觅音计划项目团队在空间合成孔径干涉仪任务设计取得突破

觅音计划团队联合北京理工大学的研究人员在空间合成孔径干涉仪系统用于系外行星探索的任务设计方面取得了重要进展。该研究团队提出了一种创新的系统架构和任务配置，为未来的系外行星探索任务提供了技术支撑和可靠参考。相关文章于（时间）发表在《Space: Science and Technology》上。

该任务设计紧扣觅音计划的科学目标，旨在观测多种天体，包括太阳系外的宜居行星、太阳系天体、原行星盘和活跃的星系核。为了在太阳系近邻中搜寻和证认系外宜居行星，观测需要满足“高分辨率、高灵敏度、高对比度、宽谱红外”的“三高一宽”要求。

为了满足上述需求，阵列望远镜系统由一个中央合束器和四个均匀分布在周围的集光器组成，如图1所示。集光器包括收集光系统和望远镜探测器，而合束器包括组合光学系统和干涉测量设备。

图1 阵列望远镜系统的在轨观测场景

在观测时，干涉阵列通常对准要观测的恒星。通过引入π相移（半波长），两元消零干涉仪可以在零阶位置互相抵消，从而实现行星光的高对比度和高分辨率成像。四元消零干涉仪通过引入另一对干涉光束的逆信号，大大拓宽了消零范围，并提高了消零深度。

图2 旋转坐标系中的系外行星探索任务轨道

在任务轨道选择和转移轨道设计方面，为保证观测效果，理想的任务轨道应远离地球附近的电磁干扰，且具备稳定的动态环境，减少轨道维护频率。常见的候选任务轨道包括太阳-地球拉格朗日点轨道和地球尾随轨道：太阳-地球拉格朗日点轨道由于三体动力学特性，该轨道能与地球和太阳保持相对固定位置，便于跟踪和控制，并可通过稳定的不变流形转移入轨，基本不需要发射后的额外能量，具备长时间在轨工作能力。相比之下，地球尾随轨道需更高的发射能量和轨道修正操作。

利用目标任务轨道的稳定不变流形，可以找到低能量的转移机会。设计过程中，首先根据圆限制三体问题（CRTBP）生成目标任务轨道的稳定流形，并选择接近地球的分支。然后，选择满足停车轨道高度约束的相应流形作为转移轨迹的初始猜测。最后，使用常规差分修正方法优化转移轨道。

图3 转移轨道和系外行星探索任务轨道：(a) 地球 J2000 坐标系；(b) 太阳-地球旋转坐标系。

本项任务设计创新性地通过多卫星形成长基线干涉仪进行高精度干涉测量，显著提高观测分辨率。同时利用稳定不变流形实现低能量转移进行低能耗轨道设计，提高任务的燃料效率。另一方面，采用切向瞄准方法进行高精度编队维护，确保稳定的阵列配置。

该研究设计的任务将为未来的系外行星探索任务提供技术支持和可靠的参考。通过合理的轨道设计和高精度的轨道维护方法，空间合成孔径干涉仪系统将显著提升天文学观测的分辨率和灵敏度，推动系外行星探索进入一个新的高分辨率观测时代。

成果论文链接：

Jia, F., Li, X., Huo, Z., & Qiao, D. (2022). Mission Design of an Aperture-Synthetic Interferometer System for Space-Based Exoplanet Exploration. Space: Science & Technology, 2022, Article ID 9835234. https://doi.org/10.34133/2022/9835234