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火星|天问一号传回首幅火星图像，这根“大天线”功不可没！

火星天问一号探测器黑龙江佳木斯中电天奥深空测控站

四川在线采访人员 徐莉莎
恐怕没有哪位摄影师 ， 能像天问一号探测器 ， 发张照片就冲上热搜 。 去年刷屏的是地月合影 ， 这次是火星图像！
2月5日 ， 国家航天局公布了“天问一号”探测器传回的首幅火星图像 。 这是我国拍摄到的第一张火星照片！
火星|天问一号传回首幅火星图像，这根“大天线”功不可没！
文章插图

▲图源 人民日报
图中 ， 火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑 ， 以及最长的峡谷—水手谷等标志性地貌清晰可见 。
在茫茫太空中 ， 没有手机网络 ， 天问一号怎么把图像传输回地球？它距离火星220万公里 ， 如何保证拍到高清画面？采访人员连线采访了中电天奥有限公司我国首次火星探测任务66m深空测控设备总设计师杜丹 。
距离220万公里的拍摄
杜丹告诉采访人员 ， 这张照片拍摄于1月30日 。 当时 ， 天问一号距离火星220万公里 。
从北京到上海 ， 直接距离不过1000多公里 。 天问一号当时与火星相隔220万公里 ， 照片怎么拍？
火星|天问一号传回首幅火星图像，这根“大天线”功不可没！
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▲位于黑龙江佳木斯的66米深空测控站 ， 由在川央企中电天奥股份有限公司承研
原来 ， 此次“天问一号”的环绕器上搭载了一个高分辨率的拍摄装置 ， 即使在遥远的距离也可以获得火星上平原、高地、峡谷等地形地貌的清晰影像 。 这是一次尝试性拍摄 ， 为我国首次拍摄到火星的图像 。
此后 ， 天问一号还将频繁作为“摄影师”上线 。 待天问一号被火星引力捕获后 ， 环绕火星做地形地貌勘测、选择着陆点 ， 都需要这些照片作为判断依据 。
此外 ， 着陆-巡视器与环绕器分离并着陆火星后 ， 火星车将在火星表面巡视工作 。 为了构建一个完整的地图和地形地貌 ， 火星车也将拍摄大量图片 ， 将数据传输到环绕器 ， 再由环绕器传回到地面 。
相隔1.84亿公里的传输
事实上 ， 天问一号拍照 ， 和我们用手机拍摄的原理相同 。 杜丹说 ， 其特殊之处 ， 在于多了一个相隔上亿公里的传输 。 这么远的距离 ， 照片怎么传？
位于黑龙江佳木斯的66米深空测控站功不可没 。 它有一副直径66米的天线 ， 形似大锅盖 ， 是一个作用距离极远的“遥控器” ， 可以利用10kW功放将地面的指令发送到遥远的距离 ， 实现对日定向、探测器变轨、姿态调整、发动机点火等动作 ， 确保探测器沿正确的轨道飞行以及巡视器最终顺利软着陆 。
火星|天问一号传回首幅火星图像，这根“大天线”功不可没！
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▲位于黑龙江佳木斯的66米深空测控站 ， 由在川央企中电天奥股份有限公司承研
同时 ， 它又是一个行星际距离的“听诊器” ， 具有高灵敏度的接收能力 。 它时刻调整角度 ， 负责在外太空噪声中寻找、捕获探测器信号 ， 建立起探测器到地球之间的通信链路 ， 获得探测器供电、温度、开关等工作状态及载荷参数和科学试验数据 。
在探测器运行良好的情况下 ， “大天线”就能腾出一些空档 ， 接收图片等数传信息 。
为了完成图片等数据的传输 ， 首先要建立通道 。 火星探测器距离地球已达到1.84亿公里 。 通常行星际的数据传输“道路狭窄” ， 意味着信号微弱 ， 有效传输数据的速率很低 。
这时候 ， 深空测控站就发挥作用了 。 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 。
【火星|天问一号传回首幅火星图像，这根“大天线”功不可没！】杜丹为我们还原了这张照片的传输历程 。 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 。
预计2月10日天问一号将被火星捕获
就在采访人员2月6日凌晨连线杜丹时 ， 中电天奥深空测控技术团队还在忙着分析当天的数据 。 几个小时前 ， 他们刚刚“遥控”天问一号完成捕获前的重要一步——地火转移段第四次轨道中途修正 。
火星|天问一号传回首幅火星图像，这根“大天线”功不可没！
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▲中电天奥深空测控技术团队
此次任务启用了20余牛的发动机 ， 点火时间不到10秒 ， 对轨道曲线进行了修正 ， 以确保按计划实施火星捕获 。
捕获 ， 是此次火星探测任务至关重要的环节 。 目前 ， “天问一号”的飞行速度远远超过第二宇宙速度 ， 在接近火星时 ， 探测器将紧急制动“刹车” ， 速度减小一半以上 ， 以成功被火星的引力捕获 ， 成为它的一颗“人造卫星” ， 开启火星环绕之旅 。
这是火星探测任务最关键的节点之一 ， 需要启用3000牛的发动机 ， 点火时间超过10分钟 ， 消耗数百公斤的燃料 。 相比于一辆普通2吨重的小车来说 ， 这是一个极其巨大的“油耗” ， 可见此次“刹车”的控制过程动静不小 。 此外 ， 捕获只有一次机会 ， 天问一号运行速度极快 ， 稍不注意 ， 就可能和火星擦肩而过 ， 飞出太阳系 。
据杜丹介绍 ， 截至2月5日 ， 天问一号已在轨飞行约197天 ， 距地球1.84亿公里 ， 距离火星约110万公里 。 飞行里程约4.65亿公里 ， 目前飞行速度达到每秒20公里 。
按照计划 ， 天问一号将于10号约20点左右紧急“刹车” ， 随后捕获 。 由此进入环火轨道 ， 开启环绕火星之旅 ， 对火星的地形以及着陆点进行勘测 ， 该过程将持续近3个月 ， 预计5月中旬“落火” 。 (本文图片由受访者提供)


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