从1960年人类第一次尝试发射火星探测器到祝融号之前,一共有16次火星着陆任务成功进入了火星大气层,但只有9次任务成功着陆并顺利开展探测工作——近一半的失败率让这颗红色星球至今还保有“探测器坟场”的称号,而中国的祝融号只尝试一次就做到了。


天问一号“火星之旅”前景回顾


 
图 | 祝融号工作图,图源:国家航天局

 

  • 2020年7月23日,天问一号承载着中国航天人的探索和追寻,飞向深远太空,开启了中国的火星之旅。

 

  • 2021年2月10日,经过6个半月奔火飞行的天问一号 “刹车” 减速(近火制动),顺利被火星捕获,进入环火星轨道,成为中国首颗到访火星的探测器。但天问一号并没有急着让祝融号立刻着陆,而是采取多次调整轨道,让自己观察火星的距离更近一些,视角更好一些,并考察火星地形,拍摄高清照片,为火星车考察着陆区地形。

 

  • 2021年5月15日,经过三个多月的准备工作,天问一号火星探测器搭载的中国首个火星车祝融号成功穿越火星大气层,在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆后,火星车建立了对地通信。


地球距离火星这么远,如何实现可靠通信?


由于火星与地球都在以不同的速度围绕太阳作公转运动,因此两者之间的距离是不固定的,火星离地球最近距离约为5500万公里,最远距离则超过4亿公里。那么问题来了,既然火星和地球距离这么遥远,到底是采用的什么方式来保证可靠通信的呢?


 
图 | 天问1号旅程示意,图源:cnbeta


根据国家航天局公布的消息,“2021年5月17日,天问一号环绕器实施第四次近火制动,顺利进入周期为8.2小时中继通信轨道,为火星车建立稳定的中继通信链路,陆续传回图像数据。”由此可知祝融号火星车并非直接将信息传回地球,而是通过环绕器充当中继站来和地球上的指挥中心通讯的。


有人说,如果在祝融号火星车上安装一个大增益天线,就不需要轨道器提供中继功能了,真的是这样吗?


为何要选择中继通信模式?


理论上来说,在这种深空通信中,火星目标探测器与地面站主要有两种通信方式:一种是目标探测器-地面站(点对点通信方式),另一种是目标探测器-中继站-地面站(中继通信方式)。


众所周知,无线电通讯是不能超过光速的,5500万公里至4亿公里,这个距离导致单程通讯的时间需要3.31分钟到22.294分钟,平均十几分钟,实时通话和实时遥控已经不可能进行。其次,无线电波随着距离的增大会散射和减弱,这就要求发射通讯信号的设备功率要非常大。


而祝融号火星车整体大小和一张桌子近似,仅高1.85米,重240千克左右,以太阳能供电并搭载多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机这六种载荷,因此不管是从体积还是能耗方面均不具备大功率收发高清图像和视频这样的大量探测数据的需求。这个时候,利用中继通信的方式传输各项数据和状态信息,达到增强数据传输的有效性,将是一个非常有利的选择。


 
图 | 祝融号之前所有着陆火星并成功开展工作的探测器,图源:NASA


值得一提的是,我们所熟知的美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)也正在全力建设火星探测中继通信网,用于对各项火星探测任务进行通信服务和支持。从勇气号、机遇号开始,到2007年发射的“凤凰”探测器,再到2012年着陆的好奇号,都采用了中继通信,并且将成为今后火星探测着陆器通信的一种趋势。
我们回到天问一号的现实情况来看,其环绕器搭载了低增益收发天线、中增益发射天线、高增益收发天线组合,以及固态放大器、行波管放大器,满足大功率通信的需求。事实上,笔者了解到,祝融号火星车与地球间的通信确实采用了点对点通信和中继通信两种方式。其中,火星车对地通信速率只有大约16bps,将仅用于传输关键传感器数据,而环绕器对地通信速率最高可达4Mbps,相对来说非常适合图像和视频信息的传输。


是不是还觉得缺少了些什么?没错,火星车和环绕器的通信还没有说。不过简单想想也明白,火星车和环绕器距离较近,其间传输定然比直接与地球通信省力很多。据悉,火星车与环绕器之间的数据传输速度平均可达20Mbps,大约相当于20M的宽带。但是受限于能源供给和消耗问题,火星车与环绕器之间每天只能通信一次,而且只有8-10分钟时间,环绕器与地球每天则最多只有一半的时间通信。


深空中继通信中蕴藏着哪些关键技术?


