我国首个火星探测器天问一号经过漫长的“奔火”和环绕火星的旅途后 ， 成功抵达目的地——火星 ， 并于5月15日7时18分成功着陆火星表面 。 这是天问一号火星探测器在完成火星“环绕”后的又一个重要“动作” 。 在天问一号火星探测器安全着陆火星的过程中 ， 位于西安航天基地的航天科技集团五院西安分院为其研制的微波测距测速敏感器和测控数传分系统发挥着至关重要的作用 。
落火三分钟 高精尖雷达精确探火
当天问一号火星探测器中的着陆巡视器进入火星大气层的时候 ， 安装在着陆巡视器进入舱上的专用雷达——微波测距测速敏感器开始加电工作 。 这个由西安分院研制 ， 曾经在探月工程嫦娥家族的月球探测任务中助力“嫦娥”实现轻盈落月的“姊妹产品” ， 续写了我国深空探测的辉煌 ， 为火星探测器成功着陆提供精准的速度和距离的测量信息 ， 有力保障了火星探测器成功着陆在火星表面 。
火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成 ， 在着陆火星前 ， 环绕器将和着陆巡视器分离 ， 环绕器继续环绕火星轨道飞行 ， 而着陆巡视器则承担着在火星表面着陆的任务 。 火星探测器的着陆巡视器由进入舱和火星车“祝融”号构成 ， 而微波测距测速敏感器犹如安装在进入舱上的“泊车雷达” ， 是负责提供着陆速度和距离信息的最重要的敏感器之一 ， 对整个着陆过程进行安全把控 。
在着陆巡视器整个着陆的过程中 ， 微波测距测速敏感器在距离地面6公里的时候开始工作 ， 共工作3分钟 。 微波测距测速敏感器在进入火星大气层过程中加电 ， 在着陆火星的过程中 ， 抛除防热大底 。 微波测距测速敏感器转入“泊车雷达”工作模式 ， 开始提供测距和测速信息 ， 直至安全降落到火星表面 。
那么微波测距测速敏感器是怎样进行测距测速 ， 确保火星平安着陆的呢？其主要依靠由四部雷达集成在一起的微波测距测速敏感器 ， 指向四个不同方向 ， 同时完成测距和测速的测量 。 较之前的月球探测任务在测距精度和测速动态范围上都有很大的提升 。 这四部雷达犹如“火眼金睛” ， 通过四部雷达的独立运行 ， 可以为火星探测器提供最原始的、最真实的速度和距离信息 ， 然后由火星探测器对各个单机产品提供的原始数据进行融合 ， 获取探测器的实时高度和速度信息 。
由于在距离火星表面6公里的时候 ， 正处于伞系减速段 ， 这个时候整个着陆巡视器处于相对的摇晃状态 ， 而此时 ， 微波测距测速敏感器特殊的指向布局设计可以保证在摇晃的状态下 ， 至少有三个波束是处于有效的测距测速范围内工作 。
到距离火星表面1-2公里的时候 ， 降落伞以及着陆巡视器的背罩就会被抛除 ， 进入了动力减速段 ， 也就是通过安装在着陆巡视器上的反推发动机开始工作 ， 直到距离火星表面100米 ， 着陆巡视器处于悬停状态的时候 ， 微波测距测速敏感器进入了相对平稳的工作状态 。 着陆巡视器将结合光学成像以及微波测距测速敏感器的数据 ， 通过平移来选择最佳的着陆位置 。
行百里者半九十 ， 从悬停在距离火星表面100米到着陆于火星表面 ， 这是整个火星探测器着陆的关键阶段 ， 这中间将经历避障和缓速下降的过程 ， 在反推发动机的作用下 ， 着陆巡视器开始缓慢垂直下降 。 在距离火星表面2米左右的时候 ， 反推发动机停止工作 ， 着陆巡视器将按照预选的区域着陆火星表面 。 至此 ， 圆满完成整个火星的着陆过程 。
“立体通信测控网” 扣紧“落火”关键一环
除了微波测距测速敏感器 ， 西安分院还为天问一号火星探测器研制了测控数传分系统 ， 在“地”与“火”之间跨越4亿公里 ， 搭建了地面测控站与着陆巡视器、环绕器及“祝融”号火星车之间的“立体通信网” 。
【过程|西安航天力量为我国首次火星探测任务立新功 4亿公里外成功“落火”!】火星与地球之间的距离最远时可以达到4亿公里 ， 大约相当于月球与地球距离的1000倍 。 在遥远的深空 ， 清晰的信号传输 ， 无疑是一项巨大的挑战 。 而西安分院在距离地球4亿公里外搭建的“立体通信测控网”时刻保障天问一号火星探测器与地球通信畅通无阻 。
天问一号探测器与地球间的通信主要包含三方面数据：天问一号火星探测器的位置和速度信息、地面测控站向探测器发送的遥控指令以及探测器向地面传回的探测信息 。
当火星探测器进入着陆阶段时 ， 地面测控站要想了解着陆过程中的位置及速度信息 ， 就需要依靠进入舱、环绕器与地面测控站之间的双向“信息高速路” 。 西安分院为天问一号火星探测器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 ， 可以先实现进入舱与环绕器之间的通信测控 ， 环绕器再将信号回传至地面测控站 。 地面测控站也同样通过这条“信息高速路”将遥控指令发送至进入舱 ， 确保着陆过程万无一失 。
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大气层、下降、着陆过程中的遥测十分关键 。 ”
作为我国首个火星探测器“落火”过程的“立体通信测控网” ， 测控数传分系统助力着陆巡视器成功着陆 。 在随后的“祝融”号火星车探测巡视任务中 ， 火星车还将与地面测控站建立多条通信链路 ， 持续为后续的火星探测任务服务 。 这些“信息高速路”共同为火星与地球之间编织出了立体通信测控网络 ， 将在 “祝融”号火星车与地面之间的通信测控发挥更加重要的作用 。 （王希曦）
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