“失聯”一個月,天問一號圓滿通過考驗

我國首次自主火星探測任務天問一號探測器於2020年7月23日升空,2021年5月15日着陸火星烏托邦平原南部。截至10月中旬,環繞器已經飛行了450餘天,祝融號火星車駛上火星表面也已經超過150餘天。目前探測器狀態良好,已取得大量科學數據。然而近期,天問一號居然“失聯”了一個多月,這究竟是怎麼回事呢?

目前,天問一號環繞器運行在中繼通信軌道,主要為祝融號進行中繼通信。2021年9月下旬至10月中旬,火星、地球運行至太陽的兩側,且三者近乎處於一條直線,出現日凌現象,由於受太陽電磁輻射干擾的影響,器地通信中斷,環繞器和火星車轉入安全模式,停止探測工作。日凌結束后,環繞器擇機進入遙感使命軌道,開展火星全球遙感探測,獲取火星形貌與地質結構、表面物質成分與土壤類型分佈、大氣電離層、火星空間環境等科學數據,同時兼顧火星車拓展任務階段的中繼通信。

“失聯”一個月,天問一號圓滿通過考驗

什麼是日凌?

在關心天問一號是否安好之前,要先了解,什麼是日凌現象?傳統意義上的日凌,是針對通信衛星提出的。通信衛星一般位於赤道上空,距離地球36000km軌道高度的地球同步軌道上。而每年的春分和秋分時節,太陽也剛好直射地球赤道。因此從地球上看,太陽恰好與通信衛星重合。太陽每時每刻都在發射大量的雜亂無章的無線電信號,而我們用於接收衛星信號的天線,實際上也會接收到來自太陽的信號。

“失聯”一個月,天問一號圓滿通過考驗

而在強大的太陽面前,衛星信號猶如燭火一般不值一提。雖然現在的天線指向精度很高,但來自太陽的無線電信號將不可避免地會幹擾正常的通信衛星的信號,這會導致地面接收出現異常,例如我們家庭里的電視會信號不穩定,出現“雪花”屏或藍屏。

“失聯”一個月,天問一號圓滿通過考驗

而在探測火星時,探測器是繞火星飛行的,從宏觀上看,探測器的空間位置與火星重合。那麼,當火星被太陽擋住,或者說被太陽光完全淹沒的時候,探測器自然也將被太陽遮擋。在天文學上,火星和地球運行至太陽的兩側呈近似180°的現象被稱為火星合日。根據太陽系天體運動的規律,今年自9月下旬至10月中旬,天問一號正處在日凌階段。

日凌對火星探測器有什麼影響?

天問一號目前與地球的距離約4億公里,即使以光速飛行也要20多分鐘才能到達探測器的位置。天問一號探測器距離我們如此之遙遠,我們對它的狀態只能通過無線電信號得知。火星合日前後,很容易出現日凌現象,探測器與地球之間的聯繫將受到太陽的顯著影響,甚至有可能發生信號中斷。一旦無線電信號中斷,地面就沒法跟天問一號進行對話,也就無法指揮祝融號進行科研探測。簡而言之,太陽是一個巨大的輻射源,當它出現在我們地面站和探測器通信鏈路上時就會影響通信,因此,此次天問一號和祝融號“失聯”了一個月。

天問一號是如何度過日凌的?

在日凌期間,地面對天問一號的狀態一無所知,這對天問一號的自主控制能力提出了較高的要求。由於地面控制人員對探測器的在軌狀態是有數據和經驗積累的,因此在“失聯”期間,探測器經歷的外部環境條件是可預估的。其次,探測器可針對可能出現的風險採取規避措施,同時根據預估的環境條件,在進入日凌前對探測器的相關係統進行狀態設置,將整個探測器狀態調整至相對簡單、可靠的“安全模式”。最後,探測器擁有自主管理能力,在日凌期間對器上系統進行定期檢查,發現異常情況將按事先制定好的預案進行自主處置,保證探測器在出日凌后正常與地面建立通信鏈路。

天問一號火星探測器
天問一號火星探測器

總而言之,火星探測日凌是一個自然現象,而日凌同時也為行星探測技術積累一定的經驗。安全度過第一個日凌的天問一號探測器和祝融號不僅讓我們更充滿信心,也正好也讓辛苦了100多天的祝融號好好放個假,你說是不是?(褚英志)

