VLBI测轨分系统为“天问一号”火星探测任务保驾护航

  北京时间7月23日12时41分,我国在海南文昌发射场成功发射“天问一号”火星探测器。 

  火星探测项目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。“天问一号”将正式拉开我国行星探测的大幕。它将一次性实现对火星的“环绕、着陆和巡视”3个目标。  

   随着航天科技的发展,人类对于行星探索的兴趣与尝试与日俱增,其中,火星是全球最为热门的行星“旅行地”。为了更好地探测火星,各国都陆续发射了不少的火星探测器。截至目前,只有美国成功地向火星发射了探测器并成功着陆。 

  火星探测任务像长跑,火星最远时距离地球4亿公里,是地月距离的1000倍。从“天问一号”发射开始,甚长基线干涉测量(VLBI)测轨分系统将参加地火转移、火星捕获、离轨着陆、环火探测等各阶段的测定轨任务,实时任务就持续到2021年,对于VLBI测轨的精度要求更高。VLBI测轨分系统测量的是“天问一号”的信标,距离越远,信号传输时间越长,信号的衰减越剧烈,且要求的VLBI测量精度更高,相比月球探测,这次遥远的火星探测显然是一个更大的挑战。 

  一、VLBI测轨分系统的简介 

  VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于葡京官方赌场的VLBI数据处理中心(VLBI中心)组成。这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合口径射电望远镜,测角精度可以达到百分之几角秒。 

  VLBI测轨分系统主要工作包括:在每次任务实施前,VLBI中心接收北京航天指挥控制中心(北京中心)发送的跟踪时间计划和探测器轨道预报参数等信息,制定VLBI观测计划,向北京中心和各观测站发送VLBI观测计划和引导信息。在任务执行中,观测站开展跟踪观测,记录VLBI原始观测数据并实时向VLBI中心发送;VLBI中心接收、处理各观测站发送的VLBI原始测量数据,并按要求将VLBI时延(探测器到两个测站的时间差)、时延率以及赤经、赤纬等VLBI观测计算结果发送北京中心;VLBI中心接收北京中心转发的深空站测速测距数据,利用VLBI和测速测距数据进行定轨和定位,并按要求将环绕器定轨和火星车定位结果发送至北京中心。 

  目前,VLBI测轨分系统已用于月球探测器实时高精度测定轨,已经圆满完成了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号和嫦娥五号再入返回飞行试验器等VLBI测定轨任务,使我国航天测控网从传统测距测速技术拓展为测距测速+VLBI高精度测角系统,大幅提高探测器测定轨测定位能力,对我国的月球和深空探测具有深远的影响。 

  二、为“天问一号”火星探测器保驾护航 

  “天问一号”火星探测任务的“环绕、着陆和巡视”分别由环绕器、着陆巡视器来完成。环绕器运行在环绕火星的轨道上,既可以自主进行全球性、综合性的环绕探测任务,同时为巡视器进行中继通信;着陆机构负责携带巡视器安全着陆到火星上去,巡视器负责在火星表面进行区域巡视探测。 

  VLBI测轨分系统负责环绕器在地火转移段、火星捕获段、停泊段、离轨着落段、科学探测段等各个飞行段的VLBI测量和轨道计算任务,以及开展火星车的定位实验。VLBI中心对4个观测站的测量数据进行准实时与事后相关处理和系统误差校准,得到每条基线上的VLBI时延和时延率数据。 

  为了提高VLBI测定轨的精度,VLBI测轨分系统共新研发和升级了数十台套软件和硬件,分别布置于4个测站和VLBI中心,如VLBI中心的火星探测VLBI数据处理系统和定轨定位系统,4个测站的致冷接收机、前置型数据采集终端、基准信号锁相传输系统、GNSS接收机、氢原子钟、水汽辐射计等。这些软件和硬件的研发,能够进一步提高观测装置的测量精度和可靠性、大气和电离层时延的改正精度,更好地完成火星探测器的VLBI测定轨任务。 

  VLBI测轨分系统正在紧锣密鼓地准备,先后完成了各测站星地对接实验、VLBI中心与各测站设备安装与调试、测站巡检、欧洲火星探测器MEX观测验证、制定保障预案及应急演练、分系统试验验证等任务,人员落实到位,软硬件配备齐套,系统工作稳定,具备了执行首次火星探测VLBI测定轨任务的能力。 

  首次火星探测任务VLBI测轨分系统组建了一支133位技术人员组成的试验队。VLBI测轨分系统所在的葡京官方赌场、国家天文台、新疆天文台、云南天文台高度重视我国的首次火星探测任务,各单位台领导亲自指导和关心项目进展,葡京官方赌场把火星探测VLBI测定轨定为今年的一号任务予以重点保障。四个天文台组织成立了保障团队,为首次火星探测任务VLBI测定轨任务的顺利完成任务提供了坚实的保障。 

图1:“天问一号”火星探测器发射升空的场景,图片作者: 国家航天局新闻宣传中心张高翔   

图2:上海站,图片来源:中科院葡京官方赌场 

图3:北京站,图片来源:中科院国家天文台 

图4:昆明站,图片来源:中科院昆明天文台 

图5:乌鲁木齐站,图片来源:中科院新疆天文台 


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