在2020年7月，火星探測窗口共發射了3顆探測器，分別是20日阿聯發射的第一個火星探測器「希望號」，23日我國發射的「天問一號」，30日美國NASA發射的「毅力號」。
「天問一號」經過6個半月的飛行之後，在2021年2月10日進入環火星軌道，成為我國首顆人造火星衛星；美國的「毅力號」也在2021年2月18日抵達火星。
18日當天，「毅力號」直接著陸火星，而「天問一號」為了穩妥實現軟著陸，則讓火星環繞器先在停泊軌道上運行了3個月。
中國航天科技集團八院介紹，之所以先在停泊軌道「穩」三個月，是因為與已多次成功火星探測任務的美國相比，我們沒有第一手火星環境資料，火星環繞器研製團隊在天問一號任務中設計的停泊飛行軌道上，將通過火星環繞器對目標著陸區進行探測，在完成探測任務後，擇機實施火星著陸任務。
在停泊軌道上待的三個月，「天問一號」主要探測哪些火星信息？這段時間，「天問一號」主要對預選著陸區的地貌、天氣兩個方面進行探測。
在地貌探測上，通過高解析度相機、中解析度相機、光譜儀等載荷的探測數據，火星環繞器可以生成火表遙感圖像，對火星表面的地形地貌，如坡度、凹坑、石塊等，進行辨識分析。
火星表面天氣惡劣，每年都會形成幾場大的沙塵暴。沙塵暴可能會改變著陸巡視器下降過程的動力學參數，沙塵粒子可能會造成儀器設備故障，大量沙塵覆蓋在火星車太陽能帆板電池片的表面，降低發電效率甚至導致發電能力喪失。
通過停泊監測，避開惡劣的火星天氣，選擇一個「風和日麗」的日子實施兩器分離任務。
在整個過程中, 環繞器將主要承擔哪些任務？地火轉移期間：搭載陸巡視器從地球前往火星，完成地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空機動，在抵達火星前利用高分相機對火星進行了拍攝。
在制動捕獲段：精準剎車捕獲火星，成為我國第一顆人造火星衛星，實現「繞、著、巡」第一步「繞」的目標，環繞火星獲得成功。
進入中繼軌道：執行與著陸巡視器「祝融號」的中繼通信任務，為地面和著陸巡視器搭建溝通的橋梁，中繼軌道運行約3個月。
使命軌道科學探測：環繞器完成中繼任務後，在近火點進行第五次制動降軌，進入使命軌道，對火星表面及其次表層開展科學探測。
目前，環繞器已完成搭載陸巡視器的「星際專車」任務，接下來作為通信「中繼站」，將如何瞄準地球，發射信號？當地面接收到火星車火表巡視後第一幀探測數據時，才標誌著整個火星探測工程任務的圓滿成功。
完成「星際專車」的任務，環繞器接下來的三個月將發揮它功能強大的通信「中繼站」作用，為火星表面巡視器傳回地球探測數據搭建橋梁。
在此次的火星探測任務中，環繞器不僅僅是一輛星際「專車」，它同樣也是一座功能強大的通信「中繼站」，為火星表面巡視器與地球搭建通訊橋梁。
升軌後的環繞器並不是大家想像中「卸載」後的一身輕鬆，此刻它需要迅速肩負起對火星表面進行遙感探測的任務，同時選擇恰當的時機來將巡視器的數據「中繼」傳向地球。
在距離地球約3億公裡的軌道上準確指向地球，相當於要在2米開外瞄準繡花針孔，而且要在環繞器自身還在不斷的飛行運動情況下，時刻保持住瞄準狀態。
據中國航天科技集團八院GNC系統主任設計師聶欽博介紹，環繞器攜帶有2塊太陽電池陣、1幅高增益數據傳輸天線、1幅對巡視器數據中繼天線。在環繞器執行數據中繼任務時，需要同時實現對巡視器、地球、太陽3個目標的高精度同步指向控制。
