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從1960年人類第一次嘗試發(fā)射火星探測器到祝融號之前，一共有16次火星著陸任務(wù)成功進(jìn)入了火星大氣層，但只有9次任務(wù)成功著陸并順利開展探測工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測器墳場”的稱號，而中國的祝融號只嘗試一次就做到了。
天問一號“火星之旅”前景回顧
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圖 | 祝融號工作圖，圖源：國家航天局
- 2020年7月23日，天問一號承載著中國航天人的探索和追尋，飛向深遠(yuǎn)太空，開啟了中國的火星之旅。
- 2021年2月10日，經(jīng)過6個半月奔火飛行的天問一號 “剎車” 減速（近火制動），順利被火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火星軌道，成為中國首顆到訪火星的探測器。但天問一號并沒有急著讓祝融號立刻著陸，而是采取多次調(diào)整軌道，讓自己觀察火星的距離更近一些，視角更好一些，并考察火星地形，拍攝高清照片，為火星車考察著陸區(qū)地形。
- 2021年5月15日，經(jīng)過三個多月的準(zhǔn)備工作，天問一號火星探測器搭載的中國首個火星車祝融號成功穿越火星大氣層，在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸后，火星車建立了對地通信。
地球距離火星這么遠(yuǎn)，如何實(shí)現(xiàn)可靠通信？
由于火星與地球都在以不同的速度圍繞太陽作公轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此兩者之間的距離是不固定的，火星離地球最近距離約為5500萬公里，最遠(yuǎn)距離則超過4億公里。那么問題來了，既然火星和地球距離這么遙遠(yuǎn)，到底是采用的什么方式來保證可靠通信的呢？
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圖 | 天問1號旅程示意，圖源：cnbeta
根據(jù)國家航天局公布的消息，“2021年5月17日，天問一號環(huán)繞器實(shí)施第四次近火制動，順利進(jìn)入周期為8.2小時中繼通信軌道，為火星車建立穩(wěn)定的中繼通信鏈路，陸續(xù)傳回圖像數(shù)據(jù)。”由此可知祝融號火星車并非直接將信息傳回地球，而是通過環(huán)繞器充當(dāng)中繼站來和地球上的指揮中心通訊的。
有人說，如果在祝融號火星車上安裝一個大增益天線，就不需要軌道器提供中繼功能了，真的是這樣嗎？
為何要選擇中繼通信模式？
理論上來說，在這種深空通信中，火星目標(biāo)探測器與地面站主要有兩種通信方式：一種是目標(biāo)探測器－地面站（點(diǎn)對點(diǎn)通信方式），另一種是目標(biāo)探測器－中繼站－地面站（中繼通信方式）。
眾所周知，無線電通訊是不能超過光速的，5500萬公里至4億公里，這個距離導(dǎo)致單程通訊的時間需要3.31分鐘到22.294分鐘，平均十幾分鐘，實(shí)時通話和實(shí)時遙控已經(jīng)不可能進(jìn)行。其次，無線電波隨著距離的增大會散射和減弱，這就要求發(fā)射通訊信號的設(shè)備功率要非常大。
而祝融號火星車整體大小和一張桌子近似，僅高1.85米，重240千克左右，以太陽能供電并搭載多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機(jī)這六種載荷，因此不管是從體積還是能耗方面均不具備大功率收發(fā)高清圖像和視頻這樣的大量探測數(shù)據(jù)的需求。這個時候，利用中繼通信的方式傳輸各項(xiàng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，達(dá)到增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸的有效性，將是一個非常有利的選擇。
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圖 | 祝融號之前所有著陸火星并成功開展工作的探測器，圖源：NASA
