承研深空测控系统实现1.9亿公里测控 在川央企太空中牵引"风筝线"2021-02-10 22:25:04 来源：四川在线 编辑：刘波  6park.com


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四川在线记者 徐莉莎

2月10日晚间，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施火星捕获制动，成功开启环绕火星模式。
近火制动只有一次机会，是火星探测任务的关键节点之一。制动的时机、时长、力度需要精准操控。
如何在茫茫太空获取“天问一号”的状态，并操控它执行这一系列复杂、精准的动作？这一切都离不开深空测控设备的支持。没有深空测控系统，航天器就如同断线的风筝。
这次为“天问一号”保驾护航的深空测控系统中，大国重器——佳木斯66米深空测控站（以下简称“佳木斯站”）是绝对的主力。它由在川央企中电天奥有限公司（中国电科第十研究所）承研，是航天测控领域，迄今为止亚洲口径最大、接收灵敏度最高、连续波发射功率最强和作用距离最远的天线。
1.9亿公里测控 大国重器真容初露
早在2月5日，计划近火捕获的5天前，中电天奥（中国电科第十研究所）第三事业部的技术保障团队就抵达了佳木斯。
在中电天奥（中国电科第十研究所）首次火星探测任务66m深空测控设备总设计师杜丹看来，这次任务意义非同寻常，“可以说是大国重器初露真容！”
从2012年5月建成投用至今，该测控站已经完成了我国探月工程二期、三期的测控任务，天问一号从发射至今也一直有它守护。为什么说火星捕获才是它大显身手的时机？
其一是因为远。杜丹说，火星距离地球最近距离为5500公里，最远达４亿公里以上，是月球最远轨道距离38万公里的1000多倍。
距离越远，意味着探测器和地面的往来信号越微弱；信号弱，其通信带宽就肯定有限。就像路窄了，能通行的车辆自然就少。要解决通信问题，最直接的一个解决办法就是增加天线口径，来提高系统接收灵敏度。

按照设计要求，佳木斯站的天线直径达到66米，深空探测作用距离达4亿公里，这一强大的“千里眼”可以直击火星。凭借其极高的灵敏度，信号捕获后建立起通信链路，就相当于修了一条从火星到地球的路；利用“大天线”和数据处理终端拓宽“道路”，提高传输速率。
此前的探月工程任务，对佳木斯站来说可谓“小菜一碟”。杜丹说，“这样的国之重器，其建设目标就是为了火星和行星际探测。”
此外，火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一，在火星探测器从地球飞向火星的过程中，能够被火星引力所捕获的机会只有一次。
按照轨道动力学规律，当航天器接近一个天体时，如果不采取任何措施，它将与这个天体擦肩而过。如果想从转移轨道进入环绕天体运行的轨道，航天器就必须实施制动减速。
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍，探测器实施制动减速时，要先调整飞行姿态，将发动机喷管朝向前方，等时机恰当时点火开机，以此降低探测器的速度。整个制动过程的控制必须十分精准。
当探测器抵达火星附近后，如果速度过快，它会脱离火星引力继续环绕太阳运行，如果“天问一号”错过了，下一次合适的窗口期在2033年。如果制动点的轨道高度过低，可能导致探测器撞向火星表面；如果制动时间过长导致制动力度过大，探测器也会面临坠毁的风险。
同时，探测器并不是在某一个点把速度降到多少，而是在一个飞行弧段内持续减速，制动点火的时间需要精密计算和精准控制。“只有刹车时机和时长都分秒不差，才能形成理想的捕获轨道。”庞之浩说。
距离远还带来一个问题是时延。由于“天问一号”此时距离地球约1.92亿公里，与地面之间数据通信的单向时间延迟达到10.7分钟左右。这与“嫦娥系列”的任务都不同，地面无法对制动过程进行实时监控，只能提前向探测器注入指令，就像为它上了闹钟，探测器到点按照时序自主执行相关操作。
探测器要实现自主操作，比如提前设计好制动时需要把速度降低多少。但这些都要靠深空测控设备对飞行器的位置、速度、姿态的精准测量。一旦出现偏差，将影响整个近火制动。
因此，对作为“遥控器”和“听诊器”的佳木斯站来说，近火捕获段的测控至关重要，要让上亿公里的位置测量和控制不出错，是其建成以来面临的最大考验。
在近火捕获前一天，杜丹告诉记者，团队已经做好了准备，充分考虑各种可能，为近火制动准备了详尽的方案。
此次成功实施近火捕获，作为我国深空探测工程中最强大利器的佳木斯站不负众望。
九年等待 那群在太空“放风筝”的人
事实上，为了火星探测，他们已经准备了十几年。

2004年，我国探月工程获国务院批复立项，中国走上探索外层空间的道路，也开启了深空测控网的研究和建设。
深空测控，是指对将月球及月球以远的天体和空间进行的探测。大家把航天任务中的测控喻为“放风筝”，把测控台前的操作人员喻为“牧星人”。其距离远，信号弱，和近地轨道卫星的测控相比，需要直径更大的天线和不同的信号体制。
也是从那时起，作为我国测控设备的重要研发单位，中电天奥（中国电科第十研究所）就开始参与到深空测控网的建设。
2008年，66米大口径的深空测控系统佳木斯站立项。在历经3年多的方案设计、方案论证、研制生产、系统联试、入网验证后，2012年5月，佳木斯站正式建成投用。
“一开始，佳木斯站就是奔着火星探测去的”，杜丹回忆。2011年11月，我国火星探测计划的首个探测器“萤火一号”搭载在俄罗斯“福布斯-土壤”探测器内部，由俄罗斯“天顶号”运载火箭在哈萨克斯坦拜科努尔发射场点火发射。
当时的佳木斯正是零下30度的低温，佳木斯站的建设正在进行。在极寒条件下，现场施工极其困难，往下挖是冻土，基建无法进行；搞焊接连电烙铁都无法烧热，混凝土浇筑也无法成型。
但是一想到来年春天，佳木斯站建成，就能为“萤火一号”提供测控服务，团队在现场想尽办法，克服种种困难坚持施工。
几天后，“福布斯－土壤”探测器未能按计划变轨，两个多月后坠毁。“正要大展身手的时候，却扑了个空”，时隔多年，杜丹还能记起当年的失落。
这一等，就是9年。许多当时参加研制的老同志等到退休，也没等到执行火星探测任务。
这9年里，佳木斯站在探月工程中频繁亮相，测控设备和团队得到磨练。
2020年6月，针对我国首次火星探测任务，中电天奥（中国电科第十研究所）对佳木斯深空测控站进行了一次适应性改造。
由于第一次执行距离远、时延长的火星探测任务，通过国际合作，佳木斯站还在天问一号正式发射前，利用欧空局的“火星快车”探测器做了信号捕获演练。
2020年7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在文昌航天发射场升空，正式开启了中国人自主探测火星之旅。佳木斯站开始为这趟意义非凡的火星之旅保驾护航。
据了解，“天问一号”预计5月中旬择机实施降轨，并软着陆火星表面，对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行科学探测。佳木斯站将继续为其保驾护航。
本文图片由受访者提供