番外

全自主飛行,天問一號圓滿通過日凌考驗

2021年9月,“天問一號即將失聯一個月”的消息刷遍了朋友圈;日前,天問一號火星探測任務團隊通過地面發令形式,正式將器上狀態設置為“出日凌”,標誌着火星環繞器順利完成了一月有餘的全自主飛行,圓滿通過了日凌考驗。天問一號的好消息讓大家開心的同時也讓很多人不由得好奇:一個多月中,天問一號到底經歷了什麼?究竟是依靠什麼,讓它可以在遙遠的火星順利完成自主飛行?別急,航天科技集團八院天問一號火星環繞器團隊這就為你一一解答。

火星探測中的“日凌”

火星距離地球很遠,兩者距離一直在5500萬至4億千米之間周期性變化。為了實現火星與地球之間的通信,所有的火星探測器都需要採用強大的通信技術、配置複雜的通信設備,例如火星環繞器就配置了由超高靈敏度深空應答機、2.5m口徑定向天線、複雜微波網絡等設備組成的通信系統。然而即使如此,也無法對抗太陽超強的電磁輻射。當太陽位於火星與地球之間時,火星探測器與地球之間的無線電通信將受到干擾而失去聯繫。

“失聯”一個月,天問一號圓滿通過考驗

根據天體運動規律,火星、地球每隔26個月將會分列於太陽兩側,三個天體近似連成一線。2021年9月中旬至10月下旬便是這樣一個時期,在火星工作的包含美國、歐洲、印度的全部火星探測器在此期間都將與地面失去聯繫,中國的天問一號火星環繞器和祝融號火星車也不例外。

早有準備 天問一號的“日凌模式”

為了保證在軌飛行安全,火星環繞器團隊於2021年9月中旬對火星環繞器的工作模式進行了調整。在完成全面狀態檢查后,通過地面指令將環繞器設置為自主安全穩態管理模式,即“日凌模式”,以應對器地失聯情況。在進出日凌期間,地面每天接收火星環繞器狀態遙測,一方面判定環繞器在軌狀態,一方面判定太陽對器地通信的干擾。

隨着火星、地球與太陽相對位置的移動,火星環繞器對地無線通信經歷了受到干擾、出現中斷、逐漸恢復的過程。2021年10月中旬,器地通信恢復,任務團隊開始了火星環繞器狀態評估工作。經過仔細分析與確認,火星環繞器狀態良好。日前,任務團隊通過地面發令形式,正式將器上狀態設置為“出日凌”。這標誌着火星環繞器順利完成了一月有餘的全自主飛行,圓滿通過了日凌考驗。

後續火星環繞器將會恢復探測工作,完成軌道調整進入科學探測任務軌道。進入科學任務軌道后,火星環繞器攜帶的中分辨相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、礦物光譜分析儀、磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀共7台載荷將會開機工作,開展火星全球性和綜合性的科學探測。

天問一號重大節點回顧:

2020年7月23日,天問一號在文昌航天發射場由長征五號遙四運載火箭發射升空,成功進入預定軌道,邁出中國行星探測的第一步。

2020年7月28日,天問一號在飛離地球120萬千米處回望地球,利用光學導航敏感器對地球、月球成像,獲取了地月合影。在這幅黑白合影圖像中,地球與月球一大一小,均呈新月狀,在茫茫宇宙中相互守望。

2020年8月2日,天問一號3000N發動機開機工作20秒,順利完成第一次軌道修正,繼續飛向火星。

2020年9月20日,天問一號4台120N發動機同時開機工作20秒,順利完成第二次軌道修正,探測器各系統狀態良好。

2020年10月1日,國家航天局發布中國首次火星探測任務天問一號探測器“深空自拍”飛行圖像。

2020年10月9日,天問一號主發動機點火工作480餘秒,順利完成深空機動,探測器各系統狀態良好。

2020年10月28日,天問一號8台25N發動機同時開機工作,順利完成第三次軌道修正,地面測控通信各中心和台站跟蹤正常。

2021年2月5日,天問一號發動機點火工作,完成地火轉移段第四次軌道中途修正,國家航天局同步公布了探測器傳回的首幅火星圖像。

2021年2月10日,天問一號進行近火制動,成功被火星捕獲,進入環火軌道。

2021年2月15日,天問一號環繞器實施捕獲軌道遠火點平面機動,將近火點軌道高度調整至約265千米。

2021年2月24日,天問一號環繞器實施第三次近火制動,進入停泊軌道。

2021年5月15日,天問一號着陸巡視器成功着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區,中國首次火星探測任務着陸火星取得圓滿成功。

2021年5月17日,天問一號環繞器實施第四次近火制動,進入中繼通信軌道。

2021年6月11日,天問一號首批科學影像圖發布,標誌我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

2021年9月下旬至10月中旬,天問一號處於日凌階段。