值得一提的是，我們所熟知的美國航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）也正在全力建設(shè)火星探測中繼通信網(wǎng)，用于對各項(xiàng)火星探測任務(wù)進(jìn)行通信服務(wù)和支持。從勇氣號、機(jī)遇號開始，到2007年發(fā)射的“鳳凰”探測器，再到2012年著陸的好奇號，都采用了中繼通信，并且將成為今后火星探測著陸器通信的一種趨勢。
我們回到天問一號的現(xiàn)實(shí)情況來看，其環(huán)繞器搭載了低增益收發(fā)天線、中增益發(fā)射天線、高增益收發(fā)天線組合，以及固態(tài)放大器、行波管放大器，滿足大功率通信的需求。事實(shí)上，筆者了解到，祝融號火星車與地球間的通信確實(shí)采用了點(diǎn)對點(diǎn)通信和中繼通信兩種方式。其中，火星車對地通信速率只有大約16bps，將僅用于傳輸關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)，而環(huán)繞器對地通信速率最高可達(dá)4Mbps，相對來說非常適合圖像和視頻信息的傳輸。
是不是還覺得缺少了些什么？沒錯，火星車和環(huán)繞器的通信還沒有說。不過簡單想想也明白，火星車和環(huán)繞器距離較近，其間傳輸定然比直接與地球通信省力很多。據(jù)悉，火星車與環(huán)繞器之間的數(shù)據(jù)傳輸速度平均可達(dá)20Mbps，大約相當(dāng)于20M的寬帶。但是受限于能源供給和消耗問題，火星車與環(huán)繞器之間每天只能通信一次，而且只有8-10分鐘時間，環(huán)繞器與地球每天則最多只有一半的時間通信。
深空中繼通信中蘊(yùn)藏著哪些關(guān)鍵技術(shù)？
講完了中繼通信的必要性，我們再來聊聊“火星車先將照片等數(shù)據(jù)傳給環(huán)繞火星的軌道器，然后再通過軌道器傳回地球”這一通信過程中蘊(yùn)含著哪些關(guān)鍵技術(shù)。
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圖 | 祝融號火星車構(gòu)成，圖源：人民日報(bào)
我們先來看看天問一號中繼通信的三大主體構(gòu)成。在上圖頂端，我們可以清晰地看到火星車上載有的定向天線，用來對地和對環(huán)繞器通信。而作為中繼站，天問一號環(huán)繞器攜帶有2組太陽能電池陣、1副直徑達(dá)2.5米的對地?cái)?shù)據(jù)中繼高增益定向天線、1副對火星車數(shù)據(jù)中繼天線。在環(huán)繞器執(zhí)行數(shù)據(jù)中繼任務(wù)時，需要驅(qū)動太陽電池陣對準(zhǔn)太陽方向以保證自身電能的供應(yīng)，同時需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向火星車以建立數(shù)據(jù)“鵲橋”。此外，雖說天問一號環(huán)繞器天線可以比火星車的大上許多，但同樣會受到火箭整流罩內(nèi)尺寸、探測器自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、能量供應(yīng)能力等因素的影響，天線尺寸不會做到很大（最終直徑2.5米）。那么如何保證天問一號的天線正常工作呢？這就需要地面端進(jìn)行補(bǔ)償了。
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圖 | 天津武清的70米口徑全可動天線，圖源：CCTV
一般是在地球上的低無線電干擾區(qū)配置巨大的定向天線用來接收遠(yuǎn)道而來的微弱信號。據(jù)悉，今年二月剛交付使用的位于天津武清的70米口徑全可動天線是服務(wù)于天問一號的天線之一，它是由中國電科39所研制的，面積接近10個籃球場大小，總重超過2700噸，具備穩(wěn)定接收微弱人造數(shù)據(jù)信號和感知極微弱宇宙自然天體輻射電磁波等功能，可實(shí)現(xiàn)宇宙深空探測器遙感數(shù)據(jù)接收和射電天文觀測科學(xué)研究。中國電子科技集團(tuán)的專家們表示，“要準(zhǔn)確獲取火星探測數(shù)據(jù)，天線指得準(zhǔn)是關(guān)鍵。為保證天線指向精度，研制團(tuán)隊(duì)采用了多電機(jī)控制、抗陣風(fēng)擾動以及多參數(shù)指向標(biāo)定修正等多項(xiàng)新技術(shù)，使天線指向精度達(dá)1/360度左右，天線指向精度達(dá)到9角秒。同時，為克服重力因素影響導(dǎo)致的天線內(nèi)部面板形變，研制團(tuán)隊(duì)采用了副面賦形和實(shí)時吻合、反射體溫度場控制等多個專項(xiàng)技術(shù)，使得天線主反射面面形精度優(yōu)于1毫米?！?/p>
