李海濤

2020年7月23日，我國首個火星探測器已出征奔向深空，將一步實現(xiàn)火星“繞、落、巡”探測。其中，環(huán)繞器環(huán)繞火星開展科學探測并為巡視器提供中繼通信服務，著陸巡視器在火星表面開展巡視勘察。

首次火星探測任務是我國第一個真正意義上的深空探測任務， 也是我國深空探測工程的首發(fā)任務。所謂深空測控，就是對運行中的深空航天器進行跟蹤、遙測和遙控以及數(shù)據(jù)傳輸，以確定航天器飛行軌道和空間位置，監(jiān)視航天器各分系統(tǒng)或部件的工作狀態(tài)，向航天器發(fā)送控制指令。它將對我國深空航天器的設計制造、深空測控和深空科學探測能力進行全面檢驗，積累深空探測任務工程實施的經(jīng)驗，為后續(xù)深空探測任務的實施奠定基礎。

什么是深空探測網(wǎng)？

深空測控系統(tǒng)是用于深空探測任務航天器跟蹤測量、監(jiān)視控制和信息交換的專用系統(tǒng)，其在深空探測任務中具有不可替代的重要地位和作用。深空測控系統(tǒng)一般由深空航天器上的星載測控分系統(tǒng)、分布于地面的深空測控站、深空任務飛行控制中心以及將地面各組成部分連接在一起的通信網(wǎng)組成。通常，將地面的多個深空測控站組成的測控網(wǎng)稱為深空測控網(wǎng)，特指專門用于深空航天器測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ脺y控網(wǎng)。其特點是配有大口徑拋物面天線、大功率發(fā)射機、極高靈敏度接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度時間頻率系統(tǒng)，能完成對距離地球200萬千米以遠深空航天器的測控任務。

為了克服地球自轉影響，實現(xiàn)對深空航天器的連續(xù)測控覆蓋，深空測控網(wǎng)的布局通常是在全球范圍內經(jīng)度上間隔約120??布站，這樣就可以確保對距離地球表面距離3萬千米以上的航天器進行連續(xù)測控。圖1為美國國家航空航天局（ NASA ）深空網(wǎng)布局對不同軌道高度航天器的測控覆蓋示意圖。

我國深空測控系統(tǒng)是伴隨著探月工程“繞、落、回”三步走的戰(zhàn)略步伐逐步建設和發(fā)展起來的，歷經(jīng)了探月工程一期利用服務于地球軌道衛(wèi)星任務的航天測控網(wǎng)完成40萬千米以遠目標測控任務，實現(xiàn)了遠距離測控技術的突破。

目前，探月工程二期建設了國內喀什和佳木斯兩個深空站，初步具備了獨立實施深空探測任務測控支持的能力。在探月工程三期中，我們建設了位于南美洲阿根廷的第三個深空站，從而形成了全球布局功能體系完備的深空測控網(wǎng)。其中，北京航天飛行控制中心作為中國月球與深空探測任務的操作控制中心，負責完成深空探測任務全過程的操作控制和運行管理工作。

我國深空探測網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，我國深空探測網(wǎng)包括佳木斯、喀什、和阿根廷三個深空測控站在內的全球布站的深空測控網(wǎng)，具備支持各類月球和深空探測任務的多頻段遙測、遙控、數(shù)據(jù)接收和跟蹤測量等功能，對深空航天器的測控覆蓋率達到了90%以上，各項技術性能指標也達到國際先進水平，是目前世界上功能完備、全球布局的三大深空測控網(wǎng)之一。隨著技術的進步，我們深空測空網(wǎng)絡采用的測控頻率在逐步提升，這也使得測控精度、通信速率和作用距離大幅提升。

首次火星探測任務的測控挑戰(zhàn)

在我國首次火星探測任務中，深空測控網(wǎng)的測控支持距離將從探月工程的40萬千米進一步延伸到4億千米遠。相比于月球探測任務，測控距離增大了約1000倍，而無線電信號的傳播衰減是與距離的平方成反比的，這樣就帶來了巨大的信號衰減。也就是說，航天器發(fā)射相同功率的信號，相比于月球探測任務，在火星距離地球最遠點時，地面只能收到原來信號的100萬分之一。

為了提高深空測控網(wǎng)的接收能力，在我國喀什深空站建設了3個35米口徑新天線，與原有的1個35米天線組成天線陣系統(tǒng)，通過天線組陣接收技術，使得喀什深空站在X頻段深空任務接收能力達到與佳木斯深空站66米深空測控設備相當?shù)乃剑瑥亩鴮崿F(xiàn)了更強更遠的測控能力。所謂天線組陣接收技術，就是利用地面多個天線組成天線陣列，將各個天線所接收到的信號進行合成，從而達到等效增大天線口徑的效果，以實現(xiàn)遙遠距離信號的有效接收（圖5）。

此外，在此次任務中還采用了我國清華大學發(fā)明的具有自主知識產權的 LDPC 信道編碼，進一步提升了首次火星探測任務的數(shù)據(jù)接收性能。

火星到地球的距離最近約為5500萬千米，最遠距離則超過4億千米。而4億千米遠的距離，無線電信號以每秒30萬千米的速度傳播，單程的傳播時間就要達到約22分鐘，即使是距離最近的時候，也要有約3分鐘延遲。這樣大的時間延遲給測控任務的實施也帶來了很大的挑戰(zhàn)。比如，當?shù)孛嫔羁諟y控站接到信號時，這個信號是航天器在22分鐘前從火星發(fā)送來的;而地面深空測控站向火星探測器發(fā)射信號后，也要等22分鐘才能到達火星。因此，地面的任務中心就必須謹慎考慮這種大的時間延遲給火星探測任務飛行控制所帶來的影響，稍有差池就有可能引發(fā)災難性后果。

結束語

2020年是火星探測活動的窗口期，火星探測是該年國際航天發(fā)射活動中的絕對亮點。此刻，“天問一號”正在前往火星途中。我國的深空測控網(wǎng)將全力為其提供測控支持，全部6套大口徑深空天線將全部投入使用，首次實現(xiàn)對4億千米深空探測器的遙測、遙控和軌道測量。讓我們共同祝愿它順利登陸火星，為我們上演一部中國人自己導演的火星探測大片。