祝融号上火星! 祝融号如何与地球通信呢？
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2021-05-22 18:32
北京时间2021年5月15日上午8点20分左右，我国天问一号着陆器“祝融号”确认成功降落火星，在火星上首次留下中国印迹，着陆地点位于火星北半球的乌托邦平原，迈出了我国星际探测征程的重要一步。后续，祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。
这也是自1971年前苏联火星3号着陆器与1976年海盗号以后，地球上第三个国家成功踏足这颗红色星球表面。这一刻，我们足足等了四十五年！
从今天开始，中国成了：
（1）世界第一个在首次火星探测中就同时实现环绕与着陆的国家；
（2）世界第一个同时运行月球车和火星车的国家。
（3）世界第三个实现火星表面软着陆的国家。
祝融号降落火星的过程
今天凌晨1时许，天问一号组合体在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。凌晨4时许，着陆巡视器与环绕器分离，历经约3小时飞行后，进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功软着陆于预选着陆区。两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器提供中继通信。后续，“祝融号”火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。目前火星距离地球约3.18亿公里，数据传回地球需要约18分钟。
“祝融号”火星车总重240公斤，总高1.85米，6轮驱动，以太阳能电池作为动力来源，设计寿命为三个火星月。“祝融号”携带了6种科学仪器，一，探地雷达（GPR），可以对火星表面100米以下地层进行探测，比如探知地下是否存在水冰。二，火星表面磁场探测器（MSMFD），可探测表面磁场强度。三，火星气象测量仪（MMMI），可以测量火星表面温度，湿度，气压和风速。四，火星表面化合物检测器（MSCD），利用激光诱导击穿光谱和红外光谱可对土壤和岩石进行探测。五，多光谱相机（MSC），可用来拍照。六，导航和地形相机（NTC），可用来拍照和导航。
乌托邦平原位于火星北半球，是太阳系第二大平原，跨度达3300公里。
图为火星表面主要地理区域名称以及登陆火星的着陆器/火星车位置图。图片制作：毛新愿
祝融号登陆的乌托邦平原是太阳系最大的平原，直径3300公里。1976年9月3日，NASA的海盗2号降落在了乌托邦平原的北部地区。2016年11月22日，NASA报告称，在乌托邦平原下发现大量地下冰。据估计，乌托邦平原地下水冰资源总量与美国五大湖之一的苏必利尔湖相当。
我国首次火星探测任务于2016年正式批复立项，计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视，对火星进行全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测。天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器包括“祝融号”火星车及进入舱。探测器自2020年7月23日成功发射以来，在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正，于2021年2月10日，成功实施火星捕获，进入大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。2021年2月24日，天问一号探测器成功实施第三次近火制动，进入周期2个火星日的火星停泊轨道后，对火星开展全球遥感探测，并对预选着陆区进行详查，探测分析地形地貌、沙尘天气等，为着陆火星做准备。任务实施过程中，中国国家航天局与欧空局、阿根廷、法国、奥地利等国际航天组织和国家航天机构开展了有关项目合作。目前，探测器已在太空运行295天，距离地球约3.2亿千米。
NASA毅力号火星车团队以及NASA科学任务理事会副会长托马斯·泽布臣（Thomas Zurbuchen）对祝融号登陆火星成功表达了祝贺。托马斯对“天问一号”团队道贺的同时，期待中国的火星探测任务能为人类了解这颗红色星球作出重要贡献。
