以下文章来源于中国科学杂志社 ，作者中国科学物理辑
□ 李文潇 陈略
近日，北京航天飞行控制中心与中国科学院国家天文台联合团队和北京跟踪与通信技术研究所合作，在《中国科学：物理学 力学 天文学》公开发表了高精度无线电开环测速新技术在嫦娥五号探测器测定轨中的应用，并分析了其在引力红移验证应用中的可行性，为无线电测量新技术在深空探测工程任务与科学研究提供了重要依据。
图1 在不同高度差上验证时钟变快（图源：Nature）
1915年爱因斯坦在提出了广义相对论物理学理论，其核心是时空弯曲。在弯曲的时空中，自由粒子沿着测地线或短程线运动。这条曲线的形状取决于时空的弯曲程度，因此在一个弯曲的时空中，物体的运动轨迹可能会产生弯曲、扭曲和变形。广义相对论指出，引力场越强，时间就越慢，从而改变电磁波的频率。
图2 地球附近弯曲时空示意
（图源：https://www.sohu.com/a/361426856_120085179）
图3 地月系统弯曲时空示意
（图源：http://mt.sohu.com/20180614/n540770200.shtml）
地球所在的太阳系行星际空间，是人类开展引力理论检验等实验的重要试验场。当前人类已发射多个深空探测器，探测研究太阳系内各大天体，其中金星、火星、木星、土星、冥王星以及太阳系内小天体是国际深空探测的热门对象。太阳系的多天体环境，为引力理论研究提供了绝佳机会。
图4 深空探测器对地工作示意
（图源：https://space.skyrocket.de/doc_sdat/tianwen-1.htm）
在地球空间，借助欧空局发射入轨失败的伽利略导航卫星，法国和德国的研究人员相互独立地检验了引力红移的正确性。伽利略卫星的独特特性，特别是其星载原子钟的高度稳定性、精密定轨的高精度以及星上激光反光镜的存在，使得能够从地面进行独立和非常精确的轨道测量，为消除时钟和轨道误差提供了最有利的支撑，引力红移理论的验证精度得到了很大提高。
图5 伽利略导航卫星引力红移验证试验结果（Delva P, et al., 2018）
在土星探测任务中，地面站跟踪遥测Cassini号探测器，高精度测速结果为无线电科学研究提供了有利数据。在Cassini号探测器跟踪试验中，广义相对论验证是太阳系内引力理论检验的一次重要机会。可惜的是，Cassini任务期间没能开展引力红移检验试验，但其相对于地球的跨太阳会合轨道优势，为后牛顿参数的验证提供了有利条件。
图6 Cassini号探测器引力理论验证试验结果（Bertotti B, et al., 2003）
地基无线电测量是确保深空探测任务顺利实施不可或缺的重要技术手段, 借助深空探测器与地面测控站之间的微波通信和测控链路, 可以实现对引力理论的高精度检验与验证。利用深空探测器微波通讯、测控信号，开展引力红移检验实验，是高精度微波测量的应用研究方向之一。
图7 深空测控地面站（左图：66米天线；右图：35米天线）（ Li W X, et al., 2020）
图8 太阳与地球的引力势分布示意
（图源：https://www.scimall.org.cn/article/detail?id=6005911）
文章从理论上改进了单引力体环境下频率信号引力红移的一级近似表达式，对多天体复杂环境引力红移和计算表达提供了理论依据。随着我国深空探测事业的发展，国内深空探测器逐渐增多，借助这些探测器，我们可以进行更加复杂的引力红移检验实验。
图9 嫦娥五号探测器开环测速
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。在开环测速模式下，深空探测器下行信号通过地面测站天线接收、下变频、数字化、采集与记录，并可远距离传输至信号处理中心，在中心端通过信号处理软件系统，实现深空探测器高精度测速。采用开环测速模式后，可降低地面测控复杂性，可简化测站操作，可实现更加灵活高效测量，可提供几何构型更丰富的观测量。嫦娥五号探测器开环测速如图9所示。
文章提出并实现了一种基于信号重构互相关的开环测速多普勒频率提取新方法，该方法通过探测器原始信号处理方式，对深空探测器的主载波（或副载波、侧音）信号，采用粗估计、精细估计、残余频率估计等策略，实现对探测器多普勒频率精确估计，并有效应用于嫦娥五号探测任务中。
借助高精度测量能力，在地球和月球体复杂引力场环境下，有机会精细化测量电磁波频率的引力红移。文章进一步使用改进的引力红移表达式，评估了以现有CE-5轨道器开环测速结果，从量级上分析了检验引力红移可靠性的程度，并建议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。本成果将为后续我国深空探测任务与行星无线电科学研究提供重要支撑，为空间科学与理论物理提供检验实验的最佳机会。
研究成果发表在由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的《中国科学: 物理学 力学 天文学》上，该论文共同第一作者陈略（北京航天飞行控制中心与中国科学院国家天文台兼职研究员）、李文潇（中国科学院国家天文台研究助理），通讯作者是陈略、李文潇。该研究得到国家自然科学基金(编号: 11973015, 11833001)和国家重点基础研究发展计划(编号: 2021YFA0715100、2021YFA0715101)联合资助。
陈略, 李文潇, 李海涛, 金洪波, 孔静, 王美, 路伟涛, 杨小锋, 谢剑锋. 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. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2023, 53: 239610，DOI：10.1360/SSPMA-2022-0319
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