「這3個目標的高精度同步指向控制，絕對可以稱得上是『八面玲瓏』了。」聶欽博說。
環繞器在環火飛行時與地球距離遠，由於天線波束角有限，設計師們要在確保對天線指向高精度控制的同時，對可能發生的通訊鏈路中斷做出預案。
「我們設計了一種通訊鏈路中斷後的自主恢復策略。一旦發生通訊鏈路中斷，探測器就會『自主慢旋』，並在這一過程中，使天線掃到地球，進而恢復通訊鏈路。這一過程也是環繞器自主實現。」 中國航天科技集團八院軟體設計師周誌元介紹道。
如今，環繞器在穩定環火飛行，成為著陸巡視器與地球之間的通信橋梁，完成數據中繼任務後，它也將全力開啟自己的環火遙感之旅。
環繞器進行中繼通訊時，會有多長時間的延時？每個火星日幾次傳遞信息的機會？火星距離地球超3億千米，最遠達4億千米，單向通訊時延超過15分鐘，信號一去一回需要約半個小時。
中國航天科技集團八院總體副主任設計師謝攀介紹說，一個火星日內，環繞器可為火星車提供一次近火點中繼通信和一次遠火點中繼通信，為後續的巡視探測任務提供指令上注和探測信息傳輸服務。
如何最大效率的利用近火的可見弧段進行通信？如何把遠火更長時間的弧段利用起來？近火弧段，每圈大概10分鐘左右有效通信，每一圈傳回來的火星車探測數據對於國內都是第一手的珍貴科學數據，針對這寶貴的10分鐘，如何高效率地利用信道傳輸更多的火星探測數據成為了系統設計的重點。
中國航天科技集團八院測控數傳設計師王民建介紹，在近火信道較好的情況下，採用全雙工的通信模式，即雙向同時通信，雙方可以同時發送和接收信息的信息。
全雙工狀態中，兩器UHF（特高頻）通信機均可作為握手發起方，由發起方設置對方的工作參數，在數據的收發過程中，對每幀數據均進行響應，當信道參數發生變化時，發起方和響應方均可發起信道參數變更的申請，比如通信過程中進行碼速率自適應切換時，若一方根據信噪比估算後進行了碼速率切換，其將通知另一方進行相應調整，從而保障了整個信道的高可靠通信。
在遠火情況下，為了儘可能高效率的利用弧段，設計了X中繼模式，可以實現返向數據的高效率傳輸。
未來兩年，環繞器將做些什麼？環繞器上搭載7種有效載荷，未來將對火星表面及其次表層開展科學探測，完成火星全球遙感探測任務。
「天問一號」舉世矚目，但在專業人士的眼中，它仍好比一個蹣跚學步的孩子，在浩瀚宇宙飛行中嘗試著自己觀察、思考與行動，如今只是成功地完成了飛抵火星的第一步。
中國航天科技集團八院GNC系統產品保證師劉宇表示，「路漫漫其修遠兮」，中國航天科技集團八院控制所火星探測GNC團隊仍在不斷探索新技術，讓深空探測飛行控制能夠更敏銳、更聰明、更可靠地面對宇宙更深處的未知世界。
人類登陸火星甚至火星移民的計劃何時能實現？探測器登陸火星，人類何時能夠實現登陸乃至探索移民火星的可能性？——這個問題可能是最受普羅大眾關心的話題之一了。
火星探測任務總設計師張榮橋在接受央視採訪時談到，對於火星移民這件事，一定要科學地看。
他認為談火星移民工程是不科學的，如果我們有改造火星的能力，是不是可以花點時間精力把我們的地球打理得更好。火星的環境跟地球相比差得遠，人類賴以生存的氧氣沒有，溫度跟地球相比更為惡劣，人的生存最基本的條件難以保證。
來源 | 新聞晨報·周到APP 記者 龐菁涵
編輯 | 周穎
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