positive and upbeat. This creates a quantity of dog tails floating around in space, searching for new owners. If a tail finds a new owner, the dog becomes neutral again and expels his energy biscuit. Cindi has special nets to count neutral and positive dogs, analogous to the two distinct CINDI instruments.

Why do comic books have so much appeal? “Comic books are easy for a general audience and kids to approach space weather and science in general,” Kamide said. “We use a girl, Mol, to try to encourage females to focus on science.” Kamide explained that Mol loves science and isn’t afraid to ask her teacher questions. “In this way, readers feel that science is everywhere in daily life.”

Keeping It Local

While many efforts to engage students in learning about space weather focus on ties to national standards, some groups instead focus their program more locally.

For example, Mary Urquhart, an associate professor of science and mathematics education at the University of Texas at Dallas, prepares educational materials for CINDI’s outreach pages (http://cindispace.utdallas.edu/education/index.html), which contain education materials specifically tailored for Texas state standards. But beyond simply supplying information on a Web site, Urquhart has integrated Web site materials into her university’s Regional Collaborative for Excellence in Science Teaching, a professional development program for teachers. “Each teacher is supposed to go out and train additional teachers after attending our workshops,” Urquhart said.

This is very different from just downloading something off the Web. “We found that actually trying something in a workshop makes a big difference as to whether or not it is actually used in the classroom or after-school science program,” Urquhart said.

A Focus on What Students Will Understand

Back in Alaska, Williams continues to prepare her lesson plans. “Ultimately, I have to pick activities that students will understand,” she said. “If I navigate to a Web site and I see that its content is too complex, I know that it will frustrate kids too much. So I’ll either modify or simplify the content, or I’ll skip it.”

For Traeger, in California, one of the hardest parts of his job is that several of his students are new to physics. “They don’t understand magnetic induction, so it’s hard to grasp how magnetic fields are made within the Earth,” he said. “Getting them to grasp what is meant by the solar wind is also difficult—they think that it is like the wind on Earth.”

Bringing abstract space weather concepts down to a level that kids can understand is, according to Johnson, the basic challenge for teaching kids about space weather. Easily understood Web resources (see “Educational Materials” sidebar) are critical. Nonetheless, “Many scientists have a hard time discerning the boundary between all the knowledge they have and what an eighth grader can understand,” Johnson said. “That is why people who focus on education in the geosciences, who are well grounded but have a love, passion, and talent for education, are so desperately important.”

Mohi Kumar is a staff writer for the American Geophysical Union.

Educational Materials

In addition to the Web sites listed in this article, several more can also help teachers introduce space weather to their students.

• National Science Education Standards (U.S.)
  http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=4962

• Solar and Heliospheric Observatory
  http://sohowww.nascorn.nasa.gov/classroom/for_students.html

• Sun|trek
  http://www.suntrek.org/

• Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University
  http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/ste-www1/doce/outreach.html#anc_booklets

• Space Weather Center
  http://www.spaceweathercenter.org/

• Spaceweather.com
  http://www.spaceweather.com/

空间气象，VOL.6，S09003，doi:10.1029/2008SW000437，2008

版权归美国地球物理联盟所有，2008年

儿童儿童空间天气

• 莫希 Kumar
• 发表于 2008年9月11日。

引用 :Kumar，M.(2008)，《儿童空间天气》，空间天气，6 ，S09003 ，doi:10.1029/2008SW 000437。

本学年，谢丽尔·威廉姆斯 (Cheryl Williams) 四年级到六年级的学生们可能可以仰望夜空，观察到一些很少有美国孩子看到过的东西 : 明亮的、漩涡状颜色的极光。

威廉姆斯在阿拉斯加州费尔班克斯的青年教育和支持服务小学任教，他说 : ”我的一些学生晚上可以从门廊上看到颜色跳舞。”“他们第二天早上来到学校，问问题。知道了这一点，我计划了一些活动，试图在满足我们教育标准的同时，让他们回答问题。”

在更远的南方，汤姆崔格 (Tom Traeger) 也在努力解决如何在满足成绩要求的同时吸引学生的问题。崔格在加州拉加拿大弗林特里奇的拉加拿大高中教授地球科学和地质学。“加州的教育标准要求高中生了解太阳内部的核聚变，以及行星的磁场，”崔格解释说。“我用这些标准来编织与太空天气相关的话题。”

威廉姆斯和崔格是美国为数不多的将与太空天气相关的概念引入课堂的教师，他们不仅与学生讨论太阳风暴是如何产生的，而且还讨论了这种风暴如何破坏卫星流、 zap 航天器电路和破坏电网的一般概念。

