如何與火星探測器“通話”？

李海濤

2020年7月23日，我國首個火星探測器已出征奔向深空，將一步實(shí)現(xiàn)火星“繞、落、巡”探測。其中，環(huán)繞器環(huán)繞火星開展科學(xué)探測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展巡視勘察。

首次火星探測任務(wù)是我國第一個真正意義上的深空探測任務(wù)， 也是我國深空探測工程的首發(fā)任務(wù)。所謂深空測控，就是對運(yùn)行中的深空航天器進(jìn)行跟蹤、遙測和遙控以及數(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。它將對我國深空航天器的設(shè)計(jì)制造、深空測控和深空科學(xué)探測能力進(jìn)行全面檢驗(yàn)，積累深空探測任務(wù)工程實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)深空探測任務(wù)的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

什么是深空探測網(wǎng)？

深空測控系統(tǒng)是用于深空探測任務(wù)航天器跟蹤測量、監(jiān)視控制和信息交換的專用系統(tǒng)，其在深空探測任務(wù)中具有不可替代的重要地位和作用。深空測控系統(tǒng)一般由深空航天器上的星載測控分系統(tǒng)、分布于地面的深空測控站、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，將地面的多個深空測控站組成的測控網(wǎng)稱為深空測控網(wǎng)，特指專門用于深空航天器測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ脺y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)、信號處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度時間頻率系統(tǒng)，能完成對距離地球200萬千米以遠(yuǎn)深空航天器的測控任務(wù)。

為了克服地球自轉(zhuǎn)影響，實(shí)現(xiàn)對深空航天器的連續(xù)測控覆蓋，深空測控網(wǎng)的布局通常是在全球范圍內(nèi)經(jīng)度上間隔約120??布站，這樣就可以確保對距離地球表面距離3萬千米以上的航天器進(jìn)行連續(xù)測控。圖1為美國國家航空航天局（ NASA ）深空網(wǎng)布局對不同軌道高度航天器的測控覆蓋示意圖。

我國深空測控系統(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)的航天測控網(wǎng)完成40萬千米以遠(yuǎn)目標(biāo)測控任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離測控技術(shù)的突破。

目前，探月工程二期建設(shè)了國內(nèi)喀什和佳木斯兩個深空站，初步具備了獨(dú)立實(shí)施深空探測任務(wù)測控支持的能力。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深空站，從而形成了全球布局功能體系完備的深空測控網(wǎng)。其中，北京航天飛行控制中心作為中國月球與深空探測任務(wù)的操作控制中心，負(fù)責(zé)完成深空探測任務(wù)全過程的操作控制和運(yùn)行管理工作。

我國深空探測網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，我國深空探測網(wǎng)包括佳木斯、喀什、和阿根廷三個深空測控站在內(nèi)的全球布站的深空測控網(wǎng)，具備支持各類月球和深空探測任務(wù)的多頻段遙測、遙控、數(shù)據(jù)接收和跟蹤測量等功能，對深空航天器的測控覆蓋率達(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控網(wǎng)之一。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們深空測空網(wǎng)絡(luò)采用的測控頻率在逐步提升，這也使得測控精度、通信速率和作用距離大幅提升。

首次火星探測任務(wù)的測控挑戰(zhàn)

在我國首次火星探測任務(wù)中，深空測控網(wǎng)的測控支持距離將從探月工程的40萬千米進(jìn)一步延伸到4億千米遠(yuǎn)。相比于月球探測任務(wù)，測控距離增大了約1000倍，而無線電信號的傳播衰減是與距離的平方成反比的，這樣就帶來了巨大的信號衰減。也就是說，航天器發(fā)射相同功率的信號，相比于月球探測任務(wù)，在火星距離地球最遠(yuǎn)點(diǎn)時，地面只能收到原來信號的100萬分之一。

為了提高深空測控網(wǎng)的接收能力，在我國喀什深空站建設(shè)了3個35米口徑新天線，與原有的1個35米天線組成天線陣系統(tǒng)，通過天線組陣接收技術(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米深空測控設(shè)備相當(dāng)?shù)乃?，從而?shí)現(xiàn)了更強(qiáng)更遠(yuǎn)的測控能力。所謂天線組陣接收技術(shù)，就是利用地面多個天線組成天線陣列，將各個天線所接收到的信號進(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)距離信號的有效接收（圖5）。

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

火星到地球的距離最近約為5500萬千米，最遠(yuǎn)距離則超過4億千米。而4億千米遠(yuǎn)的距離，無線電信號以每秒30萬千米的速度傳播，單程的傳播時間就要達(dá)到約22分鐘，即使是距離最近的時候，也要有約3分鐘延遲。這樣大的時間延遲給測控任務(wù)的實(shí)施也帶來了很大的挑戰(zhàn)。比如，當(dāng)?shù)孛嫔羁諟y控站接到信號時，這個信號是航天器在22分鐘前從火星發(fā)送來的;而地面深空測控站向火星探測器發(fā)射信號后，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)慎考慮這種大的時間延遲給火星探測任務(wù)飛行控制所帶來的影響，稍有差池就有可能引發(fā)災(zāi)難性后果。

結(jié)束語

2020年是火星探測活動的窗口期，火星探測是該年國際航天發(fā)射活動中的絕對亮點(diǎn)。此刻，“天問一號”正在前往火星途中。我國的深空測控網(wǎng)將全力為其提供測控支持，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4億千米深空探測器的遙測、遙控和軌道測量。讓我們共同祝愿它順利登陸火星，為我們上演一部中國人自己導(dǎo)演的火星探測大片。