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飞往火星的4亿公里路程，谁在给“天问一号”导航

飞往火星的4亿公里路程，谁在给“天问一号”导航
我国第一个火星探测器——“天问一号”正在赶赴火星的征途中 ， 探测器将在当前轨道飞行约4个月后与火星交会 ， 期间将实施两到三次轨道中途修正 。 在飞往火星的遥远路程中 ， 是谁在给“天问一号”导航？请听火星/探月任务VLBI分系统副主任设计师吴晓静在“造就Talk”上讲述“天问一号”的故事 。 以下为演讲主要内容 。飞往火星的4亿公里路程，谁在给“天问一号”导航
吴晓静在演讲中 。 （图片由“造就Talk”提供）『如何为火星探测器导航』今天我给大家讲一讲VLBI是怎么给“天问一号”导航的 。在北京飞控中心给探测器发出的控制指令 ， 是为了给探测器定轨 ， 控制它平稳地飞在预设的奔火轨道上 。 而定轨离不开测量 ， 测量就是VLBI要做的事情 。VLBI ， 简单来说 ， 就是为探测器开个导航 。 从字面上理解 ， VLBI是Very Long Baseline Interferometry ， 也就是“甚长基线干涉测量” 。 从原理上来讲 ， 甚长基线干涉测量就是用多个远距离望远镜接收同一天体的无线电波信号 ， 进行干涉处理运算 ， 从而获得射电图像 。VLBI的测量值包括时延、时延率、幅度、相位等 ， 分别描述射电源的位置信息以及亮度分布信息 。 中国的VLBI网分布在我国的4个省区市 ， 分别是上海、北京、新疆和云南昆明 ， 其分辨率相当于一台口径为3000公里的综合望远镜 。在探月或深空任务中 ， VLBI分系统属于测控系统 。 它对垂直于探测器视线方向上的位置变化有很高的灵敏度 ， 能与提供视线方向上的测距测速数据形成互补 。 VLBI技术的优势在于短弧定轨 ， 尤其是关键控制点（如中途修正）的轨道预报 。 比如 ， 月球探测卫星“嫦娥二号”在奔赴距离地球约150万公里的拉格朗日点L2点时 ， 在中途修正后的6小时短弧定轨 ， 仅使用测距测速 ， 定轨位置误差约45公里 ， 速度误差为0.18m/s；而加入VLBI后 ， 定轨误差为6公里 ， 速度误差为0.03m/s 。 定轨精度可以提高一个量级 。这次火星探测任务中 ， VLBI要做的工作就是对火星探测器进行测量和定轨 ， 并对探测器飞行过程中的轨控和姿控过程进行监视和测量 ， 特别是在中途修正、近火减速等这些关键控制点上突显作用 。为什么一直要强调精度？因为如果精度不够 ， 探测器将可能失联 ， 或者在近火段与火星擦肩而过 ， 也可能直接撞上火星 。 1998年 ， 火星气候轨道器在进入火星轨道时就曾经失联 。 这个夭折事件说明 ， 未使用VLBI技术 ， 不能及时发现问题可能会导致任务失败 。『解决火星巡航的三大难点』“天问一号”在火星巡航时有哪些难点？第一个难点是距离 。 火星离地球的最远距离是4亿公里——是地月距离的1000倍 。 无线电波在以光速向外辐射时 ， 强度是以传播距离的平方衰减的 。 亿级距离的信号 ， 在传输到地球上的时候已经严重衰减 。 通常是采用更大口径的天线来接收弱信号 ， 而目前我国VLBI地面天线较大口径的只有65米的天线 ， 所以必须从技术处理手段上来提高探测器的检出能力 。第二个难点是时延 。 月球的单程通信是1.3秒 ， 我们几乎可以实时控制月球探测器 。 但是火星的最远单程通信需要22分钟 ， 也就是说地面不能及时对探测器进行控制 。 我们只能尽可能地减小测轨误差 。我们假设VLBI时延测量误差为1ns(0.3m) ， 那么对于2亿公里远的探测器来说 ， 其测轨误差约为2亿公里/3000km(基线)×0.3m=20km 。 所以 ， 要想提高火星探测器的轨道精度 ， 我们必须想办法提高VLBI的时延测量精度 。而且 ， 在信号传输过程中 ， 还会有大气层、电离层、太阳风暴等各种可能影响精度的误差因素 ， 地面设备在接收信号时也会有不同的时延误差 。 为此 ， 我们通过研制新的硬件设备、改进软件算法等方法来尽力修正误差 。第三个难点是定轨 。 登陆火星的任务简单来说可以分为三个阶段：奔火段、环火段、火面工作段 。在奔火过程中 ， 卫星轨道的动力学约束是很弱的 ， 定轨精度几乎取决于测量精度 ， 所以VLBI是必需的 。 这个阶段长达6.5个月 ， VLBI需要长时间稳定可靠地提供高精度测量结果 。 在这个阶段 ， 定轨模型设计需要考虑高精度的运动建模以及中长期的轨道预报 。在环火阶段 ， 卫星的轨道约束力比较强 ， 测距测速可以提供轨道预报 ， 若加上VLBI ， 很快就可以定轨 。 这个阶段VLBI定轨需要建立火星自转参考系 ， 考虑各天体的旋转关系和位置关系 。探测器的轨道 ， 选择了最简单也是变轨最少的霍曼转移轨道 。 通过两次加速推进 ， 就可以到达火星环绕所需的轨道 。 我们也根据VLBI的实测数据 ， 选择了最优的定轨策略 。『VLBI的发展与未来』从“天问一号”发射至今的实测数据来看 ， 在4个VLBI站10度以上的全仰角观测 ， 时延精度可以达到0.2-0.3ns 。 这个精度应该说是达到了国际先进水平 。我们的探测器到过月球 ， 明年要到火星 ， 那么将来它还会去哪里？还会去探测小行星、木星 ， 甚至更远的地方 。 我们会继续去探测有液态水的星球 ， 去寻找有生命的天体 。可是 ， 越往深空探测 ， 测控通信和轨道巡航就越难 。 我们应该怎么继续提高深空领域VLBI的测量精度呢？一、我们可以通过建设更多像天马望远镜那样65米大口径的天线 ， 提高深空领域弱信号的搜索能力 。 二、我们可以走出去 ， 建设空间VLBI站 ， 大幅度增加VLBI的基线长度 ， 来提高它的分辨率 。VLBI分系统不仅能应用于天文学研究或者航天工程 ， 也可以应用于大地测量、天体物理、地球动力学等各个领域 。 比如去年轰动一时的黑洞照片 ， 就是利用VLBI的高分辨率特征获得的 。从月球到火星 ， 再到黑洞 ， 我们不断探索VLBI技术的可能性和可拓展的空间 ， 试图去探索更深层次的宇宙现象 。 毕竟 ， 奥妙的宇宙值得我们去看一看 ， 那里有我们眼睛看不到的地方 。来源: 上观新闻


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