登陆火星之难 ， 堪称航天工程之最 。
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5月15日7时18分 ， “天问一号”成功在乌托邦平原南部软着陆 ， 中国首次挑战即圆满完成 ， 成为世界上第二个成功将探测器送上火星的国家 。
2020年7月 ， 海南文昌航天发射场 ， 由环绕器和着陆巡视器组成的“天问一号”探测器从这里升空 ， 历史近10个月飞行到达近4亿公里外的火星——太阳系中最接近地球的行星 ， 有着与地球相似的四季交替、河床蜿蜒 ， 被科学家认为最有可能存在生命的星球 。
自1960年 ， 苏联第一次发送“火星1A号”探测器开始 ， 人类对这一星球的探索从未止步 。 过去60年间 ， 多国尝试进行火星着陆任务 ， 至今只有中、美两国成功达成 。 全世界近50次火星探索成功率不到50% ， 仅6辆火星车成功着陆并开展活动 。
中国的“天问一号”将一次性完成“绕、落、巡”三步走 ， 目前已完美落地 ， 正在为第三步“巡”做准备 。
接下来的三个月 ， “祝融号”火星车的“巡”将进行哪些探测？环绕器将如何瞄准地球发射信号？通讯中断能否补救？人类何时能亲自踏上火星？
新闻晨报将带大家走进已抵达火星的“天问一号” ， 由中国航天科技集团八院专家带领 ， 进一步探访仍需继续担负通讯、探测重任的环绕器 。
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“天问一号”为什么比美国NASA早出发 ， 却迟抵达？
在2020年7月 ， 火星探测窗口共发射了3颗探测器 ， 分别是20日阿联酋发射的第一个火星探测器“希望号” ， 23日我国发射的“天问一号” ， 30日美国NASA发射的“毅力号” 。
“天问一号”经过6个半月的飞行之后 ， 在2021年2月10日进入环火星轨道 ， 成为我国首颗人造火星卫星；美国的“毅力号”也在2021年2月18日抵达火星 。
18日当天 ， “毅力号”直接着陆火星 ， 而“天问一号”为了稳妥实现软着陆 ， 则让火星环绕器先在停泊轨道上运行了3个月 。
中国航天科技集团八院介绍 ， 之所以先在停泊轨道“稳”三个月 ， 是因为与已多次成功火星探测任务的美国相比 ， 我们没有第一手火星环境资料 ， 火星环绕器研制团队在天问一号任务中设计的停泊飞行轨道上 ， 将通过火星环绕器对目标着陆区进行探测 ， 在完成探测任务后 ， 择机实施火星着陆任务 。
在停泊轨道上待的三个月 ， “天问一号”主要探测哪些火星信息？
这段时间 ， “天问一号”主要对预选着陆区的地貌、天气两个方面进行探测 。
在地貌探测上 ， 通过高分辨率相机、中分辨率相机、光谱仪等载荷的探测数据 ， 火星环绕器可以生成火表遥感图像 ， 对火星表面的地形地貌 ， 如坡度、凹坑、石块等 ， 进行辨识分析 。
火星表面天气恶劣 ， 每年都会形成几场大的沙尘暴 。 沙尘暴可能会改变着陆巡视器下降过程的动力学参数 ， 沙尘粒子可能会造成仪器设备故障 ， 大量沙尘覆盖在火星车太阳能帆板电池片的表面 ， 降低发电效率甚至导致发电能力丧失 。
通过停泊监测 ， 避开恶劣的火星天气 ， 选择一个“风和日丽”的日子实施两器分离任务 。
在整个过程中, 环绕器将主要承担哪些任务？
地火转移期间：搭载陆巡视器从地球前往火星 ， 完成地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空机动 ， 在抵达火星前利用高分相机对火星进行了拍摄 。
在制动捕获段：精准刹车捕获火星 ， 成为我国第一颗人造火星卫星 ， 实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标 ， 环绕火星获得成功 。
进入中继轨道：执行与着陆巡视器“祝融号”的中继通信任务 ， 为地面和着陆巡视器搭建沟通的桥梁 ， 中继轨道运行约3个月 。
使命轨道科学探测：环绕器完成中继任务后 ， 在近火点进行第五次制动降轨 ， 进入使命轨道 ， 对火星表面及其次表层开展科学探测 。
目前 ， 环绕器已完成搭载陆巡视器的“星际专车”任务 ， 接下来作为通信“中继站” ， 将如何瞄准地球 ， 发射信号？
当地面接收到火星车火表巡视后第一帧探测数据时 ， 才标志着整个火星探测工程任务的圆满成功 。
完成“星际专车”的任务 ， 环绕器接下来的三个月将发挥它功能强大的通信“中继站”作用 ， 为火星表面巡视器传回地球探测数据搭建桥梁 。
在此次的火星探测任务中 ， 环绕器不仅仅是一辆星际“专车” ， 它同样也是一座功能强大的通信“中继站” ， 为火星表面巡视器与地球搭建通讯桥梁 。
