火星探測器那麼遠，怎麼跟它通信？

2020-10-06 太空精釀

光速約為30萬千米/秒，這是電磁波的傳播速度，也是人類能接觸和掌握的最快速度。它僅需0.13秒就能繞地球一周，人類使用通信設備時甚至無法察覺到電磁波的微弱時延。

然而，這個速度在地球和火星之間就會顯得「不夠快」。

截至2020年9月中旬，中國首個火星探測器「天問一號」已經連續飛行了1.5億千米的旅程，這個長度接近1個天文單位，也就是地球和太陽之間的距離，如果按照光速飛行需要500秒才能走完。而「天問一號」到火星後，地球和火星最遠的距離可以到4億千米，即便電磁波光速往返通信都需要耗時超過45分鐘，這足夠光速圍繞地球走完2萬圈！

距離還帶來了一個顯而易見的挑戰：隨著距離增加，探測器通信信號強度的衰減速度與距離的平方成正比，自身硬體噪聲和宇宙背景噪聲的幹擾相較而言變得變強。此外，地球在自轉，火星也在自轉，它們巨大的體積都會遮擋住身後的信號，極大影響通信。對於深空探測任務而言，也必須通過地面天線時刻保持對探測器的高精度跟蹤導航與定位，否則就容易「失之毫釐謬以千裡」。

正如兩個人聊天，如果距離過遠（地球火星距離）、環境過於嘈雜（自身硬體和宇宙背景噪聲）、還經常捂住耳朵（自轉等因素幹擾），聊天交流的質量可想而知。一旦丟失掉有效信息（無法跟蹤捕獲對方信息），就很難再恢復連續對話，只能「尷尬冷場」。地球與火星探測器之間交流通信也存在這個問題。

為了解決這一系列問題，科學家和航天工程師們需要想出一系列的方案，實現高精度、全天時的地球和火星之間通信。


1.大尺寸的深空通信天線


人類發射深空探測器的難度極大，例如「天問一號」重量在5噸左右，但它需要重達870噸的長徵五號發射。它又包括環繞器、著陸器和巡視器三大部分，攜帶了13項科研儀器。環繞器是其中核心，它攜帶了能量系統、推進系統、姿控系統、支撐結構和通信系統等重要組成，其中就包括通信天線【1】。

然而，由於火箭整流罩內尺寸、探測器自身結構穩定性、能量供應能力（所有分系統都需要耗電）等限制，天線註定無法做到很大。為保證「天問一號」的天線能正常工作，就必須要求地面端補償：一方面能儘可能發射大功率信號、抵達天問一號時能被天線捕獲，另一方面也能接收到「天問一號」發射回地球的極其微弱信號。

能同時實現這些要求，就必須依靠巨大尺寸的天線，它是深空通信的核心，尺寸/直徑越大往往意味著更大的信號發射強度和接收靈敏度。對於「天問一號」而言，需要數個35-70米直徑的天線為之服務。

©️新華網


例如，中科院國家天文臺建在天津的70米直徑天線，是亞洲最大的單口徑全可動天線，主要用來接收「天問一號」各種科學載荷數據。它的面積接近10個籃球場大小，總重超過2700噸！【2】


2.全球無死角覆蓋深空通信網絡


由於地球是球形且在不斷旋轉，每個地面天線能夠覆蓋的天域總是有限的，所以需要在全球範圍內部署深空站才能保持全天時的與深空探測器通信。理想情況下，三個間隔120度、均勻分布的深空站即可實現，例如NASA深空通信網在金石（美國）、坎培拉（澳大利亞）和馬德裡（西班牙）部署。

©️董光亮等【3】


中國的方案是佳木斯（國土最東部）、喀什（國土最西部）和薩帕拉（阿根廷西部）部署深空站，足以實現超過92%天域覆蓋的有效通信，其他站點也可以參與測控通信和有效載荷科研數據接收等。此外，中國的深空通信網也積極參與國際聯網，利用龐大網絡的甚長基線測量等方案高精度跟蹤天問一號位置。中國目前是僅次於美國和歐洲的第三個擁有全球布站深空通信網的國家【3】。


