自1960年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆火星探測(cè)器火星一號(hào)至今，人類先后向火星發(fā)射了數(shù)十顆探測(cè)器，其中美國(guó)通過(guò)歷次火星探測(cè)任務(wù)，先后實(shí)現(xiàn)了對(duì)其飛掠、環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)，獲取了大量探測(cè)數(shù)據(jù)，讓人類對(duì)火星這個(gè)神秘天體有了越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)。
火星探測(cè)器家族
火星與地球間距離在8000萬(wàn)至4億千米之間變化，受到發(fā)射能力限制，為盡可能的節(jié)省能量，就需要選擇合適的時(shí)機(jī)發(fā)射火星探測(cè)器。發(fā)射時(shí)機(jī)是由地球和火星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律所決定的。地球繞日運(yùn)動(dòng)一周得時(shí)間約為365.242天，火星繞日運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間約為689.980天。對(duì)于地火轉(zhuǎn)移軌道而言，當(dāng)?shù)厍蚝突鹦窍鄬?duì)位置關(guān)系滿足圖2時(shí)，發(fā)射所需能量最小，此時(shí)就是最佳發(fā)射時(shí)機(jī)，該機(jī)會(huì)約每780天（26個(gè)月）出現(xiàn)一次，即火星探測(cè)任務(wù)的發(fā)射窗口。利用霍曼轉(zhuǎn)移軌道（發(fā)射能量要求最?。┚湍苁固綔y(cè)器在最佳條件下進(jìn)入環(huán)繞火星飛行的軌道。目前最近的一次地火轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)就在2020年7月至8月，而下一次機(jī)會(huì)則就要等到2022年的下半年了。
地火霍曼轉(zhuǎn)移軌道示意圖
受到飛行距離遠(yuǎn)、信號(hào)時(shí)延大、飛行動(dòng)態(tài)高、飛行過(guò)程復(fù)雜等因素影響，對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)控通信與近地、月球探測(cè)器在工作頻率、測(cè)控通信設(shè)備配置、使用模式等方面都有很大不同。今天就讓我們來(lái)了解一下火星探測(cè)中天地測(cè)控通信設(shè)備配置和使用吧。
為了解決遠(yuǎn)距離帶來(lái)的各種難題，地面必須采用深空測(cè)控設(shè)備完成探測(cè)器的上行指令發(fā)送、下行數(shù)據(jù)接收和軌道測(cè)量等工作，必要時(shí)還將使用天線組陣技術(shù)，以提高測(cè)控性能。深空測(cè)控設(shè)備通常具備以下主要特點(diǎn)：
天線口徑大：目前國(guó)際上用于深空測(cè)控的天線口徑最大達(dá)到70m；
接收靈敏度高：通常優(yōu)于-200dBW；
系統(tǒng)內(nèi)部噪聲溫度低：采用低溫制冷等技術(shù)，低至幾十K；
發(fā)射功率高：能夠達(dá)到數(shù)十乃至數(shù)百千瓦；
能夠支持S/X/Ka等多個(gè)頻段的全功能測(cè)控。
與地面深空測(cè)控設(shè)備配合，探測(cè)器上也配置了高性能的深空應(yīng)答機(jī)。通常具有以下主要特點(diǎn)：
大口徑天線：高增益天線口徑達(dá)到數(shù)米，如美國(guó)火星勘察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上配置的高增益天線口徑就達(dá)到了3m；
高性能應(yīng)答機(jī)：接收靈敏度優(yōu)于-150dBm；
高功率發(fā)射機(jī)：發(fā)射功率達(dá)到幾十、上百乃至千瓦級(jí)；
多種類型應(yīng)答機(jī)和天線：具備S/X/Ka和UHF頻段等通信能力，適應(yīng)各任務(wù)階段需求；
中繼通信：配置中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)現(xiàn)火星表面探測(cè)器數(shù)據(jù)的中繼高速傳輸。
地面與火星探測(cè)器之間的測(cè)控通常有兩種方式：
直接通信：地面深空測(cè)控設(shè)備與探測(cè)器測(cè)控設(shè)備直接建立通信鏈路，完成數(shù)據(jù)收發(fā)和軌道測(cè)量；