威廉姆斯的学生访问美国宇航局的网站，下载照片以保存太阳黑子日志。和他们的艺术老师一起，他们用粉彩创作自己的极光飘带照片。“我们学校关注的是有特殊需要的孩子。有些是双相情感障碍，有些是注意力缺陷障碍，许多是寄养儿童，”威廉姆斯解释说。“我必须让他们参与一些吸引他们注意力的活动，而且费用不高。”

崔格的学生使用教室里的磁强计和太阳望远镜来研究太空天气科目。他说 : “我们讨论了 11 年的太阳黑子周期，运动的电子如何诱导磁场，以及磁场是如何从地核产生的。”当然，我们也经常上网冲浪。”

威廉姆斯和崔格的经历凸显了对小学、初中和高中学生进行太空天气教育的两个重要挑战。首先，由于美国没有全国性的义务教育标准，课程由各州、学区和个别教师自行决定。其次，为了确保大多数教师能从一项活动中受益，太空天气课程计划必须易于理解、积极参与、实施成本低廉。

多年来，为了应对这些挑战，已经发展了几种创新方法。这些项目有一个共同的主线 : 它们以互动的方式将空间气象科学与标准联系起来。

课程创新

虽然没有强制性的国家标准，但美国国家科学院于1996年发布了《国家科学教育标准》 (national Science Education standards，NSES) ，旨在作为各州和学区制定科学教育要求的指南。这些标准建议教育学生，太阳是一颗恒星，太阳是光和热的来源，使地球变暖，产生我们的气候。

由于 NSES 中没有明确提到空间天气，课程开发人员必须有创造性。NATIONAL EARTH SCIENCE TEACHERS ASSOCIATION 执行主任、美国国家大气研究中心高空观测站的空间天气科学家罗伯特·约翰逊 (Roberta Johnson) 说 : ”光的部分为教师提供了一个了解空间天气、 X 射线和与太阳耀斑有关的科学任务的窗口。”但也许更明确的联系来自物理科学标准内的电和磁，她解释说 : “磁体、磁性、行星和太阳作为磁性物体——主要从现象上关注磁性，是非常有效的，因为孩子们喜欢它。这是一种无形的力量，就像魔法一样。”

约翰逊协调一个在线门户获取信息关于地球和空间科学。这个名为“宇宙之窗”的传送门包含关于地球和空间科学的入门教程和视频剪辑，重点是行动中的科学。该网站创建于1995 年(http://www.windows.ucar.edu) 包含超过 8000 页的内容，分为三个层次 (小学、初中和高中) ，并向教师提供了关于信息如何与 NSES 标准相关的具体说明。

宇宙之窗上的空间天气内容是由波士顿大学美国国家科学基金会科学技术中心综合空间天气建模中心 (CISM) 资助的。通过这一内容，学生和教师可以阅读电离层和极光，用交互式指南针搜索磁北，解决空间天气主题的词汇搜索，构建展示太阳耀斑演化的手翻书。约翰逊说 : ”我们与空间天气研究和航天器有关的页面每年大约有 200万到300万点击。”

与此类似，其他几个网站也试图通过关于太空天气的互动教学计划，将教师与 NSES 标准相匹配。例如，在美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 分支机构空间天气预测中心的网站上，教师可以下载参考标准的教课计划，指导学生如何建造分光镜，测量太阳常数，甚至模拟太阳风对地磁场的影响 ( 见 http://www.swpc.noaa) 。政府 / 教育 / index . html) 。

斯坦福大学的太阳能在线活动资源 (SOLAR) 中心提供nses 参考的课堂项目向学生展示如何测量太阳的角速度和旋转周期，设计太阳灶，并使用调 幅无 线电接 收检测 太阳 对通信 系统的 影响 ( 见http://solar-center.stanford.edu/) 。学生还可以听日震学的嗡嗡声，阅读关于太阳的民间传说和古代天文台，并在网上进行关于太阳的测验。 SOLAR 中心的教育和公共推广科学家约翰·贝克说 : ”我们想表明，太阳除了使我们的生活成为可能外，还为艺术和文化提供了灵感。”

有了这些资源，鼓励教师与 NSES 中规定的其他重要标准建立联系。约翰逊解释说 : ”空间天气非常适合处理自然事件对社会的影响的教育联系。”“还有与技术、科学史、科学作为一个过程相关的标准。钩子就在那里，我们只需要使用它们。”

孩子们是实时观察者