3.信號傳輸和處理技術升級


硬體基礎之外，另一決定性意義的是軟體基礎：如何將這些硬體的能力發揮到極致，甚至超出它們的設計效果？

隨著深空探測器的功能越來越多、攜帶的有效載荷變得越發複雜，一個直觀的體現就是需要發回地球的數據量急劇增加、信號強度卻更加微弱，靠不斷增加地面天線尺寸並不能從根本上解決問題。因而，需要研究多個天線組成大型陣列，通過複雜的數據協同融合分析技術，起到一個巨大尺寸天線的效果，提升整體接收性能。

以嫦娥任務為例，多天線接收信號融合後才會出現最理想的科研結果©️董光亮等【3】


所有的天線硬體都會存在熱噪聲、誤碼率、相位時延和各種誤差源等，有效減少這些影響也等同於提高硬體核心性能。在傳統的信號波段S、C、X（2-12GHz）等之外，很多深空探測器的數據傳輸速率和量級需求也大幅提升，這要求使用Ku/K/Ka（12GHz+）甚至頻率更高的波段信號，這往往意味著深空通信網硬體和軟體系統的全方位升級，也是深空探測領域長遠發展必須要做的投入。


「天問一號」的背後是整個中國「天問」行星探測系列任務的龐大計劃，中國的深空通信網，也在時刻升級中。


【1】耿言, 周繼時, 李莎, 付中梁, 孟林智, 劉建軍, 王海鵬. 我國首次火星探測任務[J]. 深空探測學報(中英文）, 2018, 5(5): 399-405.

【3】董光亮，李海濤，郝萬宏，等. 中國深空測控系統建設與技術發展[J]. 深空探測學報，2018， 5(2):99-114.


