从地球到火星 | VLBI太空导航4亿千米

  5月15日7时18分,天问一号探测器携带祝融号火星车,成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。

登上火星!飞向火星的旅程中,“天问一号”都经历了什么?

登上火星·高清信息图 /《中国国家天文》X 星球研究所

 

  自2020年7月23日天问一号发射,已过去10个多月,这是自探月工程任务以来,维持实时状态最为长久的一次任务。作为我国行星际探测的首发任务,天问一号任务将一次性实现对火星的“环绕、着陆、巡视”,其重要性和难度不言而喻。

  火星,自转周期24.6小时,跟我们地球很像,绕着太阳做反时针运转,因受到过撞击,也有着春夏秋冬的季节变化特征。自古至今人类已探测近50次,而成功率只有一半。天问一号探测距离是月球探测距离的600-700倍,空间信号的传输环境要远比地月间环境复杂,为确定她的轨道,我们需要解决包括时空参考系、大时延下数据的实时处理及各类时延误差修正等一系列技术问题。

如何为火星探测器导航

  VLBI,简单说就是为探测器开个导航。“VLBI—very long baseline interferometry,“甚长基线干涉测量”,目前角分辨率最高的天文观测技术,利用多个远距离望远镜同时接收同一天体的无线电波信号,在高精度时间频率支持下,采用干涉测量处理方法,获得高分辨率射电图像。”VLBI的优势在于,可以测定航天器的角位置信息,与测距测速形成互补,可以快速精确测定航天器的位置和速度。而且原则上基线长度不受限制,可以达到几千公里,或几十万公里。

  1932年,美国无线电工程师央·斯基用无线电天线探测到来自银河系中心(人马座方向)的射电辐射,打开了人类在传统光学波段之外进行天文观测的第一个窗口,标志着射电天文学的诞生。

  我国的射电天文学研究起步于新中国成立以后,早期只有一些观测太阳射电的几米口径的射电望远镜。上世纪70年代初,澳门葡京酒店葡京官方赌场叶叔华院士提出了建设中国VLBI网的建议。1987年,葡京官方赌场建成我国第一台射电望远镜——上海佘山望远镜。而后逐步建成了可以同时处理四台站大容量VLBI观测数据的相关处理系统,以及科学和航天工程应用的数据处理系统。

  同时,还建立了四个VLBI站到上海VLBI数据处理中心数据传输的网络。2006年5月,四站一中心的VLBI观测系统初步建成,自此,上海、北京、昆明及乌鲁木齐这4个VLBI站和葡京官方赌场的数据处理中心构成了我国的天文测量VLBI网

天文测量VLBI网台站分布图

 

  在探月或深空任务中,VLBI分系统属于测控系统。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。

  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。这次测控通信距离达到2亿千米以上,探测器与地球双向时延超20min,在传输到地球上的时候信号严重衰减;同样的弧度,探测距离以量级增加时,探测器在与视线垂直方向的单点测量误差相比地月之间会明显增大。且在信号传输过程中,大气层、电离层、太阳风暴等各种可能影响精度的误差因素以及光行时的影响都必须考虑。而定轨模型的设计须以太阳和火星为中心天体建立时空参考系,而非以往探月任务中使用的地月参考系。

  在这次天问之行中,VLBI测轨分系统对这些难点都进行了重新设计和优化改进,以保证飞火之旅顺利,提高2亿千米以远的测定轨精度。在近火捕获、火星大气进入点等关键环节将2亿千米的探测器定轨精度提高到1-2千米级。在过去9个多月的时间里,在我国首次把VLBI时延测量精度提高至0.1纳秒,达到了国内领先、世界先进水平。(本文节选自《中国国家天文》5月刊·主题文章“从地球到火星,VLBI太空导航4亿千米”)

随刊附赠 登上火星·高清信息图 《中国国家天文》联合 星球研究所 精品打造

 

作者简介/

吴晓静,澳门葡京酒店葡京官方赌场高级工程师,嫦娥四号/五号及火星任务VLBI测轨分系统副主任设计师,参与VLBI方案设计、论证和系统工程研究等。

 

本文来源/

中国国家天文 微信公众号


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