如何與火星探測(cè)器“通話”？

李海濤

2020年7月23日，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器已出征奔向深空，將一步實(shí)現(xiàn)火星“繞、落、巡”探測(cè)。其中，環(huán)繞器環(huán)繞火星開(kāi)展科學(xué)探測(cè)并為巡視器提供中繼通信服務(wù)，著陸巡視器在火星表面開(kāi)展巡視勘察。

首次火星探測(cè)任務(wù)是我國(guó)第一個(gè)真正意義上的深空探測(cè)任務(wù)， 也是我國(guó)深空探測(cè)工程的首發(fā)任務(wù)。所謂深空測(cè)控，就是對(duì)運(yùn)行中的深空航天器進(jìn)行跟蹤、遙測(cè)和遙控以及數(shù)據(jù)傳輸，以確定航天器飛行軌道和空間位置，監(jiān)視航天器各分系統(tǒng)或部件的工作狀態(tài)，向航天器發(fā)送控制指令。它將對(duì)我國(guó)深空航天器的設(shè)計(jì)制造、深空測(cè)控和深空科學(xué)探測(cè)能力進(jìn)行全面檢驗(yàn)，積累深空探測(cè)任務(wù)工程實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

什么是深空探測(cè)網(wǎng)？

深空測(cè)控系統(tǒng)是用于深空探測(cè)任務(wù)航天器跟蹤測(cè)量、監(jiān)視控制和信息交換的專用系統(tǒng)，其在深空探測(cè)任務(wù)中具有不可替代的重要地位和作用。深空測(cè)控系統(tǒng)一般由深空航天器上的星載測(cè)控分系統(tǒng)、分布于地面的深空測(cè)控站、深空任務(wù)飛行控制中心以及將地面各組成部分連接在一起的通信網(wǎng)組成。通常，將地面的多個(gè)深空測(cè)控站組成的測(cè)控網(wǎng)稱為深空測(cè)控網(wǎng)，特指專門(mén)用于深空航天器測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ脺y(cè)控網(wǎng)。其特點(diǎn)是配有大口徑拋物面天線、大功率發(fā)射機(jī)、極高靈敏度接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度時(shí)間頻率系統(tǒng)，能完成對(duì)距離地球200萬(wàn)千米以遠(yuǎn)深空航天器的測(cè)控任務(wù)。

為了克服地球自轉(zhuǎn)影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)深空航天器的連續(xù)測(cè)控覆蓋，深空測(cè)控網(wǎng)的布局通常是在全球范圍內(nèi)經(jīng)度上間隔約120??布站，這樣就可以確保對(duì)距離地球表面距離3萬(wàn)千米以上的航天器進(jìn)行連續(xù)測(cè)控。圖1為美國(guó)國(guó)家航空航天局（ NASA ）深空網(wǎng)布局對(duì)不同軌道高度航天器的測(cè)控覆蓋示意圖。

我國(guó)深空測(cè)控系統(tǒng)是伴隨著探月工程“繞、落、回”三步走的戰(zhàn)略步伐逐步建設(shè)和發(fā)展起來(lái)的，歷經(jīng)了探月工程一期利用服務(wù)于地球軌道衛(wèi)星任務(wù)的航天測(cè)控網(wǎng)完成40萬(wàn)千米以遠(yuǎn)目標(biāo)測(cè)控任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離測(cè)控技術(shù)的突破。

目前，探月工程二期建設(shè)了國(guó)內(nèi)喀什和佳木斯兩個(gè)深空站，初步具備了獨(dú)立實(shí)施深空探測(cè)任務(wù)測(cè)控支持的能力。在探月工程三期中，我們建設(shè)了位于南美洲阿根廷的第三個(gè)深空站，從而形成了全球布局功能體系完備的深空測(cè)控網(wǎng)。其中，北京航天飛行控制中心作為中國(guó)月球與深空探測(cè)任務(wù)的操作控制中心，負(fù)責(zé)完成深空探測(cè)任務(wù)全過(guò)程的操作控制和運(yùn)行管理工作。

