飛往火星的4億公裡路程,誰在給「天問一號」導航

我國第一個火星探測器——「天問一號」正在趕赴火星的徵途中，探測器將在當前軌道飛行約4個月後與火星交會，期間將實施兩到三次軌道中途修正。在飛往火星的遙遠路程中，是誰在給「天問一號」導航？請聽火星/探月任務VLBI分系統副主任設計師吳曉靜在「造就Talk」上講述「天問一號」的故事。以下為演講主要內容。

吳曉靜在演講中。（圖片由「造就Talk」提供）

『如何為火星探測器導航』

今天我給大家講一講VLBI是怎麼給「天問一號」導航的。

在北京飛控中心給探測器發出的控制指令，是為了給探測器定軌，控制它平穩地飛在預設的奔火軌道上。而定軌離不開測量，測量就是VLBI要做的事情。

VLBI，簡單來說，就是為探測器開個導航。從字面上理解，VLBI是Very Long Baseline Interferometry，也就是「甚長基線幹涉測量」。從原理上來講，甚長基線幹涉測量就是用多個遠距離望遠鏡接收同一天體的無線電波信號，進行幹涉處理運算，從而獲得射電圖像。

VLBI的測量值包括時延、時延率、幅度、相位等，分別描述射電源的位置信息以及亮度分布信息。中國的VLBI網分布在我國的4個省區市，分別是上海、北京、新疆和雲南昆明，其解析度相當於一臺口徑為3000公裡的綜合望遠鏡。

在探月或深空任務中，VLBI分系統屬於測控系統。它對垂直於探測器視線方向上的位置變化有很高的靈敏度，能與提供視線方向上的測距測速數據形成互補。VLBI技術的優勢在於短弧定軌，尤其是關鍵控制點（如中途修正）的軌道預報。比如，月球探測衛星「嫦娥二號」在奔赴距離地球約150萬公裡的拉格朗日點L2點時，在中途修正後的6小時短弧定軌，僅使用測距測速，定軌位置誤差約45公裡，速度誤差為0.18m/s；而加入VLBI後，定軌誤差為6公裡，速度誤差為0.03m/s。定軌精度可以提高一個量級。

這次火星探測任務中，VLBI要做的工作就是對火星探測器進行測量和定軌，並對探測器飛行過程中的軌控和姿控過程進行監視和測量，特別是在中途修正、近火減速等這些關鍵控制點上突顯作用。

為什麼一直要強調精度？因為如果精度不夠，探測器將可能失聯，或者在近火段與火星擦肩而過，也可能直接撞上火星。1998年，火星氣候軌道器在進入火星軌道時就曾經失聯。這個夭折事件說明，未使用VLBI技術，不能及時發現問題可能會導致任務失敗。

『解決火星巡航的三大難點』

「天問一號」在火星巡航時有哪些難點？

第一個難點是距離。火星離地球的最遠距離是4億公裡——是地月距離的1000倍。無線電波在以光速向外輻射時，強度是以傳播距離的平方衰減的。億級距離的信號，在傳輸到地球上的時候已經嚴重衰減。通常是採用更大口徑的天線來接收弱信號，而目前我國VLBI地面天線較大口徑的只有65米的天線，所以必須從技術處理手段上來提高探測器的檢出能力。

第二個難點是時延。月球的單程通信是1.3秒，我們幾乎可以實時控制月球探測器。但是火星的最遠單程通信需要22分鐘，也就是說地面不能及時對探測器進行控制。我們只能儘可能地減小測軌誤差。

我們假設VLBI時延測量誤差為1ns(0.3m)，那麼對於2億公裡遠的探測器來說，其測軌誤差約為2億公裡/3000km(基線)×0.3m=20km。所以，要想提高火星探測器的軌道精度，我們必須想辦法提高VLBI的時延測量精度。

而且，在信號傳輸過程中，還會有大氣層、電離層、太陽風暴等各種可能影響精度的誤差因素，地面設備在接收信號時也會有不同的時延誤差。為此，我們通過研製新的硬體設備、改進軟體算法等方法來盡力修正誤差。

第三個難點是定軌。登陸火星的任務簡單來說可以分為三個階段：奔火段、環火段、火面工作段。

在奔火過程中，衛星軌道的動力學約束是很弱的，定軌精度幾乎取決於測量精度，所以VLBI是必需的。這個階段長達6.5個月，VLBI需要長時間穩定可靠地提供高精度測量結果。在這個階段，定軌模型設計需要考慮高精度的運動建模以及中長期的軌道預報。

在環火階段，衛星的軌道約束力比較強，測距測速可以提供軌道預報，若加上VLBI，很快就可以定軌。這個階段VLBI定軌需要建立火星自轉參考系，考慮各天體的旋轉關係和位置關係。

探測器的軌道，選擇了最簡單也是變軌最少的霍曼轉移軌道。通過兩次加速推進，就可以到達火星環繞所需的軌道。我們也根據VLBI的實測數據，選擇了最優的定軌策略。

『VLBI的發展與未來』

從「天問一號」發射至今的實測數據來看，在4個VLBI站10度以上的全仰角觀測，時延精度可以達到0.2-0.3ns。這個精度應該說是達到了國際先進水平。

我們的探測器到過月球，明年要到火星，那麼將來它還會去哪裡？還會去探測小行星、木星，甚至更遠的地方。我們會繼續去探測有液態水的星球，去尋找有生命的天體。

可是，越往深空探測，測控通信和軌道巡航就越難。我們應該怎麼繼續提高深空領域VLBI的測量精度呢？一、我們可以通過建設更多像天馬望遠鏡那樣65米大口徑的天線，提高深空領域弱信號的搜索能力。二、我們可以走出去，建設空間VLBI站，大幅度增加VLBI的基線長度，來提高它的解析度。

VLBI分系統不僅能應用於天文學研究或者航天工程，也可以應用於大地測量、天體物理、地球動力學等各個領域。比如去年轟動一時的黑洞照片，就是利用VLBI的高解析度特徵獲得的。

從月球到火星，再到黑洞，我們不斷探索VLBI技術的可能性和可拓展的空間，試圖去探索更深層次的宇宙現象。畢竟，奧妙的宇宙值得我們去看一看，那裡有我們眼睛看不到的地方。