“祝融号”火星越野

「本文来源：青岛晚报」

记者从国家航天局中国探月工程官方获悉，截至7月30日，“祝融号”火星车已经完成对第二处沙丘地貌科学探测，并继续向南移动，本周到达一片石块、撞击坑、沙丘分布密集的复杂地形地带。后续，地面飞控人员将依据每日获取的导航地形图像，完成火星车视觉定位和移动路径规划，控制火星车安全穿越这片复杂地形。路过感兴趣的科学探测目标时，火星车将利用表面成分探测仪和多光谱相机等科学载荷对其开展详细探测。在穿越途中，表面磁场探测仪、火星气象测量仪、次表层探测雷达等开机工作，获取科学数据。据悉，截至2021年7月30日，火星车在火星表面工作75个火星日，累计行驶708米。环绕器在轨运行372天，两器状态良好，各系统工况正常。 祝融号火星车已在火星表面工作75个火星日，它回传的图片也越来越多。这段时间很多人都非常关心，远在4亿公里之外火星上的微弱信号是如何接收的？祝融号火星车在火星拍摄的图片又是如何呈现的呢？70米天线“接听”火星信号 如何实现来自4亿公里之外微弱信号的数据接收，是我国首次火星探测任务面临的巨大挑战。根据无线电传输理论，由于信号的强度与距离的平方成反比，从火星探测器上发出的电波经过4亿公里再传到地球后会十分微弱，再加上宇宙中的噪声，很容易把传输信号淹没掉。而通过增大地面接收天线的口径，也就是接收面积，是提高信号强度的基本途径。 火星离地球的距离最远的时候有4亿公里，比月球要远1000倍，一般小的天线就已经接触不到了，灵敏度不够。所以需要一个更大的天线，才能把这个很远距离传回来的很微弱的信号接收到。 通过科研人员的科学分析与计算、专家的反复论证，需要新建一座70米高性能数据接收天线，来完成这个首次火星探测的数据接收任务。 在中国科学院国家天文台武清站有一台直径70米、全亚洲最大的单口径全可动天线。它就是天问一号探测任务科学数据接收最关键的设备。这台直径为70米的天线为轮轨式抛物面反射镜天线，是一台全方位可转动的望远镜，高72米，总重约2700吨。在钢筋混凝土地基上，以中央的天线枢轴为中心，它可以在水平和俯仰两个方向转动，以实现对观测目标的精确跟踪。 在我国首次火星探测任务中，除了这台新建的70米天线，我国还利用了早期建设的两台40米天线和一台50米天线，共同配合来完成火星数据的接收任务。“现在我们把4个天线合起来后，能收集（相当于）103米直径面积的信号，它的信噪比就会更高，更微弱的信号也能收集到。”中国首次火星探测任务工程副总设计师李春来说。强大“心脏”：双曲面结构天线 由于火星距离地球较远，火星探测器上发出的信号在回传过程中，会随着距离的变大而衰减。为了捕捉到这些珍贵而又微弱的信号，研制团队采用了大口径双曲面天线来接收数据，既保证能够接收到足够的信号量，同时也保证了传输数据的准确性。 从火星探测器上回传数据，就相当于在探测器上用一支激光笔照向地球。为了捕捉到探测数据的信号，70米天线采用了抛物面结构，由主反射面和副反射面组成，无线电波经过主、副反射面反射，最后聚焦于被称为馈源的接收装置，提高了天线效率和抗干扰能力。 祝融号火星车在登陆火星之后，所有的数据会通过天问一号的环绕器发射到主反射面。主反射面进行第二次反射，反射到副反射面。最后通过副反射面发射到下面的馈源。 “信号的强度是与距离的平方成反比，所以距离越远，信号衰减得就越厉害，到我们这地方信号已经非常微弱了。正好就用双曲面把它再进行第二次聚焦。70米直径的信号经过两次反射以后，再进入到馈源里面，收集变成一个小波束，然后把它变成电信号，就可以在线缆里面传了。 ”李春来解释说。 馈源又被称为天线的心脏，可以提高天线的工作效率。这座70米高性能数据接收天线有大、中、小三台馈源可供使用，以确保更准确地接收火星数据。它是连接电磁波和电信号的一个重要的连接部件。经过主反射面反射以后，副反射面二次反射，最终通过馈源进行收集，把空间的电磁波转化为电信号。接收火星数据快速回传70米天线接收完数据之后怎么处理？我们看到的祝融号拍摄的火星图片又是如何从数据变成图片的呢？ 武清地面站是天问一号数据接收的一个最重要的地面站。接收到的天问一号探测器发送的电磁波，在地面站进行解码处理，然后通过专门的光纤线路发送给天文台总部。 这座天线接收到从火星上获得的信息后，会再通过地面站的高速终端设备，将接收到的信号进行处理并快速传回北京总部。从接收到光端机传回北京总部整个过程自动化处理，分钟级就会完成。 祝融号火星车在火星上拍摄的照片，通过数据传输的方式，在70米天线进行接收之后，最终所有的数据需要汇集到位于北京国家天文台的天问一号任务地面应用系统的运行控制与科学操作中心。 祝融号拍摄的火星图片又是如何从数据变成图片的呢？中国首次火星探测任务地面应用系统总设计师刘建军介绍，祝融号在着陆器平台上首先进行360度环拍，一共24张照片。然后在武清站的70米天线可视的时候把它传回到地面。像快递一样有一个外包装盒。在武清地面站要把外包装盒打开，就能够拿到图像数据，再到总部经过数据处理，形成一幅幅照片。这一幅幅的照片生成后，还要进行颜色校正，让它符合人的视觉感受，来更真实地呈现祝融号火星车所拍摄的火星表面的效果。为深空探测打下坚实基础 火星探测任务正式拉开了我国深空探测的序幕。根据规划，未来我国还将对土星、木星以及其他小行星进行探测，而70米天线作为我国深空探测的主力装备，也将承担数据接收等多项重任。 70米天线的建设，相当于架起了火星和地面信息传输的桥梁。如果我们没有70米天线，数据的传输码速率会下降三四倍。比如说可以传4张图，如果没有这个天线，可能只能传一张图，数据会非常少。即使在火星上拍了很多照片，获得了很多数据，但是传不回来。所以信息链路的宽窄和能力是非常重要的一个指标，也能够使我们的科学探测更加自如，可以获得更多的数据。 除了火星探测任务，我国还计划在“十四五”期间，执行对木星和行星际穿越的探测。相对于火星来说，木星距离地球更远，作为目前我国深空探测的主力军，70米天线也将发挥重要作用。本版文图据新华社、《央视新闻》