我國(guó)深空探測(cè)網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)深空探測(cè)網(wǎng)包括佳木斯、喀什、和阿根廷三個(gè)深空測(cè)控站在內(nèi)的全球布站的深空測(cè)控網(wǎng)，具備支持各類月球和深空探測(cè)任務(wù)的多頻段遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)接收和跟蹤測(cè)量等功能，對(duì)深空航天器的測(cè)控覆蓋率達(dá)到了90%以上，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)也達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是目前世界上功能完備、全球布局的三大深空測(cè)控網(wǎng)之一。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們深空測(cè)空網(wǎng)絡(luò)采用的測(cè)控頻率在逐步提升，這也使得測(cè)控精度、通信速率和作用距離大幅提升。

首次火星探測(cè)任務(wù)的測(cè)控挑戰(zhàn)

在我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中，深空測(cè)控網(wǎng)的測(cè)控支持距離將從探月工程的40萬(wàn)千米進(jìn)一步延伸到4億千米遠(yuǎn)。相比于月球探測(cè)任務(wù)，測(cè)控距離增大了約1000倍，而無(wú)線電信號(hào)的傳播衰減是與距離的平方成反比的，這樣就帶來(lái)了巨大的信號(hào)衰減。也就是說(shuō)，航天器發(fā)射相同功率的信號(hào)，相比于月球探測(cè)任務(wù)，在火星距離地球最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，地面只能收到原來(lái)信號(hào)的100萬(wàn)分之一。

為了提高深空測(cè)控網(wǎng)的接收能力，在我國(guó)喀什深空站建設(shè)了3個(gè)35米口徑新天線，與原有的1個(gè)35米天線組成天線陣系統(tǒng)，通過(guò)天線組陣接收技術(shù)，使得喀什深空站在X頻段深空任務(wù)接收能力達(dá)到與佳木斯深空站66米深空測(cè)控設(shè)備相當(dāng)?shù)乃剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)了更強(qiáng)更遠(yuǎn)的測(cè)控能力。所謂天線組陣接收技術(shù)，就是利用地面多個(gè)天線組成天線陣列，將各個(gè)天線所接收到的信號(hào)進(jìn)行合成，從而達(dá)到等效增大天線口徑的效果，以實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)距離信號(hào)的有效接收（圖5）。

此外，在此次任務(wù)中還采用了我國(guó)清華大學(xué)發(fā)明的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 LDPC 信道編碼，進(jìn)一步提升了首次火星探測(cè)任務(wù)的數(shù)據(jù)接收性能。

火星到地球的距離最近約為5500萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)距離則超過(guò)4億千米。而4億千米遠(yuǎn)的距離，無(wú)線電信號(hào)以每秒30萬(wàn)千米的速度傳播，單程的傳播時(shí)間就要達(dá)到約22分鐘，即使是距離最近的時(shí)候，也要有約3分鐘延遲。這樣大的時(shí)間延遲給測(cè)控任務(wù)的實(shí)施也帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。比如，當(dāng)?shù)孛嫔羁諟y(cè)控站接到信號(hào)時(shí)，這個(gè)信號(hào)是航天器在22分鐘前從火星發(fā)送來(lái)的;而地面深空測(cè)控站向火星探測(cè)器發(fā)射信號(hào)后，也要等22分鐘才能到達(dá)火星。因此，地面的任務(wù)中心就必須謹(jǐn)慎考慮這種大的時(shí)間延遲給火星探測(cè)任務(wù)飛行控制所帶來(lái)的影響，稍有差池就有可能引發(fā)災(zāi)難性后果。

結(jié)束語(yǔ)

2020年是火星探測(cè)活動(dòng)的窗口期，火星探測(cè)是該年國(guó)際航天發(fā)射活動(dòng)中的絕對(duì)亮點(diǎn)。此刻，“天問(wèn)一號(hào)”正在前往火星途中。我國(guó)的深空測(cè)控網(wǎng)將全力為其提供測(cè)控支持，全部6套大口徑深空天線將全部投入使用，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)4億千米深空探測(cè)器的遙測(cè)、遙控和軌道測(cè)量。讓我們共同祝愿它順利登陸火星，為我們上演一部中國(guó)人自己導(dǎo)演的火星探測(cè)大片。