深空测控网:为“天问一号”指路

来源:中国军网-解放军报作者:吕炳宏 何 耀 武勇江 安普忠责任编辑:杨凡凡
2020-09-25 07:41

深空测控网:为“天问一号”指路

■吕炳宏 何 耀 武勇江 解放军报记者 安普忠

上图为我国深空测控站在执行“天问一号”测控任务。吕炳宏摄

今年7月,“天问一号”承载着中国航天人的探索和追寻,飞向深远太空,开启了中国的火星之旅。

作为支持深空探测任务实施的核心系统,深空测控网在其中具有不可替代的重要地位和作用。如果说,离开地球怀抱的“天问一号”像茫茫大海中的一叶扁舟,那深空测控网就是为它指引方向的“灯塔”。

历时近7个月任务周期,最远将近4亿公里的测控距离,对于年轻的中国深空测控网与航天测控人而言,这是一场前所未有的挑战。

测控系统是航天任务中的重要组成部分。航天器和测控系统的关系,犹如船与灯塔、风筝与线,后者指引着前者的方向、维系着前者的安危。

相比于一般航天测控任务,深空测控任务具有跟踪测量距离远、信号传输时延高、导航测量难度大、任务持续周期长等特点。因此,深空测控系统又被认为是测控系统中的升级版。

深空测控系统,一般由深空航天器上的星载测控分系统、地面的深空测控站、深空任务飞行控制中心以及将地面各组成部分连接在一起的通信网构成。

大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度的接收系统、信号处理系统以及高精度高稳定度的时间频率系统,都是深空测控网必不可少的“标配”。其功用,在于来获取深空航天器的无线电跟踪测量数据,发送上行指令,实现对深空航天器的遥控,并用于无线电科学和雷达天文学研究。

当然,要想时刻紧紧攥住这根“风筝线”,必须在地球上实现对深空航天器的连续测控覆盖。为了克服地球自转的影响,深空测控网的布局,通常是在全球范围内布站,尽可能减少测控盲区。

随着人类探索宇宙的脚步越走越远,越来越多的航天大国开始研制设备并建设自己的深空测控网。

布 网

2004年1月,我国正式启动月球探测工程,拉开了深空探测的序幕。

尽管我国已组建了由国内外陆基站点、海基测量船组成的航天测控网,但面对距离地球38万公里的月球,当时的我们仍有点力不从心。

2007年,为支撑起探月工程“绕、落、回”三步走的第一步——嫦娥一号绕月测控任务,中国西安卫星测控中心所属青岛、喀什测控站分别新建了两座18米口径测控天线,形成了中国深空测控网的雏形。

面对“三步走”中数据通信更密集、实时性要求更高的嫦娥三号落月任务,2012年底,我国利用国土纵深优势,在接近祖国“西极”的新疆喀什和接近祖国“东极”的黑龙江佳木斯,分别建设的两座深空测控站正式投入使用。至此,中国深空测控网已初具规模。

硬件水平虽然跟上了,但仅靠两大深空站,我们仍无法实现对深空航天器的全时段测控覆盖。

为了更好地服务后续一系列深空探测任务,我国还在海外建成了首个深空测控站。

作为支撑国家重大航天工程任务的重要基础设施,中国深空测控网在短短十几年间从无到有,覆盖率与性能从近乎空白跃升至世界前列,不仅兼具多频段测控能力,更集测控、数据传输等多种功能于一体。它还可兼顾我国月球探测及行星探测,更能在技术体制上与国际主流的深空任务测控体制相兼容,利于国际合作与任务交互支持。

出 道

用“出道即精彩”来描述中国深空测控网也不为过。

在那段中国航天初涉深空的日子里,坐落于祖国东、西边陲的两个测控站,为千百年来始终胸怀飞天梦想的华夏儿女,一次次刷新了深空测控的“中国距离”。

2012年12月13日,在佳木斯、喀什深空测控站的测控支持下,正在执行“拓展试验任务”的嫦娥二号探测器,在距离地球约700万公里的深空,与编号为4179号的小行星“图塔蒂斯”擦肩而过,完成了人类对该小行星的首次近距离光学成像。

2000万公里、5000万公里、6100万公里……嫦娥二号屡破纪录。与此同时,来自探测器的下行信号也越来越弱。在2014年,探测器下行信号逐渐消失。中国深空测控网“初出茅庐”,测控距离就已刷新至1亿公里。

2013年12月,佳木斯、喀什深空测控站两套全新打造的深空测控天线,正式作为参试设备参加嫦娥三号任务,完成了探测器地月转移、环月、动力下降、月面工作段的各项测控任务。受月面复杂环境影响,第二次休眠前,“玉兔号”月球车机构控制出现异常。经过佳木斯深空测控站两天两夜的“呼唤”,终于在2014年2月12日夜里,“玉兔”被成功“唤醒”,中国深空测控能力再次得到检验。

我国深空测控网的设计性能指标上限是4亿公里,这样的距离已经完全满足火星探测的需要。

然而,中国“牧星人”的志向何止4亿公里。2015年7月,在“新视野号”探测器飞掠冥王星进行科学观测时,佳木斯深空测控站成功捕获探测器信号,最远跟踪距离达到47.6亿公里。2017年9月,我国深空测控网首次实现了对“卡西尼号”探测器坠毁土星全过程的跟踪测量,为我国实施后续的更遥远的自主深空探测任务,积累了宝贵技术与经验。

2018年,我国相继发射“鹊桥”中继星与嫦娥四号探测器,并于2019年初实现了人类探测器首次月球背面软着陆。刚刚投入使用的海外深空测控站,与国内两大深空测控站完成组网,中国深空测控网实现首次全网执行测控任务。其全网协同工作、稳定可靠运行、多频段与多目标联合测控等能力,在此次任务中经受住了全面检验。

今年7月23日,“天问一号”在文昌航天发射场发射成功。器箭分离10分钟后,探测器接收到了来自海外深空测控站的第一声问候。近9个小时后,位于喀什、佳木斯的深空测控站也相继捕获目标。在后续全任务阶段中,中国深空测控网将持续接收、记录探测器遥测、数传数据,并实施测轨和上行遥控以及干涉测量原始数据的采集记录与传输。

此刻,“天问一号”正向着火星的方向疾速飞去,中国深空测控网也将时刻陪伴“天问一号”走好每一步,走好中国行星探测每一步。

前 途

除去正在“奔火”途中的“天问一号”和正在开展科学探测活动的嫦娥四号,我国还将陆续实施中国探月工程四期任务及后续各项深空探测任务。

随着中国人迈向深空的脚步越走越远,中国深空测控网的规模和性能也将持续升级,以适应未来深空测控任务中更复杂的测控体制、更遥远的通信距离、更高的深空导航精度等诸多全新挑战。

今年年底前,我国首个深空天线组阵系统将在喀什深空测控站正式投入使用,并应用于“天问一号”任务中。

在后续深空测控任务中,我们要具备一双“好耳朵”——用于接收遥远距离外的微弱信号,更要具备一个“大嗓门”——通过研制大功率发射机,实现高速数据的可靠注入,进一步提升深空测控网的上行指令发送能力。

除此之外,我国深空测控网,在未来还可用于高精度时空基准测量、天体引力场测量以及射电天文观测等,为科学探测和时空基准测量提供有力支撑。

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