祝融號上火星! 祝融號如何與地球通信呢？
北京時間2021年5月15日上午8點20分左右，我國天問一號著陸器“祝融號”確認成功降落火星，在火星上首次留下中國印跡，著陸地點位于火星北半球的烏托邦平原，邁出了我國星際探測征程的重要一步。后續(xù)，祝融號火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢駛離著陸平臺并開展巡視探測。
這也是自1971年前蘇聯(lián)火星3號著陸器與1976年海盜號以后，地球上第三個國家成功踏足這顆紅色星球表面。這一刻，我們足足等了四十五年！
從今天開始，中國成了：
（1）世界第一個在首次火星探測中就同時實現(xiàn)環(huán)繞與著陸的國家；
（2）世界第一個同時運行月球車和火星車的國家。
（3）世界第三個實現(xiàn)火星表面軟著陸的國家。
祝融號降落火星的過程
今天凌晨1時許，天問一號組合體在停泊軌道實施降軌，機動至火星進入軌道。凌晨4時許，著陸巡視器與環(huán)繞器分離，歷經(jīng)約3小時飛行后，進入火星大氣，經(jīng)過約9分鐘的減速、懸停避障和緩沖，成功軟著陸于預選著陸區(qū)。兩器分離約30分鐘后，環(huán)繞器進行升軌，返回停泊軌道，為著陸巡視器提供中繼通信。后續(xù)，“祝融號”火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢、駛離著陸平臺并開展巡視探測。目前火星距離地球約3.18億公里，數(shù)據(jù)傳回地球需要約18分鐘。
“祝融號”火星車總重240公斤，總高1.85米，6輪驅(qū)動，以太陽能電池作為動力來源，設計壽命為三個火星月。“祝融號”攜帶了6種科學儀器，一，探地雷達（GPR），可以對火星表面100米以下地層進行探測，比如探知地下是否存在水冰。二，火星表面磁場探測器（MSMFD），可探測表面磁場強度。三，火星氣象測量儀（MMMI），可以測量火星表面溫度，濕度，氣壓和風速。四，火星表面化合物檢測器（MSCD），利用激光誘導擊穿光譜和紅外光譜可對土壤和巖石進行探測。五，多光譜相機（MSC），可用來拍照。六，導航和地形相機（NTC），可用來拍照和導航。
烏托邦平原位于火星北半球，是太陽系第二大平原，跨度達3300公里。
圖為火星表面主要地理區(qū)域名稱以及登陸火星的著陸器/火星車位置圖。圖片制作：毛新愿
祝融號登陸的烏托邦平原是太陽系最大的平原，直徑3300公里。1976年9月3日，NASA的海盜2號降落在了烏托邦平原的北部地區(qū)。2016年11月22日，NASA報告稱，在烏托邦平原下發(fā)現(xiàn)大量地下冰。據(jù)估計，烏托邦平原地下水冰資源總量與美國五大湖之一的蘇必利爾湖相當。
我國首次火星探測任務于2016年正式批復立項，計劃通過一次任務實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視，對火星進行全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開展區(qū)域巡視探測。天問一號探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器包括“祝融號”火星車及進入艙。探測器自2020年7月23日成功發(fā)射以來，在地火轉(zhuǎn)移階段完成了1次深空機動和4次中途修正，于2021年2月10日，成功實施火星捕獲，進入大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星。2021年2月24日，天問一號探測器成功實施第三次近火制動，進入周期2個火星日的火星停泊軌道后，對火星開展全球遙感探測，并對預選著陸區(qū)進行詳查，探測分析地形地貌、沙塵天氣等，為著陸火星做準備。任務實施過程中，中國國家航天局與歐空局、阿根廷、法國、奧地利等國際航天組織和國家航天機構(gòu)開展了有關(guān)項目合作。目前，探測器已在太空運行295天，距離地球約3.2億千米。
NASA毅力號火星車團隊以及NASA科學任務理事會副會長托馬斯·澤布臣（Thomas Zurbuchen）對祝融號登陸火星成功表達了祝賀。托馬斯對“天問一號”團隊道賀的同時，期待中國的火星探測任務能為人類了解這顆紅色星球作出重要貢獻。
“天問一號”一次任務同時實施環(huán)繞探測和巡視探測，在國際上尚屬首次，環(huán)繞器與火星車“祝融號”之間將會聯(lián)動和配合，互相補充。目前歷史上已成功的火星著陸器/火星車只有10個，只對火星很小的區(qū)域進行過詳細探測，因此在火星的任何地點著陸都將會對人類認識火星產(chǎn)生重大影響。當前只有“好奇號”、“洞察號”和“毅力號”還在繼續(xù)工作，它們的探測區(qū)域基本都是在火星南部高地，而“天問一號”火星車著陸在火星北部平原，將會對全面理解火星的演化進程做出重要補充。
火星探測風險高、難度大，探測任務面臨行星際空間環(huán)境、火星稀薄大氣、火面地形地貌等挑戰(zhàn)，同時受遠距離、長時延的影響，著陸階段存在環(huán)境不確定、著陸程序復雜、地面無法干預等難點。天問一號任務突破了第二宇宙速度發(fā)射、行星際飛行及測控通信、地外行星軟著陸等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了我國首次地外行星著陸，是中國航天事業(yè)發(fā)展中又一具有重大意義的里程碑。
