「和火星探測器打個招呼」 ——火星探測器的測控是如何實現的『太空科普』

2020-08-11 我們的太空

天問一號火星探測器成功發射後，正在地火轉移軌道上飛馳。經過近7個月的飛行後最終抵達火星，經過近火制動進入環火軌道，開展相關的探測活動。測控系統作為聯繫天地的生命線，在任務全過程中具有極其重要作用。對距離地球數千萬乃至上億公裡遠的火星探測器進行測控，主要是完成探測器下行遙測數據接收、上行遙控指令發送，同時對探測器進行測軌等工作。對於上述的遠距離條件下的測控工作，我們可以形象的描述為「和遠方的朋友打招呼」。

在日常的生活中，遇見了朋友習慣性的打招呼問好。而如果我們想和父母聯繫，我們通常會拿起手機與父母進行視頻聊天，我們的聊天信息通過四通八達的通信網絡傳遞，和見面打招呼一樣。在地球空間站裡面的航天員想和地面的家人聯繫，則需要藉助地面的測控設備，通過射頻信號完成信息傳遞，此時幾乎和見面打招呼一樣。如果航天員在月球軌道上，地面要與航天員打招呼時請保持耐心，此時航天員距離地球約40萬千米，電磁波信號在空間傳播時間（光行時）為1.3秒，在打招呼2.6秒後才收到對方的回應。而想要與火星探測器打個招呼，則情況會更複雜了。


我們給的建議是：首先保持足夠的耐心，其次請找準方向，最後找好聯絡員。


首先，來說一說保持足夠的耐心。

火星的探測器到地面的最遠距離為4億千米，電磁波信號的光行時為22.22分鐘。假設這個時候你正在和心愛姑娘表白，你的信息發出去了，可是不見消息回來，你左顧右盼、寢食難安、茶飯不思，對方是幾個意思？22.22分鐘過去了，22.22分鐘過去了，嗯好吧，估計沒意思吧。如果那位姑娘遠在火星，那可就不一樣。22.22分鐘她收到信息，興奮不已，22.23分鐘她編輯信息回復，44.45分鐘你收到她的回信。所以請保持耐心，堅持到44.45分鐘後。

打招呼之足夠耐心示意


再來說一說找準方向。

對於近地空間站的航天員，由於到距離地球較近，地面站直接對準當前探測器的位置方向即可打招呼。對於火星探測器，按照相對速度10km/s考慮，經過22.22分鐘光行時後探測器已運動至1.3萬千米外，如果地面站還是對準當前探測器的位置方向，太空飛行器肯定收不到地面的信號。為此，好在太空飛行器的運動是能夠精準計算的，因此地面站可以指向探測器未來的位置方向，保證經過22分鐘光行時，地面的信號剛好被接收到。

打招呼之找準方向示意


最後說一說聯絡員。

對於探測器尤其是火星表面的火星車，由於火星本體遮擋，探測器無法與地面建立直接的聯繫。這時候就需要充分利用聯絡人來實現打招呼啦。我國首次火星探測任務中環繞器就充當聯絡人的角色，地面先將打招呼的信息送給環繞器，然後由環繞器轉達至火星車。目前，在火星的軌道上還有美國和歐空局的多個軌道器，這些探測器採用了相同的協議，都可以充當聯絡人的角色。

打招呼之找好聯絡員示意

實際地面與火星探測器之間的測控示意

為了適應我國月球和深空探測任務需求，我國已建成了佳木斯66米、喀什35米和阿根廷35米三個深空測控站（如圖5所示），各項技術指標達到國際先進水平。在天問一號火星探測任務中，我國的深空測控網三大主力將全部投入測控支持。以足夠的耐心、精準的方向和天問一號打好招呼，實現對探測器4億公裡距離的遙測、遙控和軌道測量。

佳木斯深空站66米、 喀什深空站35米、阿根廷深空站35米深空測控設備

來源 | 我們的太空（ID：ourspace0424）作者 | 陳少伍、李海濤編輯 | 麻雨潔郵箱 | ourspace0424@163.com

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