中繼通信：地面深空測(cè)控設(shè)備通過(guò)在軌飛行的中繼星（配置中繼終端）接力，完成與其他探測(cè)器（環(huán)繞器或火星表面探測(cè)器）的數(shù)據(jù)收發(fā)和軌道測(cè)量。
圖3給出了美國(guó)NASA深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）與其火星探測(cè)器之間的兩種通信方式。
圖3NASA深空網(wǎng)與火星探測(cè)器的通信方式示意圖
以下讓我們來(lái)了解一下美國(guó)好奇號(hào)火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通信設(shè)備配置和器地通信過(guò)程。
好奇號(hào)火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室于2011年11月26日，在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡那維拉爾角發(fā)射中心利用阿特拉斯Ⅴ運(yùn)載火箭發(fā)射升空，先后經(jīng)歷發(fā)射段、巡航段、進(jìn)入下降著陸（Entry, Descent, and Landing，EDL）段，并于2012年8月6日成功著陸于火星蓋爾撞擊坑。
好奇號(hào)主要由巡航級(jí)、背殼、下降級(jí)、漫游器和防熱大底五部分組成，主要利用X和UHF頻段完成控制、監(jiān)視、測(cè)量和導(dǎo)航等工作。好奇號(hào)在巡航級(jí)、降落傘錐、下降級(jí)和漫游器上均配置了測(cè)控通信設(shè)備；其中，在巡航段、EDL段和火星表面工作期間通過(guò)X頻段與地面深空測(cè)控設(shè)備通信，在EDL段和火星表面工作期間探測(cè)器與環(huán)繞火星軌道器之間的中繼通信通過(guò)UHF頻段完成。
圖 4 火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要組成分解圖
好奇號(hào)X頻段對(duì)地通信
好奇號(hào)下降級(jí)和漫游器均配備了1臺(tái)X頻段小型深空應(yīng)答機(jī)。見(jiàn)圖5所示。
巡航段使用下降級(jí)上的X頻段設(shè)備，包括小型深空應(yīng)答機(jī)（Small Deep Space Transponder，SDST）和行波管放大器（Travelling Wave Tube Amplifiers，TWTA），巡視器上的X頻段設(shè)備包括SDST和固態(tài)功率放大器（Solid-State Power Ampli?er，SSPA）作為備份；巡航段和EDL最初階段使用巡航級(jí)上的X頻段中增益天線（Medium-Gain Antenna，MGA）和降落傘低增益天線PLGA（Low-Gain Antenna，LGA）。MGA增益較大、波束寬度較窄；PLGA的波束寬度較大，增益較小。在任意給定時(shí)段，選擇使用MGA和PLGA中的1副天線。
EDL開(kāi)始時(shí)，首先彈射出連同MGA一起的巡航級(jí)，按序選擇PLGA、TLGA（降落傘斜裝低增益天線）和DLGA（下降級(jí)低增益天線），此時(shí)僅進(jìn)行下行通信；在傾斜機(jī)動(dòng)時(shí)，使用TLGA，以最大限度地保持對(duì)地通信鏈路；背板分離時(shí)，降落傘椎體已脫離，TLGA也隨之舍棄。剩余的動(dòng)力下降過(guò)程利用DLGA保持下行鏈路，當(dāng)背板分離時(shí)DLGA開(kāi)始發(fā)送信號(hào)。
漫游器著陸時(shí)，繩索被切斷，下降級(jí)飛離。由于SDST、TWTA和DLGA均位于下降級(jí)上，因此無(wú)法有效利用這些設(shè)備，同時(shí)此刻地面深空測(cè)控設(shè)備對(duì)漫游器已不可見(jiàn)。巡視器的X頻段測(cè)控設(shè)備在EDL結(jié)束后首次使用。
圖 6 火星著陸過(guò)程示意圖（好奇號(hào)火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室
好奇號(hào)UHF頻段通信
