作者:高长安 庄芳 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/23 21:29:41
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为我国首次火星探测任务保驾护航

 

7月23日,长征五号遥四运载火箭在海南文昌发射场将火星探测器“天问一号”成功送往太空,踏上国人满载期望的火星探测之旅。中国电子科技集团公司第54研究所(简称“54所”)着力提升深空测控能力,“编织”更加灵敏而密实的深空探测网,为火星探测任务全过程提供坚实的技术保障。

据悉,这是我国第一次向火星发射探测卫星,也是长征五号系列运载火箭首次应用性发射,是我国运载火箭首次执行地球-火星转移轨道发射任务。

火星探测工程是我国继载人航天工程、探月工程之后又一个重大空间探索项目,也是我国首次开展的地外行星空间环境探测活动。本次发射,将实现火星环绕、着陆和巡视探测三大任务,获取火星探测科学数据,正式迈出我国行星探测的第一步。

54所技术人员积几十年之功,在护航载人航天工程和探月工程之后,再次作为技术担当,为我国火星探测任务继续贡献自己的力量。

为你指路,护你出征:控好“天问”风筝线

我国是全球首个在第一次火星探测中就完成“绕、落、巡”三项任务的国家。“天问一号”任务重大并被给予了深切的厚望。深空测控系统贯穿三项任务全过程,是我们控“天问”的风筝线,也是我们看火星的千里眼和顺风耳。54所“天问一号”任务测控系统总师耿虎军介绍,在本次火星探测任务中,“我们研制的多型测控系统,在探测器发射、火星环绕、着陆和巡视探测各个阶段,执行地面遥控、遥测、高精度的目标导航、数据接收等任务,为首次火星探测提供坚实测控和通信技术保障。”

“火星距地遥远,传统的GPS和北斗等导航手段对于遥远的探测器来讲已经无能为力,而地面深空站可以为她提供精密的测量与导航服务,保障‘天问一号’按照预定的轨迹升空,并实现其环绕火星、着陆及开展巡视探测等一系列活动。能否做到精准的目标导航,是任务成功的重要前提。”耿虎军说。

在任务的全过程中,散布在广袤大地上的一个个深空测控站,通过这张看不见的“深空测控网”,将一条条命令及时准确地送达远在上亿公里之外的探测器上,精准执行轨道转换、着巡器与环绕器分离、火星着陆等任务所需的远程控制;高性能接收探测器获得的火星图像、火星形态结构等科学数据,同时接收探测器发回地球的遥测信息,全程掌控任务设备状态,并为任务提供数据支持。

当“天问一号”正式着陆,并在火星表面开展巡视探测后,54所研制的喀什深空测控站将在未来三年的任务时段内,持续对“天问一号”系列探测器进行长期管理,为任务提供每天大于12小时的高可靠的遥控、遥测、数据接收和精密导航支持。

提升测控能力:为“天问一号”新研制深空天线组阵系统

54所作为设备总体单位,主持了喀什4套35米天线组阵系统的研制建设。“这套系统,为火星探测任务而研制,它可以实现对远在4亿公里以外的火星探测器进行极高灵敏度的微弱信号组阵接收。”耿虎军指出,它的研制,为未来我国走向更深远的太空提供了雄厚的测控技术储备。

在广袤的星际空间,探测器距离地球会非常遥远,这导致地面站接收到的信号极其微弱。54所通过组阵技术,将4套35米天线进行组阵合成,可以将多个天线接收到的微弱信号汇合起来,能够极大地增强地面系统的接收能力。据悉,这套系统,达到了等效口径66米的接收效果,“以较小的成本代价和最优的性价比,满足了深空任务的数据接收需求”。

54所技术人员通过扩展组阵系统中的天线单元数量,用最简易的方法,实现了系统整体性能提升。该组阵系统建设突破了不少关键技术,采用高性能的实时及事后多天线信号组阵合成算法,通过多天线系统的综合资源调度以及任务管理,实现天线单元间高同步高精度的时频信号分发以及数字化采样,从而为接收“天问一号”探测器传回的微弱信号提供高质量服务。

适应性改造:让已有测控设备“旧貌换新颜”

在“天问一号”火星探测任务中,我国第一代深空测控网的喀什35米多频段深空测控站作为主干力量,为任务提供强大的测控保障。

54所作为设备总体单位,为探月工程研制的喀什35米深空测控系统,在本次任务中的地火轨道转移、行星际巡航以及火星捕获的多个关键测控弧段,继续发挥着不可替代的关键作用。“本次火星探测任务状态复杂,要经历地火转移、绕、落、巡等多个阶段,测控距离遥远,‘天问一号’最远探测距离达4亿公里以上,测控弧段长,接收的信号极其微弱,同时伴随很高的频率动态变化,为满足这些需要,我们对喀什深空测控系统进行了适应性改造。”54所某测控系统总师闫玉巧指出。

“天问一号”火星探测器成功进入地火转移后,喀什深空站将为其提供全程测控支持,近七个月的地火转移时间,对深空测控系统是前所未有的考验。针对火星探测的任务特点,54所技术人员刻苦攻关,通过艰苦的改造工作和大量针对性测试工作,大大提升了系统精细的频率步进等能力。

作为地面测控系统的重要组成部分,监控分系统是整个地面探测系统的“大脑”和“指挥中枢”,是关联发射、接收、数据处理等各分系统的纽带。“高效的监视控制功能、友好的人界操作界面、高智能的自动判别自动控制功能,事关整个任务的成败。”该系统的软件负责人及副总设计师朱志青说,54所技术人员针对火星探测任务实施周期长、模式复杂等特点,对系统监控软件进行了相应的适应性改造,增加多场景的任务参数设置,实现了多场景任意设置、多参数优化组合、多模式快速切换,增加相关状态的时间趋势图显示和关键状态变化的声光告警功能,大大提升了监控分系统的效率、稳定性和可靠性,真正实现了系统任务的“有人值守,无人操控”。

 
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