天問一號成功著陸火星丨位于上海的這只“大眼睛”，是如何跟蹤天問一號的？
來源：新浪探索
天問，問天！祝融，探火！中國航天在用極致的浪漫組合將神話變成現(xiàn)實。
關(guān)于祝融號如何與地面建立聯(lián)系，大家是不是存有許多疑問？
著陸巡視器在“落火”過程中如何與地面建立聯(lián)系？地面如何了解著陸過程中的遙測數(shù)據(jù)？航天科技集團五院西安分院（以下簡稱西安分院）為火星探測器研制的測控數(shù)傳分系統(tǒng)搭建了地球與著陸巡視器、環(huán)繞器及“祝融”號火星車之間的信息傳輸鏈路，為我國首次火星探測任務貢獻重要力量。
圖源：中國航天科技集團五院、八院聯(lián)合制作
著陸數(shù)據(jù)“不掉線”
“天問一號”火星探測器由環(huán)繞器與著陸巡視器構(gòu)成，“祝融”號火星車置于著陸巡視器的進入艙上。
當火星探測器進入“落火”階段后，環(huán)繞器會和著陸巡視器分離，由著陸巡視器單獨下落。此時地面要想了解著陸巡視器在下落過程中的遙測數(shù)據(jù)，就需要依靠進入艙與環(huán)繞器間的UHF頻段雙向通信鏈路。
西安分院進入艙UHF頻段收發(fā)信機負責人田嘉介紹說：“這一階段的數(shù)據(jù)是‘落火’過程中的關(guān)鍵遙測數(shù)據(jù)，便于地面判斷落火過程中各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)。由于‘落火’比‘落月’相對地球的距離更加遙遠，火星表面環(huán)境相對月球表面環(huán)境更加復雜，難度更大，因此火星探測器在進入、下降、著陸過程中的遙測十分關(guān)鍵。”
西安分院研制的測控數(shù)傳分系統(tǒng)包括了UHF頻段收發(fā)信機和X頻段深空應答機等關(guān)鍵設備，是“天問一號”火星探測器的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一。
安裝在環(huán)繞器上的X頻段深空應答機建立了環(huán)繞器與地面的通信鏈路，安裝在著陸巡視器中進入艙上的UHF頻段收發(fā)信機是建立與環(huán)繞器之間通信的關(guān)鍵，安裝在“祝融”號火星車上的UHF頻段收發(fā)信機和X頻段深空應答機等產(chǎn)品建立了與環(huán)繞器的中繼通信及對地通信。
這些通信鏈路共同在地球與火星之間構(gòu)成了一個立體通信網(wǎng)絡，讓環(huán)繞器在環(huán)繞過程始終與地面保持測控通信，并在著陸巡視器下降著陸過程以及抵達火星表面后與環(huán)繞器開展中繼通信、與地面開展測控通信。
“天問一號”上的測控通信分系統(tǒng)，始終確保地面工作人員全程掌握探測器，還確保協(xié)調(diào)探測器內(nèi)部各構(gòu)成部分執(zhí)行不同任務的步調(diào)整齊劃一。當進入艙將著陸過程中的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)繞器后，此時便需要通過環(huán)繞器與地面測控站之間建立的X頻段雙向通信鏈路進行數(shù)據(jù)的回傳。與此同時，地面也通過環(huán)繞器將遙控數(shù)據(jù)發(fā)送至進入艙。
西安分院為“天問一號”火星探測器研制的測控數(shù)傳分系統(tǒng)保障著整個“落火”過程的信息傳輸持續(xù)在線。
測控數(shù)傳分系統(tǒng)需克服多方困難
從開機到任務完成，火星探測器測控數(shù)傳分系統(tǒng)一直保持工作狀態(tài)，還需根據(jù)飛行距離切換不同模式、實現(xiàn)不同功能，加上考慮太空惡劣的環(huán)境及航天各系統(tǒng)互相配合，使得測控數(shù)傳產(chǎn)品的指標極其苛刻，需要克服空間損耗大等困難。
按照總體要求，測控數(shù)傳分系統(tǒng)需要大幅減重，這就需要盡量將火星探測器上的產(chǎn)品小型化、集成化。以往的一個分系統(tǒng)由數(shù)臺單機組成，體積龐大，這對深空探測任務而言難以實現(xiàn)。
為解決這一難題，西安分院研制團隊將一個功能類似于分系統(tǒng)的UHF頻段收發(fā)信機，壓縮至一臺重量為2公斤左右、體積僅為一個單機大小的產(chǎn)品。這臺單機融合了數(shù)字處理、電源、通道、固放、雙工器和開關(guān)等分機，具有高度集成化和小型化。
在分系統(tǒng)的研制過程中，研制團隊經(jīng)過不斷的溝通討論、仿真論證，單機從無到有，從有到優(yōu)。最終，以相較于典型產(chǎn)品綜合減重60%的成果完成了分系統(tǒng)功能的單機化集成，為整器節(jié)約了寶貴的資源。西安分院為我國首次火星探測研制的進入艙UHF頻段收發(fā)信機、火星車UHF頻段收發(fā)信機具有自主通信、集成化高等特點，功能全、性能優(yōu)、重量小。并且，其中的UHF雙工器具有大功率、高隔離的特性，確保接收端弱信號不受發(fā)射端強信號的影響。
來源：科技日報 記者 付毅飛 操秀英
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