来源:央视新闻客户端 发布时间:2021/7/30 13:15:28
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4亿公里外的火星信号如何接收?祝融号拍摄的图片如何呈现?

 

祝融号火星车已在火星表面工作75个火星日,它回传的图片也越来越多。这段时间很多人都非常关心,远在4亿公里之外火星上的微弱信号是如何接收的?祝融号火星车在火星拍摄的图片又是如何呈现的呢?

70米天线:天问一号接收数据的关键设备

如何实现来自4亿公里之外微弱信号的数据接收,是我国首次火星探测任务面临的巨大挑战。根据无线电传输理论,由于信号的强度与距离的平方成反比,从火星探测器上发出的电波经过4亿公里再传到地球后会十分微弱,再加上宇宙中的噪声,很容易把传输信号淹没掉。而通过增大地面接收天线的口径,也就是接收面积,是提高信号强度的基本途径。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:我们知道火星离地球的距离最远的时候有4亿公里,比月球要远1000倍,我们一般的小的天线就已经接触不到了,灵敏度不够。所以我们需要一个更大的天线,才能把这个很远距离传回来的很微弱的信号接收到。

通过科研人员的科学分析与计算、专家的反复论证,需要新建一座70米高性能数据接收天线,来完成这个首次火星探测的数据接收任务。

总台央视记者 李宁我们来到了中国科学院国家天文台武清站,隔着围墙就可以看到这个直径70米、全亚洲最大的单口径全可动天线。它就是天问一号探测任务科学数据接收最关键的设备。

这台直径为70米的天线为轮轨式抛物面反射镜天线,是一台全方位可转动的望远镜,高72米,总重约2700吨。在钢筋混凝土地基上,以中央的天线枢轴为中心,它可以在水平和俯仰两个方向转动,以实现对观测目标的精确跟踪。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:天线可以俯仰90度,方位可以360度随便转。火星和我们的距离、和我们的方位角是一直在变化的,如果你天线不动的话,你就接收不到信号了。

在我国首次火星探测任务中,除了这台新建的70米天线,我国还利用了早期建设的两台40米天线和一台50米天线,共同配合来完成火星数据的接收任务。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:现在我们把4个天线合起来后,我们能收集(相当于)103米直径面积的信号,它的信噪比就会更高,更微弱的信号我们也能收集到。

双曲面结构天线 强大的“心脏”

由于火星距离地球较远,火星探测器上发出的信号在回传过程中,会随着距离的变大而衰减。为了捕捉到这些珍贵而又微弱的信号,研制团队采用了大口径双曲面天线来接收数据,既保证能够接收到足够的信号量,同时也保证了传输数据的准确性。

从火星探测器上回传数据,就相当于在探测器上用一支激光笔照向地球。为了捕捉到探测数据的信号,70米天线采用了抛物面结构,由主反射面和副反射面组成,无线电波经过主、副反射面反射,最后聚焦于被称为馈源的接收装置,提高了天线效率和抗干扰能力。

总台央视记者 李宁我们现在就来到了亚洲最大的单口径全可动天线的反射面。祝融号火星车在登陆火星之后,所有的数据会通过天问一号的环绕器发射到主反射面。主反射面进行第二次反射,反射到副反射面。最后通过副反射面发射到下面的馈源。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:信号的强度是与距离的平方成反比,所以你越远,它衰减得就越厉害,到我们这地方信号已经非常微弱了。正好就用双曲面把它再进行第二次聚焦。70米直径的信号经过两次反射以后,再进入到馈源里面,收集变成一个小波束,然后把它变成电信号,就可以在线缆里面传了。

馈源又被称为天线的心脏,可以提高天线的工作效率。这座70米高性能数据接收天线有大、中、小三台馈源可供使用,以确保更准确地接收火星数据。

中国首次火星探测任务地面应用系统副总设计师 苏彦:它是连接电磁波和电信号的一个重要的连接部件。经过主反射面反射以后,副反射面二次反射,最终通过馈源进行收集,把空间的电磁波转化为电信号。

接收火星数据 快速回传北京中心处理

70米天线接收完数据之后怎么处理?我们看到的祝融号拍摄的火星图片又是如何从数据变成图片的呢?

中国首次火星探测任务地面应用系统副总设计师 苏彦:武清地面站是天问一号数据接收的一个最重要的地面站。我们接收到的天问一号探测器发送的电磁波,在地面站进行了解码处理,然后通过专门的光纤线路发送给天文台总部。

这座天线接收到从火星上获得的信息后,会再通过地面站的高速终端设备,将接收到的信号进行处理并快速传回北京总部。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:经过光纤直接就送到北京总部,总部再去处理这个数据,把它变成图片。

记者:整个过程,从接收到光端机传回北京总部需要多长时间?

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:自动化的处理很快的,分钟级就会完成。

总台央视记者 崔霞:这里是位于北京国家天文台的天问一号任务地面应用系统的运行控制与科学操作中心。祝融号火星车在火星上拍摄的照片,通过数据传输的方式,在70米天线进行接收之后,最终所有的数据需要汇集到这里。

大家看到的这张图片就是祝融号火星车的导航相机拍摄的一张火星表面的全景图。

中国首次火星探测任务地面应用系统总设计师 刘建军:祝融号在着陆器平台上首先进行360度环拍,一共24张照片。然后在武清站的70米天线可视的时候把它传回到地面。

像快递一样有一个外包装盒。在(武清)地面站要把外包装盒打开,就能够拿到图像数据,再到总部经过数据处理,形成一幅幅照片。

刘建军介绍,这一幅幅的照片生成后,他们还要进行颜色校正,让它符合人的视觉感受,来更真实地呈现祝融号火星车所拍摄的火星表面的效果。

70米天线为深空探测打下坚实基础

火星探测任务正式拉开了我国深空探测的序幕。根据规划,未来我国还将对土星、木星以及其他小行星进行探测,而70米天线作为我国深空探测的主力装备,也将承担数据接收等多项重任。

70米天线的建设,相当于架起了火星和地面信息传输的桥梁。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:如果我们没有70米天线,数据的传输码速率会下降三四倍。我们现在比如说可以传4张图,如果没有这个天线,可能只能传一张图,数据会非常少。即使在火星上照了很多像,获得了很多数据,但是我们传不回来。

所以信息的链路的宽窄和能力,是非常重要的一个指标,也能够使我们的科学探测更加自如,可以获得更多的数据。

除了火星探测任务,我国还计划在十四五期间,执行对木星和行星际穿越的探测。相对于火星来说,木星距离地球更远,作为目前我国深空探测的主力军,70米天线也将发挥重要作用。

中国首次火星探测任务工程副总设计师 李春来:这个天线应该说是行星探测、深空探测的一个基础设施。像风筝一样,你放走了后没有线,风筝就控制不住了。只有(用)这种大的天线,探测器才能走得更远。现在至少木星的距离,我们都能够把它的信号接收过来。木星距离我们最远大概有10亿公里。

 
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