相關焦點

  • 原來天問一號火星探測器是這麼與地球通信聯繫的？
    今年，將有三國發射火星探測器，先前20號阿聯「希望」號火星探測器發射成功之後，一下子點燃了火星探索的熱潮。咱們中國的天問一號今天也順利地發射成功啦！祝賀，祝賀！！！天問一號的成功發射，少不了工程師們艱苦的技術攻關研究，深空探索設計的科學技術太多了，像天體引力學，火箭發射技術，太空飛行器通信技術等等。就拿太空飛行器通信技術來說，天問一號的火星之旅的可靠通信就非常的重要，那麼天問一號探測器到達火星之後，如何與地球聯繫呢？
  • 洞察號到火星距離那麼遠,人類如何操控它?這是什麼原理
    太陽系有八大行星，這是人類探索的重點，這其中火星是科學家關注度最高的一顆行星。科學家對火星如此關注，最主要的原因是它和地球的環境有些相似，探測器可以登陸火星。其它的行星科學家也非常想探索，比如金星，如果金星表面和火星差不多，科學家最想探索的應該會是金星，它離地球近，而且還是地球的姐妹星。那為什麼科學家不去登陸探索金星呢？
  • 探測器拍攝到火星北極雪崩的場面,壯觀激烈,它是如何發生的?
    火星是人類走出地球的半個多世紀以來，探索最多的行星。它是地球的鄰居，跟地球有許多相似之處，50年前科學家就開始了對火星的探測，先後向火星發射了不少的探測器，包括軌道探測器和著陸探測器。通過探測器對火星的一系列探測，我們對火星已經有了許多的認知。
  • 中國首次火星探測任務「天問一號」探測器飛行路程達1.37億千米
    央廣網北京9月12日消息 據中央廣播電視總臺中國之聲《新聞晚高峰》報導，據中國國家航天局探月與航天工程中心發布的消息，截至9月11日上午9點，中國首次火星探測任務「天問一號」探測器飛行路程達1.37億千米，距離地球約1530萬千米。目前，探測器姿態穩定、能源平衡，相關工作按計劃穩步推進。那麼進程怎麼樣？
  • 中國首次火星探測任務「天問一號」探測器飛行路程達1.37億千米
    目前，探測器姿態穩定、能源平衡，相關工作按計劃穩步推進。那麼進程怎麼樣？按時間來算，「天問一號」探測器飛到火星需要200多天，那麼，從7月23日，探測器發射升空算起，已經飛行了50天左右，完成了總時長的大約四分之一。從距離上算，按照專家的估算，到達火星時，「天問一號」實際飛行路程大約4.7億公裡，也就是說現在已經大概到了三分之一的路程位置。
  • 火星那麼遠，跑去幹什麼
    這兩天不光有領事館事件，還有火星探測讓人們閒著沒事兒的時候，多了兩個談資。 那麼我們為啥要跑那麼遠去呢，跑去幹啥呢。 這個問題，首先是，告訴全世界，咱中國人現在有能力跑那麼遠了，人們能夠跑多遠，是一種能力，足不出戶而知天下事的時代現在可能是具備了，但是用眼睛看就能夠體會外面的世界什麼樣嗎，想想就夠了吧，這就像饞著急的時候，看別人吃得滿嘴油吧。
  • 天問一號火星探測器的任務是什麼？
    天問一號火星探測器將通過一次發射實現火星環繞、著陸和巡視三項任務，對火星開展全球性、綜合性的環繞探測，並在局部地區開展區域性、精細性的巡視探測。了解深空探測的小夥伴都知道，環繞、著陸和巡視三項任務通常是逐步進行的，就像嫦娥一號到三號那樣。
  • 它的使命和其他火星探測器有啥不一樣
    火星探測器扎堆發射，那麼，探測器是如何被送往火星的，到達火星後它又如何工作？人工智慧能幫助「天問一號」克服哪些困難？中、美、阿聯的火星探測在哪些方面存在差異？讓我們跟隨專家的解讀，深入了解火星探測的那些事。01.火星探測器到底是如何被送往火星的？
  • 「天問一號」即將著陸火星,如何實現深空通信?
    據2021年1月3日央視新聞客戶端消息，截止目前中國的天問一號火星探測器在軌飛行163天。飛行裡程突破4億公裡，距離地球約1.3億公裡，距離火星830萬公裡。按計劃天問一號探測器將在一個多月後實施近火制動，進入環火軌道，準備著陸火星。
  • 天問一號火星探測器成功發射「天眼」助力出徵地外行星
    中新網西安7月23日電 (記者 田進)23日，中國首次火星探測任務天問一號探測器成功發射。如何對火星探測器進行有效控制並建立與地面的通信，中國航天科技集團五院西安分院(簡稱「西安分院」)為火星探測器研製的測控數傳系統和微波測距測速敏感器是進行火星環繞、著陸和巡視的「天眼」，將為中國首次火星探測任務貢獻重要力量。據介紹，從整個火星探測器的構成上來看，它由環繞器和著陸巡視器組成。
  • 既然登陸火星比較難，為什麼月球上摔掉的探測器比火星還多？
