從1960年人類第一次嘗試發(fā)射火星探測(cè)器到祝融號(hào)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(cè)工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測(cè)器墳場(chǎng)”的稱號(hào)，而中國(guó)的祝融號(hào)只嘗試一次就做到了。
天問一號(hào)“火星之旅”前景回顧
2020年7月23日，天問一號(hào)承載著中國(guó)航天人的探索和追尋，飛向深遠(yuǎn)太空，開啟了中國(guó)的火星之旅。
2021年2月10日，經(jīng)過6個(gè)半月奔火飛行的天問一號(hào) “剎車” 減速（近火制動(dòng)），順利被火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火星軌道，成為中國(guó)首顆到訪火星的探測(cè)器。但天問一號(hào)并沒有急著讓祝融號(hào)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(gè)多月的準(zhǔn)備工作，天問一號(hào)火星探測(cè)器搭載的中國(guó)首個(gè)火星車祝融號(hào)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(duì)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(dòng)，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？
天問1號(hào)旅程示意 圖源 | cnbeta
根據(jù)國(guó)家航天局公布的消息，“2021年5月17日，天問一號(hào)環(huán)繞器實(shí)施第四次近火制動(dòng)，順利進(jìn)入周期為8.2小時(shí)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(hào)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(hào)火星車上安裝一個(gè)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(cè)器與地面站主要有兩種通信方式：一種是目標(biāo)探測(cè)器－地面站（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式），另一種是目標(biāo)探測(cè)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(gè)距離導(dǎo)致單程通訊的時(shí)間需要3.31分鐘到22.294分鐘，平均十幾分鐘，實(shí)時(shí)通話和實(shí)時(shí)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(huì)散射和減弱，這就要求發(fā)射通訊信號(hào)的設(shè)備功率要非常大。
而祝融號(hào)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(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)儀、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、火星氣象測(cè)量?jī)x、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(cè)數(shù)據(jù)的需求。這個(gè)時(shí)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?shù)挠行裕瑢⑹且粋€(gè)非常有利的選擇。
祝融號(hào)之前所有著陸火星并成功開展工作的探測(cè)器
圖源 | NASA
值得一提的是，我們所熟知的美國(guó)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(cè)中繼通信網(wǎng)，用于對(duì)各項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行通信服務(wù)和支持。從勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)開始，到2007年發(fā)射的“鳳凰”探測(cè)器，再到2012年著陸的好奇號(hào)，都采用了中繼通信，并且將成為今后火星探測(cè)著陸器通信的一種趨勢(shì)。
我們回到天問一號(hào)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(hào)火星車與地球間的通信確實(shí)采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和中繼通信兩種方式。其中，火星車對(duì)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(duì)地通信速率最高可達(dá)4Mbps，相對(duì)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(cuò)，火星車和環(huán)繞器的通信還沒有說。不過簡(jiǎn)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(shí)間，環(huán)繞器與地球每天則最多只有一半的時(shí)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?cè)賮砹牧摹盎鹦擒囅葘⒄掌葦?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)。
祝融號(hào)火星車構(gòu)成 圖源 | 人民日?qǐng)?bào)
我們先來看看天問一號(hào)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(duì)地和對(duì)環(huán)繞器通信。而作為中繼站，天問一號(hào)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(duì)地?cái)?shù)據(jù)中繼高增益定向天線、1副對(duì)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(shí)，需要驅(qū)動(dòng)太陽電池陣對(duì)準(zhǔn)太陽方向以保證自身電能的供應(yīng)，同時(shí)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(hào)環(huán)繞器天線可以比火星車的大上許多，但同樣會(huì)受到火箭整流罩內(nèi)尺寸、探測(cè)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(huì)做到很大（最終直徑2.5米）。那么如何保證天問一號(hào)的天線正常工作呢？這就需要地面端進(jìn)行補(bǔ)償了。
天津武清的70米口徑全可動(dòng)天線
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(hào)。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(dòng)天線是服務(wù)于天問一號(hào)的天線之一，它是由中國(guó)電科39所研制的，面積接近10個(gè)籃球場(chǎng)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(hào)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(cè)器遙感數(shù)據(jù)接收和射電天文觀測(cè)科學(xué)研究。中國(guó)電子科技集團(tuán)的專家們表示，“要準(zhǔn)確獲取火星探測(cè)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(dòng)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(shí)，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(shí)吻合、反射體溫度場(chǎng)控制等多個(gè)專項(xiàng)技術(shù)，使得天線主反射面面形精度優(yōu)于1毫米。”
此外，位于黑龍江佳木斯的66米深空測(cè)控站也是服役于天問一號(hào)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(hào)強(qiáng)度卻非常微弱時(shí)，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(gè)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(gè)巨大尺寸天線的效果，提升整體接收性能。
好奇號(hào)探測(cè)器UHF頻段測(cè)控通信子系統(tǒng)配置框圖
以上是從硬件配置的角度來看這場(chǎng)深空對(duì)話的，下面我們?cè)購(gòu)男盘?hào)本身的角度來看一下。
深空通信使用的頻段通常為超長(zhǎng)波、毫米波和激光，以美國(guó)好奇號(hào)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(hào)弱、延時(shí)大、延時(shí)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(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shí)，開始使用X波段。
對(duì)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(cè)控設(shè)備的總設(shè)計(jì)師杜丹解釋道，“天問一號(hào)為火星首次拍照后，將圖像信息存儲(chǔ)為數(shù)字信息并壓縮，編碼后調(diào)制在高頻微波信號(hào)上發(fā)送，深空站接收該信號(hào)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(gè)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(shí)長(zhǎng)有時(shí)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(cuò)的方式，確保圖像的正確傳輸。”杜丹補(bǔ)充道。
寫在最后
探索太空，中國(guó)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(cuò)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(shí)也將帶動(dòng)晶體元器件等器件級(jí)，以及通信技術(shù)等系統(tǒng)級(jí)的進(jìn)步，從而引發(fā)新一輪的技術(shù)變革以及新興市場(chǎng)的出現(xiàn)。