UHF頻段（Ultra High Frequency，UHF）主要用于好奇號(hào)與火星環(huán)繞器之間的中繼數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而由環(huán)繞器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)地面。前向鏈路頻率范圍435 —450 MHz，返向鏈路頻率范圍390—405 MHz。好奇號(hào)EDL期間，所有三個(gè)UHF天線都要使用：從巡航級(jí)分離到背板展開(kāi)期間使用PUHF天線（降落傘UHF天線），動(dòng)力下降期間使用DUHF天線（下降級(jí)UHF天線），空中起重機(jī)工作期間及其后（從著陸后1min至火星表面任務(wù)結(jié)束）使用漫游器上的RUHF天線（下降級(jí)UHF天線）。DUHF天線的同軸轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(D-UTCS)可以在DUHF和PUHF天線間選擇，RUHF天線同軸轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(R-UTCS)在RUHF和DUHF天線間選擇，如圖7所示。
好奇號(hào)在火星表面巡視探測(cè)期間主要利用環(huán)繞火星飛行的軌道器完成對(duì)地中繼通信，軌道器與地面之間采用X或Ka頻段通信，通信過(guò)程示意見(jiàn)圖8。
圖8 好奇號(hào)探測(cè)器中繼通信過(guò)程示意圖（以火星勘察軌道器為例）
數(shù)據(jù)中繼是火星表面探測(cè)器在火星表面工作期間對(duì)地科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的主要方式。目前環(huán)繞火星運(yùn)行并可用于火星表面探測(cè)器中繼通信的軌道器主要包括NASA的火星奧德賽、火星勘察軌道器（MRO）、火星大氣與揮發(fā)物演化探測(cè)器（MAVEN）以及ESA的火星快車和痕量氣體軌道器等，見(jiàn)圖9所示。
圖9 現(xiàn)有用于火星表面探測(cè)器中繼通信的軌道器
承擔(dān)中繼任務(wù)的軌道器均配置了UHF收發(fā)信機(jī)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和高性能對(duì)地通信設(shè)備。如：NASA的火星勘察軌道器，它攜帶了一幅口徑3m的高增益天線，發(fā)射功率達(dá)到102W（X頻段）和35W（Ka頻段），用于對(duì)地的高速數(shù)據(jù)傳輸；ESA的痕量氣體軌道器攜帶了一幅口徑2.2m的高增益天線，最大發(fā)射功率達(dá)到65W。這些配置都有效保證了火星環(huán)繞和表面探測(cè)期間的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)輸出，為任務(wù)實(shí)施提供保障。
NASA深空測(cè)控支持設(shè)備
NASA執(zhí)行好奇號(hào)測(cè)控任務(wù)的地面測(cè)控設(shè)主要包括其位于戈?duì)柕滤雇ā⒖迸嗬婉R德里70m和34m天線組成的深空網(wǎng)。雖然NASA的許多深空任務(wù)都可以使用多個(gè)34m天線組陣提高以下行接收能力，但火星距離地面的距離并不算特別遙遠(yuǎn)，利用現(xiàn)有設(shè)備能夠滿足上下行數(shù)據(jù)傳輸需求，因此在任務(wù)中沒(méi)有使用天線組陣技術(shù)。NASA深空網(wǎng)主用設(shè)備見(jiàn)圖10所示。
為了適應(yīng)我國(guó)月球和火星等深空探測(cè)任務(wù)需求，經(jīng)過(guò)科技人員的刻苦攻關(guān)，我國(guó)已建成了包括佳木斯66m、喀什35m和阿根廷35m三個(gè)深空測(cè)控站在內(nèi)的全球布站的深空測(cè)控網(wǎng)（如圖11所示），各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，使我國(guó)成為第三個(gè)具有全球布站深空網(wǎng)的國(guó)家。
2020年是火星探測(cè)活動(dòng)的窗口期，火星探測(cè)將成為今年國(guó)際航天發(fā)射活動(dòng)中的絕對(duì)亮點(diǎn)。7月，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器將出征奔向深空，包括環(huán)繞器和著陸巡視器，將一步實(shí)現(xiàn)火星繞、落、巡探測(cè)，其中環(huán)繞器環(huán)繞火星開(kāi)展科學(xué)探測(cè)并為巡視器提供中繼通信服務(wù)，著陸巡視器在火星表面開(kāi)展巡視勘察。屆時(shí)，也將利用我國(guó)的深空測(cè)控網(wǎng)為其提供測(cè)控支持，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)億千米探測(cè)器的遙測(cè)、遙控和軌道測(cè)量。讓我們共同祝愿她順利登陸火星，為我們上演一部中國(guó)人導(dǎo)演的火星探測(cè)大片。
圖12 我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器示意圖
