浅析天问一号(下篇)——地球与火星之间联系
分享| August 2, 2020地球 天问一号 太空 深太空网络 火星 
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地球与火星围绕太阳的轨道并不一样(如图1),因此两个星球之间的距离会随着季节转变。两者之间的距离可由无线电通讯的时间反映,由地球往火星发射的无线电,耗时17分钟才抵达火星表面,所以一来一往的通讯需要35分钟。

这一距离,也导致无线电信号在穿越太空时失去能量,在抵达目的地前已沦为极微弱的信号。

图一:火星围绕太阳的椭圆形轨道。所以火星与地球之间的距离从最近的5千万至最远4亿公里。(图片来源:美国太空署)

从火星上把探测数据传送到地球表面有两种方式。

第一是利用探测车上的天线把信号直接发回地球。美国“毅力号”探测车上装有X波段高增益天线(7-8 GHz)能把数据直接传送到地面。

第二种方式则是把一枚人造卫星放在火星轨道上(又称围绕器),作为信号中转站(如图2)。前者的好处是能快速把探测车上的数据直接传回地球;缺点是上/下载数据的时间窗口有限于地球与探测车之间,以及探险车与围绕器之间的角度。

图2:在火星上空的围绕器(1)接收火星表面探测器的数据后,把数据传送给在地球(2)。某些火星探测车如‘机会号’和‘毅力号’也能自行把数据传送回地球 (图片来源:astrosurf

由于围绕器本身也有探测仪器与能高速传送数据的关系,火星车探测器会通过围绕器把数据传送回地球,因为信号极弱,需要大型天碟接收。另一方面,由于火星车上的记忆量有限,因此必须以最有效和最快速的方式把资料下载到地球。

为了解决地球与深太空飞行器之间的联系问题,美国早在年代就已经设立了一个深太空网络。这个网络事实上是分布在地球三个地方的地面接收站设施。这三个设施分别坐落在美国加利福利亚、西班牙马德里与澳洲坎贝拉(图3)。每个设施都有4个大碟接收来自太空的讯号。

这三个设施之间的距离大约是120角度,在地球自转的任何时间,确保在深太空的飞行器能至少与其中一座设施保持联系。

图3:美国深太空网络的地面设施坐落在美国加利福利亚、西班牙马德里和澳洲坎贝拉。

目前, 美国深太空网络不仅与已在火星的探测器保持联系,其他的还包括探测冥王星的“新视野号”飞行器、探测木星的“朱诺号”飞行器、还有已经飞出太阳系的两枚“航海家”飞行器。此外,阿联酋日前通过日本所发射的“希望号”火星围绕器也会通过美国的深太空网络上/下载数据。

早在2006年3月,美国太空宇航署已经部署火星侦察轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)。它除了探测火星表面以外,也充当信号中转站。根据美国太空署的资料,地球的深太空网络每天有10至11个小时与火星侦察轨道器保持联系,数据速率每秒0.5至4兆位。

中国也拥有自己的深太空网络,但是除了一座位于阿根廷的海外地面接收站设施,其余三座都是坐落在北京、云南与天津。因此,假设中国的火星围绕器与美国 MRO 同样轨迹,中国深太空网络与“天问一号”每天所能接触的时间预计只有6至8小时。

因此从“天问一号”上的电源供应以及深太空网络限制,中国的火星任务很大程度上还是仅以实现登陆与验证技术为主,若要谈真正的火星探测,恐怕是要“天问二号”才能真正有实质成果。

阅读本文上篇:

浅析天问一号(上篇)——发电与电能来源


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