升轨后的环绕器并不是大家想象中“卸载”后的一身轻松 ， 此刻它需要迅速肩负起对火星表面进行遥感探测的任务 ， 同时选择恰当的时机来将巡视器的数据“中继”传向地球 。
在距离地球约3亿公里的轨道上准确指向地球 ， 相当于要在2米开外瞄准绣花针孔 ， 而且要在环绕器自身还在不断的飞行运动情况下 ， 时刻保持住瞄准状态 。
据中国航天科技集团八院GNC系统主任设计师聂钦博介绍 ， 环绕器携带有2块太阳电池阵、1幅高增益数据传输天线、1幅对巡视器数据中继天线 。 在环绕器执行数据中继任务时 ， 需要同时实现对巡视器、地球、太阳3个目标的高精度同步指向控制 。
“这3个目标的高精度同步指向控制 ， 绝对可以称得上是‘八面玲珑’了 。 ”聂钦博说 。
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通讯如果出现中断 ， 是否有补救办法？
环绕器在环火飞行时与地球距离远 ， 由于天线波束角有限 ， 设计师们要在确保对天线指向高精度控制的同时 ， 对可能发生的通讯链路中断做出预案 。
“我们设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略 。 一旦发生通讯链路中断 ， 探测器就会‘自主慢旋’ ， 并在这一过程中 ， 使天线扫到地球 ， 进而恢复通讯链路 。 这一过程也是环绕器自主实现 。 ”中国航天科技集团八院软件设计师周誌元介绍道 。
如今 ， 环绕器在稳定环火飞行 ， 成为着陆巡视器与地球之间的通信桥梁 ， 完成数据中继任务后 ， 它也将全力开启自己的环火遥感之旅 。
环绕器进行中继通讯时 ， 会有多长时间的延时？每个火星日几次传递信息的机会？
火星距离地球超3亿千米 ， 最远达4亿千米 ， 单向通讯时延超过15分钟 ， 信号一去一回需要约半个小时 。
中国航天科技集团八院总体副主任设计师谢攀介绍说 ， 一个火星日内 ， 环绕器可为火星车提供一次近火点中继通信和一次远火点中继通信 ， 为后续的巡视探测任务提供指令上注和探测信息传输服务 。
如何最大效率的利用近火的可见弧段进行通信？如何把远火更长时间的弧段利用起来？
近火弧段 ， 每圈大概10分钟左右有效通信 ， 每一圈传回来的火星车探测数据对于国内都是第一手的珍贵科学数据 ， 针对这宝贵的10分钟 ， 如何高效率地利用信道传输更多的火星探测数据成为了系统设计的重点 。
中国航天科技集团八院测控数传设计师王民建介绍 ， 在近火信道较好的情况下 ， 采用全双工的通信模式 ， 即双向同时通信 ， 双方可以同时发送和接收信息的信息 。
全双工状态中 ， 两器UHF（特高频）通信机均可作为握手发起方 ， 由发起方设置对方的工作参数 ， 在数据的收发过程中 ， 对每帧数据均进行响应 ， 当信道参数发生变化时 ， 发起方和响应方均可发起信道参数变更的申请 ， 比如通信过程中进行码速率自适应切换时 ， 若一方根据信噪比估算后进行了码速率切换 ， 其将通知另一方进行相应调整 ， 从而保障了整个信道的高可靠通信 。
在远火情况下 ， 为了尽可能高效率的利用弧段 ， 设计了X中继模式 ， 可以实现返向数据的高效率传输 。
未来两年 ， 环绕器将做些什么？
环绕器上搭载7种有效载荷 ， 未来将对火星表面及其次表层开展科学探测 ， 完成火星全球遥感探测任务 。
“天问一号”举世瞩目 ， 但在专业人士的眼中 ， 它仍好比一个蹒跚学步的孩子 ， 在浩瀚宇宙飞行中尝试着自己观察、思考与行动 ， 如今只是成功地完成了飞抵火星的第一步 。
中国航天科技集团八院GNC系统产品保证师刘宇表示 ， “路漫漫其修远兮” ， 中国航天科技集团八院控制所火星探测GNC团队仍在不断探索新技术 ， 让深空探测飞行控制能够更敏锐、更聪明、更可靠地面对宇宙更深处的未知世界 。
人类登陆火星甚至火星移民的计划何时能实现？
探测器登陆火星 ， 人类何时能够实现登陆乃至探索移民火星的可能性？——这个问题可能是最受普罗大众关心的话题之一了 。
火星探测任务总设计师张荣桥在接受央视采访时谈到 ， 对于火星移民这件事 ， 一定要科学地看 。
他认为谈火星移民工程是不科学的 ， 如果我们有改造火星的能力 ， 是不是可以花点时间精力把我们的地球打理得更好 。 火星的环境跟地球相比差得远 ， 人类赖以生存的氧气没有 ， 温度跟地球相比更为恶劣 ， 人的生存最基本的条件难以保证 。
【地球|人类离火星移民还有多远？】来源 | 新闻晨报·周到APP 采访人员 庞菁涵
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