“天问一号”一次任务同时实施环绕探测和巡视探测，在国际上尚属首次，环绕器与火星车“祝融号”之间将会联动和配合，互相补充。目前历史上已成功的火星着陆器/火星车只有10个，只对火星很小的区域进行过详细探测，因此在火星的任何地点着陆都将会对人类认识火星产生重大影响。当前只有“好奇号”、“洞察号”和“毅力号”还在继续工作，它们的探测区域基本都是在火星南部高地，而“天问一号”火星车着陆在火星北部平原，将会对全面理解火星的演化进程做出重要补充。
火星探测风险高、难度大，探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战，同时受远距离、长时延的影响，着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术，实现了我国首次地外行星着陆，是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。
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来源：新浪探索
天问，问天！祝融，探火！中国航天在用极致的浪漫组合将神话变成现实。
关于祝融号如何与地面建立联系，大家是不是存有许多疑问？
着陆巡视器在“落火”过程中如何与地面建立联系？地面如何了解着陆过程中的遥测数据？航天科技集团五院西安分院（以下简称西安分院）为火星探测器研制的测控数传分系统搭建了地球与着陆巡视器、环绕器及“祝融”号火星车之间的信息传输链路，为我国首次火星探测任务贡献重要力量。
图源：中国航天科技集团五院、八院联合制作
着陆数据“不掉线”
“天问一号”火星探测器由环绕器与着陆巡视器构成，“祝融”号火星车置于着陆巡视器的进入舱上。
当火星探测器进入“落火”阶段后，环绕器会和着陆巡视器分离，由着陆巡视器单独下落。此时地面要想了解着陆巡视器在下落过程中的遥测数据，就需要依靠进入舱与环绕器间的UHF频段双向通信链路。
西安分院进入舱UHF频段收发信机负责人田嘉介绍说：“这一阶段的数据是‘落火’过程中的关键遥测数据，便于地面判断落火过程中各分系统的工作状态。由于‘落火’比‘落月’相对地球的距离更加遥远，火星表面环境相对月球表面环境更加复杂，难度更大，因此火星探测器在进入、下降、着陆过程中的遥测十分关键。”
西安分院研制的测控数传分系统包括了UHF频段收发信机和X频段深空应答机等关键设备，是“天问一号”火星探测器的关键分系统之一。
安装在环绕器上的X频段深空应答机建立了环绕器与地面的通信链路，安装在着陆巡视器中进入舱上的UHF频段收发信机是建立与环绕器之间通信的关键，安装在“祝融”号火星车上的UHF频段收发信机和X频段深空应答机等产品建立了与环绕器的中继通信及对地通信。
这些通信链路共同在地球与火星之间构成了一个立体通信网络，让环绕器在环绕过程始终与地面保持测控通信，并在着陆巡视器下降着陆过程以及抵达火星表面后与环绕器开展中继通信、与地面开展测控通信。
“天问一号”上的测控通信分系统，始终确保地面工作人员全程掌握探测器，还确保协调探测器内部各构成部分执行不同任务的步调整齐划一。当进入舱将着陆过程中的遥测数据发送给环绕器后，此时便需要通过环绕器与地面测控站之间建立的X频段双向通信链路进行数据的回传。与此同时，地面也通过环绕器将遥控数据发送至进入舱。
西安分院为“天问一号”火星探测器研制的测控数传分系统保障着整个“落火”过程的信息传输持续在线。
测控数传分系统需克服多方困难
从开机到任务完成，火星探测器测控数传分系统一直保持工作状态，还需根据飞行距离切换不同模式、实现不同功能，加上考虑太空恶劣的环境及航天各系统互相配合，使得测控数传产品的指标极其苛刻，需要克服空间损耗大等困难。
按照总体要求，测控数传分系统需要大幅减重，这就需要尽量将火星探测器上的产品小型化、集成化。以往的一个分系统由数台单机组成，体积庞大，这对深空探测任务而言难以实现。
为解决这一难题，西安分院研制团队将一个功能类似于分系统的UHF频段收发信机，压缩至一台重量为2公斤左右、体积仅为一个单机大小的产品。这台单机融合了数字处理、电源、通道、固放、双工器和开关等分机，具有高度集成化和小型化。
在分系统的研制过程中，研制团队经过不断的沟通讨论、仿真论证，单机从无到有，从有到优。最终，以相较于典型产品综合减重60%的成果完成了分系统功能的单机化集成，为整器节约了宝贵的资源。西安分院为我国首次火星探测研制的进入舱UHF频段收发信机、火星车UHF频段收发信机具有自主通信、集成化高等特点，功能全、性能优、重量小。并且，其中的UHF双工器具有大功率、高隔离的特性，确保接收端弱信号不受发射端强信号的影响。
来源：科技日报 记者 付毅飞 操秀英
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