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如何给2亿公里外的天问一号“导航”?这位台州工程师来揭秘 

2021-02-23 15:16 |新华社客户端 钱江晚报

2021年2月10日,农历庚子年廿九,天问一号火星探测器踩了一脚精准的“太空刹车”,顺利被火星引力捕获。在接下来的几天中,天问一号又连续完成了变轨,不断靠近火星。

这段日子里,一群科学家们在上海天文台VLBI深空探测指挥中心日夜忙碌,为2亿公里外的探测器“精准导航”。

任务成功后的庆祝合影

中国首次火星探测工程测控系统VLBI测轨分系统总体组主任设计师、浙江台州人陈中正是其中一员。

给2亿公里外的天问一号“导航”,是如何做到的?就让这位浙江籍的VLBI系统工程师为大家独家揭秘。


陈中

从地球到火星

4亿公里太空路上的“注视”

天问一号在太空里飞行了半年,已距离地球2亿公里,总飞行距离已达4亿公里,地球上的科学家们如何追踪它的行踪?

答案就在中国科学院上海天文台VLBI深空探测指挥中心。陈中,和他的几十位同事们,日夜守在监视器前,“注视”着天问一号。

监视屏幕上那些时不时突起的,宛如心电图波形似的脉冲信号,就是来自天问一号的“心跳”。每分钟,VLBI测定轨系统都在计算出它的精确轨道位置,并把数据传送给千里之外的北京。

从去年7月天问一号发射升空开始,这种“注视”就没有中断过。

“发射升空后的半个月,每天都要实时跟踪测量。”陈中告诉记者,随着天问一号转入奔火飞行阶段,他们就开始展开每3天一次的测轨观测。

春节前夕,在大家准备欢度节日的时候,陈中和他的团队却进入了最紧张的实时集中测控模式。2月1日开始,他们每天观测工作时长超过12小时,时刻对天问一号的飞行轨道进行精密测量。为此,VLBI指挥中心的工作人员要分为两班轮替,每天从中午12点开始到夜晚12点。

为什么中午以前不用观测?

“因为那时候,我们的射电望远镜收不到天问一号的信号。”陈中说,就像太阳东升西落,随着地球自转,只有在望远镜面向火星方向时,地面观测站才能接收到天问一号发回的信号。

这就有必要解释一下什么是“VLBI”了,它的中文名字有点拗口:甚长基线干涉测量技术。简单来说,就是多个相距遥远的方位与俯仰全可动的大型射电望远镜,联合组网成为一台综合孔径望远镜,达到一架巨型虚拟望远镜的观测效果。

大家都知道,如果想要看得很远,望远镜的口径就得做得很大。目前全世界最大的射电望远镜,就是我国贵州的“天眼”,其口径达到500米。

然而,太阳系内的人造航天器移动非常迅速,而“天眼”的设计是“非全可动”。

这就有了VLBI这种“超级望远镜”。

它像一个巨大的“眼睛”,口径可达数千公里。理论上这只“眼睛”的口径可以和地球直径一样大,所以能接收到非常微弱的信号并精细地分辨各类天体。2019年,黑洞的第一张照片,就是由全球的毫米波VLBI观测网联合“拍摄”的。

VLBI不仅“大”,而且可以给航天器精确“定位”。

“不同地方的望远镜,接收到来自于太空自然天体或者人造航天器发射的电磁波信号是有微小时间差的。”陈中解释,通过数据中心处理分析这些数据,就可以精确测定它在空间上呈现的各类信息。

中国VLBI网共有5台射电望远镜,两台在上海,还有3台分别位于北京、云南和新疆。其中最大的一台就在上海——65米口径的天马望远镜。

这套VLBI系统,测量有多精准呢?目前它的时延测量精度达到0.1纳秒!观测38万公里外的月球上的嫦娥五号,误差优于百米;观测2亿公里外的火星上的天问一号,误差优于4公里。

“这5台望远镜都具备水平360度和俯仰90度灵活可动的能力。”陈中说,由于天问一号飞得很快,并且地球自身也是在旋转和运动,追踪它就需要望远镜根据设定好的指令随时转动。