讲完了中继通信的必要性,我们再来聊聊“火星车先将照片等数据传给环绕火星的轨道器,然后再通过轨道器传回地球”这一通信过程中蕴含着哪些关键技术。


 
图 | 祝融号火星车构成,图源:人民日报


我们先来看看天问一号中继通信的三大主体构成。在上图顶端,我们可以清晰地看到火星车上载有的定向天线,用来对地和对环绕器通信。而作为中继站,天问一号环绕器携带有2组太阳能电池阵、1副直径达2.5米的对地数据中继高增益定向天线、1副对火星车数据中继天线。在环绕器执行数据中继任务时,需要驱动太阳电池阵对准太阳方向以保证自身电能的供应,同时需要高增益天线跟踪地球、中继天线指向火星车以建立数据“鹊桥”。此外,虽说天问一号环绕器天线可以比火星车的大上许多,但同样会受到火箭整流罩内尺寸、探测器自身结构稳定性、能量供应能力等因素的影响,天线尺寸不会做到很大(最终直径2.5米)。那么如何保证天问一号的天线正常工作呢?这就需要地面端进行补偿了。


 
图 | 天津武清的70米口径全可动天线,图源:CCTV


一般是在地球上的低无线电干扰区配置巨大的定向天线用来接收远道而来的微弱信号。据悉,今年二月刚交付使用的位于天津武清的70米口径全可动天线是服务于天问一号的天线之一,它是由中国电科39所研制的,面积接近10个篮球场大小,总重超过2700吨,具备稳定接收微弱人造数据信号和感知极微弱宇宙自然天体辐射电磁波等功能,可实现宇宙深空探测器遥感数据接收和射电天文观测科学研究。中国电子科技集团的专家们表示,“要准确获取火星探测数据,天线指得准是关键。为保证天线指向精度,研制团队采用了多电机控制、抗阵风扰动以及多参数指向标定修正等多项新技术,使天线指向精度达1/360度左右,天线指向精度达到9角秒。同时,为克服重力因素影响导致的天线内部面板形变,研制团队采用了副面赋形和实时吻合、反射体温度场控制等多个专项技术,使得天线主反射面面形精度优于1毫米。”


此外,位于黑龙江佳木斯的66米深空测控站也是服役于天问一号的地面站天线网络组成之一,它的最大发射功率可达10kW。事实上,当需要发回地球的数据量急剧增加,而信号强度却非常微弱时,靠不断增加地面天线尺寸并不能从根本上解决问题,我们需要的是多个天线组成大型阵列,通过复杂的数据协同融合分析技术,起到一个巨大尺寸天线的效果,提升整体接收性能。


 图 | 好奇号探测器UHF频段测控通信子系统配置框图,图源:知乎


以上是从硬件配置的角度来看这场深空对话的,下面我们再从信号本身的角度来看一下。


深空通信使用的频段通常为超长波、毫米波和激光,以美国好奇号为例,它与地球通信采用的是X频段,与火星环绕器之间的中继数据交互采用的是UHF频段,进而由环绕器将数据转发地面,前向链路频率范围435-450 MHz,返向链路频率范围390-405 MHz。


除了通信频段,众所周知,距离远、信号弱、延时大、延时不稳定、数据量大是深空通信的基本特点,此外还有前向与反向链路容量不对称、射频通信信道链路误码率高、信息间歇可达、固定通信基础设施缺乏、行星之间距离影响信号强度和协议涉及、功率质量尺寸以及成本制约通信硬件和协议涉及、为节约成本的后向兼容性要求等问题。


但深空通信也有优点,比如深空通信中电磁波近似在真空中传播,没有大气等效噪声和热噪声,因此传播条件比地面无线通信相对较好,再比如深空通信传输频道的带宽无严格限制,可以充分地使用频带,系统具有可选码型、调制方式灵活的特点。


目前深空通信采用的调制技术和编码方案已经相对先进,做法通常是在接收机前端采用超低噪声放大器,通过提高提案线面的精度,并增大发射机功率来延长通信距离。继采用改进编码PCM之后,又引入了链接码,发射机功率达到20W以上时,开始使用X波段


对于信道编码、信源编码以及数据压缩技术,来自中电天奥负责本次深空测控设备的总设计师杜丹解释道,“天问一号为火星首次拍照后,将图像信息存储为数字信息并压缩,编码后调制在高频微波信号上发送,深空站接收该信号并解调图像信息,以16进制码和数据帧的形式,从佳木斯发送到北京航天飞行控制中心,进行信息处理和图像合成。


“这个过程并不容易。由于行星际的数据传输道路狭窄,传输一副高质量图像往往需要大量数据帧,传输时长有时超过10分钟。由于传输过程中环境复杂,也可能出现误码或数据丢失,图片恢复以后可能出现坏点。为避免这些情况,科学家们也采用编译码和纠错的方式,确保图像的正确传输。”杜丹补充道。


写在最后


探索太空,中国跨出了历史性的一步,但是如果你只看到了这是航天工程的一次飞跃,那就错了,这背后是无数科学技术问题的提出和解决过程,而这些技术的进步不仅服务于空间探索领域,同时也将带动晶体元器件等器件级,以及通信技术等系统级的进步,从而引发新一轮的技术变革以及新兴市场的出现。