【科普論壇】科普：為你解釋關於火星探測的所有疑問 （四）

（四）

編者按：

我國首次火星探測任務天問一號探測器成功著陸火星， 邁出了我國星際探測征程的重要一步，實現了從地月系到行星際的跨越。探測火星的意義何在？如何探測火星？澳門導報特選刊【科普中國】出品的相關文章為讀者解惑。

出品：科普中國

製作：中國科學院上海天文臺（SHAO）天之文科傳團隊

監製：中國科學院電腦網絡信息中心

（續上期 三、難點篇：火星探測很難，為什麼？）

四、技術篇：VLBI測軌分系統

　　火星探測器的跟蹤和測定軌，目前主要採用基於地面無線電測量的測距、測速和甚長基線干涉（VLBI）測角三種手段[3]。

　　VLBI對探測器在垂直於視線方向上的位置變化有很高靈敏度,與視線方向具有高靈敏度的測距、測速形成互補，是火星探測器測定軌的必要手段，特別是在地火轉移段、近火制動段等測定軌難度較大的測控弧段的優勢更為明顯[1]。

　　探測器進入近火制動段時，地火距離一般達到數億千米，與月球探測器被捕獲時的38萬千米相比，距離增加了數倍。比如，VLBI時延測量誤差1納秒（0.3米），在3000千米的基線長度上，對數億千米遠的火星探測器在垂直於視線方向上的單點測軌誤差約為幾十千米，遠大於視線方向的測距誤差。VLBI時延測量精度的提高是火星探測器測定軌精度提高的關鍵環節。

　　為了提高VLBI時延測量精度，火星探測時一般差分單程定位（Delta Differential One-way Ranging; Delta-DOR）技術進行測控。測距、測速技術的目的是測量目標的視向距離和速度，而Delta-DOR技術則是測量目標的橫向位置。1998年 “火星氣候軌道器”的失敗清楚的表明了Delta-DOR技術對於深空探測器跟蹤測軌的重要性。由於未使用VLBI技術，未能及時發現切平面誤差增大的致命缺陷，最終任務失敗。因此如果測控技術不是很成熟的話，探測火星的風險很大。

　　在“嫦娥三號”等任務中，利用由上海站、北京站、昆明站和烏魯木齊站以及位於上海天文臺的VLBI資料處理中心組成的VLBI測軌分系統，和差分單程定位技術，將VLBI時延測量誤差降至1納秒以下。結合測速和測距資料，著陸器月面測定位和環月段的測定軌誤差約50米，地月轉移段和近月制動段的測定軌誤差參數100米[1]。

　　差分單程定位型技術適合於單個探測器測定軌，而同波束VLBI技術則適用於多個探測器的精密測定軌。所謂同波束干涉測量技術（Same Beam Interferometry, SBI），即用射電望遠鏡的主波束同時接收兩個（或多個）探測器發送的信標，得到兩個（或多個）探測器信標的相關相位，並在探測器間進行差分，由於信號傳播路徑基本相同，因此通過差分可以有效削弱信號傳播路徑上的大氣、電離層以及設備等引起的誤差，從而得到高精度的探測器相對定軌定位結果[3]。

五、“天問一號”篇

　　火星探測專案是中國繼載人航太工程、嫦娥工程之後又一個重大空間探索專案，也是我國首次開展的地外行星空間環境探測活動。

　　2016年1月，我國首次火星探測任務正式得到國家批准立項。

　　2020年7月，我國進行首次自主火星探測任務“天問一號”。

　　“天問一號”由我國目前最大運力的長征五號火箭進行發射。“天問一號”火星探測器將一次性實現環繞、著陸和巡視任務，分別由環繞器、著陸巡視器來完成。環繞器運行在環繞火星的軌道上，既可以自主進行全球性、綜合性的環繞探測任務，也可以進行中繼通信；著陸機構負責攜帶巡視器安全著陸到火星上去，巡視器負責在火星表面進行區域巡視探測。

長征五號遙三運載火箭（圖片來源：中國航天科技集團）

寫在最後

　　北京時間7月20日，中國火星探測任務“天問一號”在海南文昌發射基地發射升空，正式拉開我國行星探測的大幕。

　　2021年5月15日，“天問一號”成功著陸火星，中國成為繼美國之外第二個掌握火星著陸巡視技術的國家，同時也是世界上首個探索火星便完成軟著陸任務的國家。

火星探測器飛行效果圖（圖片來源：國家航天局）

　　“天問一號”火星探測任務，名字取自屈原長詩《天問》，任重道遠，意義重大，雖難度極大，但中華民族充滿信心，也做好了充足的科技準備，它承載著中華民族乃至全世界對真理追求的堅韌和執著。（全文完）

　　參考資料：

　　[1] 劉慶會. 火星探測VLBI測定軌技術. 2018. 深空探測學報. 5, 5.

　　[2] 吳偉仁. 深空測控通信系統工程與技術. 

       [3] 劉慶會. 同波束VLBI技術在深空探測器測定軌中的應用. 遙測遙控. 

（掃描二維碼進入官網閱讀完整內容）