此外，位于黑龍江佳木斯的66米深空測控站也是服役于天問一號的地面站天線網(wǎng)絡(luò)組成之一，它的最大發(fā)射功率可達(dá)10kW。事實(shí)上，當(dāng)需要發(fā)回地球的數(shù)據(jù)量急劇增加，而信號強(qiáng)度卻非常微弱時，靠不斷增加地面天線尺寸并不能從根本上解決問題，我們需要的是多個天線組成大型陣列，通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)協(xié)同融合分析技術(shù)，起到一個巨大尺寸天線的效果，提升整體接收性能。
?圖 | 好奇號探測器UHF頻段測控通信子系統(tǒng)配置框圖，圖源：知乎
以上是從硬件配置的角度來看這場深空對話的，下面我們再從信號本身的角度來看一下。
深空通信使用的頻段通常為超長波、毫米波和激光，以美國好奇號為例，它與地球通信采用的是X頻段，與火星環(huán)繞器之間的中繼數(shù)據(jù)交互采用的是UHF頻段，進(jìn)而由環(huán)繞器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)地面，前向鏈路頻率范圍435-450 MHz，返向鏈路頻率范圍390-405 MHz。
除了通信頻段，眾所周知，距離遠(yuǎn)、信號弱、延時大、延時不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)量大是深空通信的基本特點(diǎn)，此外還有前向與反向鏈路容量不對稱、射頻通信信道鏈路誤碼率高、信息間歇可達(dá)、固定通信基礎(chǔ)設(shè)施缺乏、行星之間距離影響信號強(qiáng)度和協(xié)議涉及、功率質(zhì)量尺寸以及成本制約通信硬件和協(xié)議涉及、為節(jié)約成本的后向兼容性要求等問題。
但深空通信也有優(yōu)點(diǎn)，比如深空通信中電磁波近似在真空中傳播，沒有大氣等效噪聲和熱噪聲，因此傳播條件比地面無線通信相對較好，再比如深空通信傳輸頻道的帶寬無嚴(yán)格限制，可以充分地使用頻帶，系統(tǒng)具有可選碼型、調(diào)制方式靈活的特點(diǎn)。
目前深空通信采用的調(diào)制技術(shù)和編碼方案已經(jīng)相對先進(jìn)，做法通常是在接收機(jī)前端采用超低噪聲放大器，通過提高提案線面的精度，并增大發(fā)射機(jī)功率來延長通信距離。繼采用改進(jìn)編碼PCM之后，又引入了鏈接碼，發(fā)射機(jī)功率達(dá)到20W以上時，開始使用X波段。
對于信道編碼、信源編碼以及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，來自中電天奧負(fù)責(zé)本次深空測控設(shè)備的總設(shè)計(jì)師杜丹解釋道，“天問一號為火星首次拍照后，將圖像信息存儲為數(shù)字信息并壓縮，編碼后調(diào)制在高頻微波信號上發(fā)送，深空站接收該信號并解調(diào)圖像信息，以16進(jìn)制碼和數(shù)據(jù)幀的形式，從佳木斯發(fā)送到北京航天飛行控制中心，進(jìn)行信息處理和圖像合成。”
“這個過程并不容易。由于行星際的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缆藩M窄，傳輸一副高質(zhì)量圖像往往需要大量數(shù)據(jù)幀，傳輸時長有時超過10分鐘。由于傳輸過程中環(huán)境復(fù)雜，也可能出現(xiàn)誤碼或數(shù)據(jù)丟失，圖片恢復(fù)以后可能出現(xiàn)壞點(diǎn)。為避免這些情況，科學(xué)家們也采用編譯碼和糾錯的方式，確保圖像的正確傳輸?！倍诺ぱa(bǔ)充道。
寫在最后
探索太空，中國跨出了歷史性的一步，但是如果你只看到了這是航天工程的一次飛躍，那就錯了，這背后是無數(shù)科學(xué)技術(shù)問題的提出和解決過程，而這些技術(shù)的進(jìn)步不僅服務(wù)于空間探索領(lǐng)域，同時也將帶動晶體元器件等器件級，以及通信技術(shù)等系統(tǒng)級的進(jìn)步，從而引發(fā)新一輪的技術(shù)變革以及新興市場的出現(xiàn)。
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