科普|“和火星探测器打个招呼” ——火星探测器的测控是如何实现的『太空科普』太空|测控|打个招

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天问一号火星探测器成功发射后，正在地火转移轨道上飞驰。经过近7个月的飞行后最终抵达火星，经过近火制动进入环火轨道，开展相关的探测活动。测控系统作为联系天地的生命线，在任务全过程中具有极其重要作用。对距离地球数千万乃至上亿公里远的火星探测器进行测控，主要是完成探测器下行遥测数据接收、上行遥控指令发送，同时对探测器进行测轨等工作。对于上述的远距离条件下的测控工作，我们可以形象的描述为“和远方的朋友打招呼”。

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在日常的生活中，遇见了朋友习惯性的打招呼问好。而如果我们想和父母联系，我们通常会拿起手机与父母进行视频聊天，我们的聊天信息通过四通八达的通信网络传递，和见面打招呼一样。在地球空间站里面的航天员想和地面的家人联系，则需要借助地面的测控设备，通过射频信号完成信息传递，此时几乎和见面打招呼一样。如果航天员在月球轨道上，地面要与航天员打招呼时请保持耐心，此时航天员距离地球约40万千米，电磁波信号在空间传播时间为1.3秒，在打招呼2.6秒后才收到对方的回应。而想要与火星探测器打个招呼，则情况会更复杂了。
我们给的建议是：首先保持足够的耐心，其次请找准方向，最后找好联络员。
首先，来说一说保持足够的耐心。
火星的探测器到地面的最远距离为4亿千米，电磁波信号的光行时为22.22分钟。假设这个时候你正在和心爱姑娘表白，你的信息发出去了，可是不见消息回来，你左顾右盼、寝食难安、茶饭不思，对方是几个意思？22.22分钟过去了，22.22分钟过去了，嗯好吧，估计没意思吧。如果那位姑娘远在火星，那可就不一样。22.22分钟她收到信息，兴奋不已，22.23分钟她编辑信息回复，44.45分钟你收到她的回信。所以请保持耐心，坚持到44.45分钟后。
图1 打招呼之足够耐心示意
再来说一说找准方向。
对于近地空间站的航天员，由于到距离地球较近，地面站直接对准当前探测器的位置方向即可打招呼。对于火星探测器，按照相对速度10km/s考虑，经过22.22分钟光行时后探测器已运动至1.3万千米外，如果地面站还是对准当前探测器的位置方向，航天器肯定收不到地面的信号。为此，好在航天器的运动是能够精准计算的，因此地面站可以指向探测器未来的位置方向，保证经过22分钟光行时，地面的信号刚好被接收到。
图2 打招呼之找准方向示意
最后说一说联络员。
对于探测器尤其是火星表面的火星车，由于火星本体遮挡，探测器无法与地面建立直接的联系。这时候就需要充分利用联络人来实现打招呼啦。我国首次火星探测任务中环绕器就充当联络人的角色，地面先将打招呼的信息送给环绕器，然后由环绕器转达至火星车。目前，在火星的轨道上还有美国和欧空局的多个轨道器，这些探测器采用了相同的协议，都可以充当联络人的角色。
图3 打招呼之找好联络员示意

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【科普|“和火星探测器打个招呼” ——火星探测器的测控是如何实现的『太空科普』】图4 实际地面与火星探测器之间的测控示意
为了适应我国月球和深空探测任务需求，我国已建成了佳木斯66米、喀什35米和阿根廷35米三个深空测控站，各项技术指标达到国际先进水平。在天问一号火星探测任务中，我国的深空测控网三大主力将全部投入测控支持。以足够的耐心、精准的方向和天问一号打好招呼，实现对探测器4亿公里距离的遥测、遥控和轨道测量。
图5 佳木斯深空站66米、喀什深空站35米、阿根廷深空站35米深空测控设备