    到現在為止總共執行的火星探測計劃有45個，成功了18個，成功率為40%，執行登陸任務的探測器有13個，成功8個，成功率61.54%，其實這數據看起來還不錯，那麼月球呢？月球探測器一共145個，成功77個，成功率為53%，比火星好那麼一點！但執行月球登陸任務的探測器數量為60，成功著陸27，成功率只有45%，兩者相比似乎還是月球更難一些，是這樣嗎？
  • 火星競賽不光中美、阿聯今年夏也要在日本發射火星探測器
    這有助於解開一個關於火星的重要謎團：那個紅色的行星曾經和地球一樣遍布江河湖海，怎麼變成現在這種乾枯、荒蕪的狀態，答案可能藏在火星周圍的氣層裡。「希望號」發射因天氣原因曾兩次推遲。那麼，阿聯在短短六年時間裡是怎麼完成這個尖端複雜的工程的呢？「希望號」火星探測器的建造得到美國科學家的幫助，發射則由日本的火箭承擔。升空後，它預計將於７個月以後抵達繞目標軌道，開始研究火星大氣層和其他科研任務。首先，政府明確告訴項目團隊，他們不能從別的大國手裡買探測器，必須自力自主開發建造。
  • 全球7個國家或地區共計發射了47個火星探測器,都探測到了啥
    火星探測器進入地火轉移軌道的速度必須達到第二宇宙速度（11.2千米/秒）才可以實現，這就要求火箭具備比較強大的推力。同時，火星距離地球最近距離約為5600萬公裡，進入地火轉移軌道後探測器還需要至少7個月的深空飛行才能到達火星，這對於通信、控制等技術要求是比較高的，但也不難實現。
  • 中國，阿聯和美國的火星探測器的大比拼
    這有助於解開一個關於火星的重要謎團：那個紅色的行星曾經和地球一樣遍布江河湖海，怎麼變成現在這種乾枯、荒蕪的狀態，答案可能藏在火星周圍的氣層裡阿聯在宇航科技和太空飛行器的設計製造方面可以說經驗非常有限，國家太空總署成立僅僅６年，可阿聯在短短六年時間裡是怎麼完成這個尖端複雜的工程的呢
  • 火星探測器為什麼叫「天問」?
    兩千多年前，遙遠的古人對天地自然發出追問，兩千多年後，火星探測器升空，它叫「天問」，帶著中華民族從古至今對自然的探索升空，太浪漫了吧!除了「天問」，中國航天，還有許多浪漫的名字，連接著過去和未來，浪漫得不要不要的。
  • 火星探測器紛紛上天，人類離移民火星還遠嗎？
    「希望號」發射升空；中國的「天問一號」火星探測器緊隨其後，在7月23日發射升空，這次要通過一次發射實現「環繞、著陸、巡行」三項任務的創舉，一舉跨入火星探索第一隊列。2004年發射升空的「勇氣號」，和「機遇號」是一對姐妹花，它的任務是探測火星上面是否有生命和水，最終「勇氣號」真的找到了火星存在水的證據。
  • 我國「天問一號」火星探測器發射成功，火星探測到底有多難？
    水手4號而讓探測器真正著陸於火星是在1975年8月，美國「海盜1號」探測器成功發射，在歷經近一年的飛行後，在1976年7月順利著陸火星。在這之後，歐洲，日本以及印度也紛紛開啟了火星探索的計劃。事實上這次發射的「天問一號」並不是首火星探測器，我國的首火星探測器應該是螢火一號，在2011年11月8日，我國研製的「螢火1號」搭乘在俄羅斯的福布斯號採樣返回探測器上一起發射升空，但在飛行過程中由於變軌失敗，中國的第一顆火星探測器發射以失敗告終。
  • 何時發射火星探測器?
    從地球出發的探測器只要沿著地球火星霍曼轉移軌道飛行，最終就能到達火星。但發射火星探測器的日期不能隨意選擇，要選在發射窗口。發射窗口為火星衝日前2-3個月。 什麼是火星衝日呢？先來了解火星的運行情況。
  • 國產火星探測器即將啟程,用半年時間奔向火星
    環繞器配有火箭發動機，太陽能翻板和通信天線，它在火星探測任務的全程都會起到非常重要的作用。其中在任務的前半段，環繞器主要是起一個運輸搭載任務，就像一個「計程車」一樣，負責將搭載在它上面的巡視器運到環繞火星的軌道。由於它配有火箭發動機，因此在即將到達火星軌道時，需要它來進行軌道轉移，就像到達目的地後的「泊車」一樣，把整個探測器送到預定的正確繞飛軌道。
  • 洞察號登陸火星 火星被稱為「探測器墳場」
    這是美國首次從西海岸的范登堡空軍基由西向東發射空間探測器，原因是宇宙神5號的推力足夠大，發射窗也更為適宜。　　整個任務分為發射、巡航、進入下降和著陸（EDL）、表面操作等四個階段。它是第一個探測火星深層的太空飛行器，將通過傾聽火星地震和測量它的熱量輸出來研究火星的內部結構，揭示巖質行星的形成，填補火星地球物理空白，更好地了解其他巖石行星（包括地球）是如何誕生的。