所以,天问一号自从升空开始,就在不断地向地球发射专门设计的无线电信号,地面上的科学家们,则通过VLBI系统,开始了长达6个月的“注视”。

为2亿公里外的天问“导航”

成功完成“换姿势”和“踩刹车”

就在几天前,天问一号发来了第一张火星照片,网友们争相转发。

也许,很多人没有注意到新闻里有一句:“顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正”。

“天问一号从地球飞到火星的轨道,是预先设计好的。”陈中告诉记者,由于旅行的途中,它会受到太阳和其他行星的引力影响,一段时间之后轨道会产生稍许偏差。这时候就需要陈中他们提供的轨道数据为依据来进行修正。此外,也要为火星捕获提供重要的飞行控制决策依据。

就像开车的时候,驾驶员适时掌舵、踩油门和刹车才是安全旅行的根本保障。VLBI正像驾驶员的眼睛和大脑。

目前为止,VLBI已经为天问一号进行了4次轨道修正,1次深空机动。为了被火星引力捕获,还要做近火制动,也就是“踩刹车”。踩刹车也不止一次,因为捕获后并非直接进入一个最终轨道,而是要经过多次变轨和捕获等复杂动作,逐步缩小椭圆轨道。

所以,到2月28日前的整个2月份,VLBI中心的全体工作人员都在连续地加班加点,每天持续观测12小时。

“这次任务难度超过以往任何一次。“陈中说。

作为探月工程VLBI深空探测指控中心主任设计师,陈中从嫦娥三号任务开始,参与了多次探月重大航天任务。火星最远的时候距离地球超过4亿公里,约是地月距离的1000倍。在火星捕获阶段,探测器距离地球约2亿公里,一个小角度的测量误差,对应到火星的位置,误差可能达到几十甚至上百公里。

火星轨道很繁忙

避免探测器“撞车”是关键

“测量如果不精确,就会导致探测器一头撞上火星,或者与火星擦肩而过。”陈中说,这是中国第一次开展火星探测,意义重大。所以在VLBI观测站和数据处理中心,他们新研发了数十套全国产并具有自主知识产权的软硬件系统来大幅提高测量精度。接收到天问一号发送来的信号后,他们的系统可以在1分钟内完成测轨定位。

完成如此复杂的任务,陈中坦言是个极其考验团队合作的工作,“每个人都是螺丝钉。我们VLBI中心现在工作的成员来自于各个学科背景,还有硕士生、博士生一起参与观测值班与数据处理工作。此外还有外单位技术服务支撑,比如射电望远镜研制单位的,通信保障的等等。而有的同事,还要克服疫情的影响去北京任务总部和密云VLBI观测站承担相关的工作。”

其实,对VLBI系统来说,挑战才刚刚开始。

因为在火星轨道上,当时总共有3个国家的火星探测器前后脚到达,除了中国的“天问一号”,还有阿联酋的“希望”号和美国的“毅力号”。

“大家均采用相似的X频段深空测控信号,存在相互‘串台’的风险。就像快车道上车多了容易撞车。”

对陈中来说,春节期间观测任务相比于刚刚完成的探月工程嫦娥五号任务,唯一“庆幸”的地方,在于不用日夜颠倒。“比如嫦娥五号任务,我们是跟着月亮走,工作时间通常都是通宵达旦。”陈中笑道,跟着火星走,起码任务间隙期间,他偶尔还能给女儿视频连线讲个睡前故事。

最近的睡前故事,多半是关于火星的。“前几天还在问我,火星上有没有火山,还会喷发吗?”陈中说。这个刚刚上小学的女儿,非常为有这样一个老爸骄傲,“我想航天事业,对于我们这些航天人来说最大的魅力也在于此。每一次的挑战都是再上高峰,伴随风险与未知,而每一次的成功征程也给我们带来巨大的成就感。”

最后,陈中用一手漂亮的钢笔字,给家乡的读者写下了航天人的新春祝福。

“插上梦想的翅膀,探索浩瀚的太空。”

(原标题:《这位浙江人靠啥帮2亿公里外的火星探测器进行近火制动》,原作者:郑琳 亓洪兴 姜旭晨 国科大杭州高等研究院。编辑:张丹萍。)

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