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  • 共享星球丨4亿公里星空,火星说:”地球,你能听见我吗?”

  • 2020-08-26 10:26:13
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    Hey!同学们好啊~在我们没有见面的这段日子里,可发生了一件大事。7月23号,在海南文昌航天发射场,搭载着“天问一号”探测器的“长征五号”遥四运载火箭发射成功,我国首个火星探测任务顺利开启。由环绕器、着陆巡视器组成的“天问一号”探测器,按计划将进行长达约7个月风尘仆仆的星际跋涉,到达这颗神秘的红色星球,完成环绕火星、着陆火星、巡视火星三大任务,朝着成为“全球火星竞赛”第三名的目标前进。

      在这趟漫长的星际旅途中,即使是选择了地球与火星距离最短的时间窗口发射,“天问一号”地火飞行路径也超过了4亿公里,是地月距离的1000倍。

    器地距离越远,通信时延越大。地面的测控信号到达环绕器最长需要22分钟,和地球进行一次一来一回的“对话”就需要44分钟,在这漫长的传输过程中,时间延迟是月球探测器的1000倍,信号衰减是月球探测器的100万倍。这个情况,怎么保证双方能接通“电话”,顺利传送信号呢?

      今天,小编就带大家来了解这样的深空通讯是如何顺利进行的吧!

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      深空通讯两点关键技术一网打尽

      有两样东西,我思索的回数愈多,时间愈久,它们充溢我以愈见刻刻常新、刻刻常增的惊异和严肃之感,那便是我头上的星空和心中的道德律。

      ——康德

      对未知宇宙的探索,是人类的一直以来的不懈追求。进入21世纪以来,随着航天技术与空间科学的飞速发展,人类认识宇宙的手段越来越丰富,范围也越来越广,开展地月日大系统研究,进行太阳系边际探测,已成为人类航天活动的重要方向。

    深空探测作为航天科技发展的第三座里程碑,是当今世界各国科技竞争的战略制高点,充分体现了一个国家的国家意志、科技水平和综合国力。深空通讯承担着保障深空探测计划顺利实施的重要使命,已成为空间科学技术发展的重要组成部分。

      与陆地通讯、水下通讯与卫星通讯不同,深空通信是一种受空间物理特性影响极为严重的通信过程,深空环境下的电磁波要穿越多段特性不同的信道,受到各种干扰的交叠影响,还要面临由天体周期性运动造成的无可视链路情况,导致传统的通信理论、网络理论无法适用。

    同学们还记得电影《火星救援》吗?主角马克利用空间站剩余的东西,组建出了一个与地球沟通的联络器。信号成功到达了地球表面,但图片和文字声音都是断断续续的。这也不是因为马克能力不够,在这样的条件下,他能联系到地球,已经是“天选之子”了。

      因为在深空探测器重量资源有限、集成度要求极高的约束下,火星环绕器要克服巨大的信号衰减、传输时延和空间电磁干扰等因素。为此,我国研制团队开展了关键技术攻关,成功研制了以超高灵敏度的数字化应答机和大口径可两维驱动天线为核心的一体化测控系统,来实现信号的顺利传输。

      火星环绕器有了超高灵敏度的应答机,就像练就了武林高手才有的听声辨位本领,能够在嘈杂的噪声中准确捕捉到一丝微弱的有用信号,正确解析并执行地面的指令。

      而大口径可两维驱动天线让环绕器拥有一副神话故事里的顺风耳,通过精准的两维指向控制,将天线实时对准数亿公里外的地球,尽可能多的收集信号能量,并传递给应答机。

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      两个核心辅助助力通讯顺利

      相比登月所跨越的38万千米,地球到火星需要跨越几千万千米。除了关键技术的攻克,面对这样的距离,深空通讯还需要一些“辅助位”的帮助。

    一号辅助:佳木斯深空测控站

      要想从几千万千米外接收到清晰准确的信号,测控系统功不可没。中国电科技术专家表示,与近地轨道相比,本次任务的最远作用距离达到4亿千米,对测控系统提出了更新、更高、更严的要求。

      佳木斯深空测控站,精准信号捕捉发回的“全能手”。作为测控系统的主要参试设备,佳木斯深空测控站是我国首个超大口径天线深空测控站,可为月球二期、三期探测,火星探测以及后续深空探测任务提供测控通信支持。

      当探测器到达火星后,配有10kw连续波超大功放的佳木斯深空测控站好比一个作用距离极远的“遥控器”,将地面的指令发送给卫星。此外,佳木斯深空测控站还可以起到“数据高速公路”的作用,接收并解调着陆巡视器拍摄的火星表面的图像数据等。

    二号辅助:70米高性能接收天线

      中科院国家天文台副台长、中国首次火星探测工程副总设计师兼地面应用系统总指挥李春来指出,地火最远距离约为地月距离的1000倍。火星探测对数据接收任务来说是一项严峻的挑战,没有大口径的天线,就不能完成数据接收的任务。

      作为我国火星探测数据接收的关键设备,由国家天文台负责建设的70米天线在天津武清成功进行了反射体的整体吊装。该项目建成后将成为亚洲最大的单口径全可动天线,为我国深空探测提供坚实基础。

      李春来:“我们在最远的时候,很可能还得加上密云的50米天线和40米天线,以及昆明的40米天线,4个天线同时接收数据,然后进行信号合成,才能完成火星探测数据的接收任务。”

      预计到2020年10月,70米大天线能完全具备火星探测的数据接收能力。

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      探索不息,深空探测前路漫漫

      了解到了深空通讯的不易,我们更要理解深空探测背后的重要意义。

    正如火星探测器“天问一号”的名称来源——屈原的长诗《天问》,“日月安属,列星安陈”这样的求知渴望,正对应着两千多年后的中国“走出”地球,探索遥远行星世界的坚定决心。中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了在对自然和宇宙空间的探索中。

    在2018 年 11月14日,习近平主席在致信祝贺亚太空间合作组织成立 10周年时指出,外层空间是人类共同的财富,探索、开发、和平利用外层空间是人类共同的追求。中国倡导世界各国一起推动构建人类命运共同体,坚持在平等互利、和平利用、包容发展的基础上,深入开展外空领域国际交流合作。中国一贯主张合理开发、利用空间资源,保护空间环境,推动航天事业造福全人类。

      天问一号探测任务意义重大,如果成功,中国将成为继美国和苏联之后,首批登陆火星的国家之一。此次任务的背景,是各国心照不宣的全球火星探索竞赛:在2020年7月至8月是地球26个月一次的火星发射窗口,阿联酋“希望号”火星探测器已经升空,美国将把“毅力号”火星车送上天。

      中国航天科技集团科技委主任包为民早先为火星探测任务的必要性作了解答,他说:“我们不能永远躺在地球这个摇篮里。要走出去,了解火星到底什么样,揭开宇宙和太阳系的奥秘。”

    7月27日,天问一号探测器在飞离地球约120万公里处回望地球,利用光学导航敏感器对地球、月球成像,获取了清晰地月合影。在这幅黑白合影图像中,地球与月球一大一小,均呈新月状,在茫茫宇宙中交相辉映。

    探求科学真理的征途漫漫,追求科技创新永无止境。小编和同学们一起期待着天问一号更多的“宇宙对话”,我们下期再见。

      中国(长沙)信息安全产业园

      中国(长沙)信息安全产业园是湖南省人民政府、长沙市与中国电子(CEC)深化战略合作的特色产业项目,整体规划416亩,先导区规划194亩,规划建筑面积约45万m²,打造生态企业独栋和品质研发高层,以多元产品满足企业多样化需求。

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    责任编辑:zx06.cn

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