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极简科学课 | 揭秘我国首个深空天线组阵系统

发布时间:2021-02-05 07:08:00      来源:中央纪委国家监委网站       

“‘天问一号’要给火星拜年啦!”截至2月3日,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器总飞行里程已超过4.5亿公里,预计将于2月10日左右(即除夕前后)进行近火制动(俗称“刹车”),开启环绕火星之旅。

目前,火星距离地球约1.9亿公里。“天问一号”要保持和地面的联系畅通、顺利执行相关任务,离不开它的好帮手、我国首个深空天线组阵系统的帮助。

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夜空下的喀什深空站天线组阵系统(来源:“我们的太空”官微)

经过近两年的建设,该系统已在西安卫星测控中心喀什深空站正式建成,并在去年底正式启用,参与了“天问一号”“嫦娥四号”“嫦娥五号”等多项任务。

该系统新建的3座35米口径天线与喀什深空站原有的1座35米天线组成4*35米的深空天线组阵系统,提高了地面系统对深空探测器下行数据的接收能力,为我国执行各类深空探测任务提供有力测控支持。

测控天线究竟有什么用?组阵系统到底有哪些优势?从事深空测控工作感触最深的是什么?带着相关问题,记者日前专访了北京跟踪与通信技术研究所研究员李海涛,他是我国深空测控系统的主要设计者之一,也是“嫦娥四号”和“天问一号”的测控系统总设计师。  

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从“嫦娥一号”到“嫦娥五号”,各项任务测控系统的设计与任务实施,李海涛均参与其中,并荣获“嫦娥三号任务突出贡献者”称号。

记者:测控天线的工作原理是怎样的?它在深空探测中主要发挥什么作用?

李海涛:测控天线主要是实现无线电波的能量汇聚,通过抛物面天线面获得有效接收面积。面积越大,汇聚的能量就越多,天线的增益也就越高,或者说性能就越好。在测控实施过程中,无论是向航天器发射信号还是接收航天器发射的信号,都是通过地面测控天线来完成的。比如,深空测控站的35米天线,就能够接收遥远深空探测器发送的下行信号,天线接收到信号后经过放大和变频,然后送到基带设备进行处理,解调出有用的信息;反之,基带产生的控制指令信号经过上变频和高功率放大之后,经过35米天线辐射出去,发送到航天器。

可以说,大口径天线是深空测控系统的核心关键部件,是系统的“头”,信号的进出都要经过这个“头”,核心任务是完成信号和电磁辐射的转换。

记者:测控天线的性能取决于哪些因素?是越大越就越好吗?

李海涛:测控天线的增益指标主要由天线口径决定,口径越大理论的增益也就越大,但口径越大天线的支撑结构也就越复杂,重量也越重,造价也更高,也导致天线转动的速度会更慢。同时,随着天线口径的增大,其波束宽度与天线口径成反比,也就会变得越窄,天线指向目标的精度要求也就越高。

因此,不是说越大越好,要根据实际需求折衷考虑。测控天线对转速和跟踪指向精度都有要求,必须要保证天线能够准确指向需要跟踪的卫星或深空探测器,并保持连线的跟踪。这也是深空测控的天线最大只有70米,更强的接收能力要依靠多天线组阵来实现更大的等效口径的原因。

记者:深空天线组阵系统和单个大口径测控天线相比,具有哪些突出优势?

李海涛:天线组阵技术是利用分布在不同地方多个的天线组成天线阵列,接收来自同一深空探测器发送的信号,并将来自各个天线的接收信号进行合成,从而获得所需的高信噪比接收信号,是探测器高增益天线故障或进入安全模式时下行接收的有效解决方案,也是未来深空测控通信技术的一个重要发展方向。

天线组阵可以增加口径效率,能够超过现有的最大口径天线,在需要的时候为某个任务提供支持;提供了更高的系统可用性、维护的灵活性和工作的可靠性,常规的预防性维护可以在轮换使用不同天线的基础上实现,使系统能全时全功能工作;还可以提高系统的可操作性和计划的灵活性,根据不同任务的需求设计不同的组阵方案和工作计划安排。此外,天线组阵可以通过使用更小口径的天线来实现降低成本,并减少用于备件的费用。

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工作中的天线组阵系统(来源 “我们的太空”官微)

记者:系统正式启用后,在“天问一号”、“嫦娥五号”月面采样返回等相关任务中发挥了哪些作用?

李海涛:系统在“嫦娥五号”任务中作为工程载荷数据接收站使用。“嫦娥五号”的工程载荷就是监视相机,拍摄了分离、交会、样品门转移的过程,并将图像传下来,由新建的35米天线参与了部分数据接收。

对“天问一号”的支持,主要是在“嫦娥五号”任务过程中,原有喀什35米深空天线负责“嫦娥五号”的任务,新建的一个35米天线用于“天问一号” 地火转移段的遥测数据接收,充分发挥了天线组阵技术的优势。

“天问一号”到达火星后,喀什深空站的天线组阵系统将以组阵模式(等效66米)进行数据接收支持,3个新建的35米天线还各自具备独立接收数据的能力。也就是说,分散时三个天线可以各自跟踪一个目标,支持多任务。合成时,可以三个天线同时接收一个目标信号进行合成,接收效果是单个天线的三倍。

记者:近年来,公众对贵州的FAST(500米口径球面射电望远镜)也很关注。大口径球面射电望远镜在深空探测中发挥的作用和大口径测控天线有什么区别?

李海涛:首先,FAST是接收天线,不具备发射功能,而大口径测控天线是收发共用的。

其次,FAST的设计也限制了它的可用频率范围最高只能到达大约3000MHz左右,而大口径测控天线的最高频率范围可以达到8500MHz(66米/70米),乃至32000MHz(35米)。

第三,FAST是依地形构建的天线面,依靠馈源位置的调整来调整天线的指向,因此可覆盖的天空范围有限,局限在其天顶指向的一个小范围内(约40度范围);而大口径测控天线的指向则是全方位可覆盖的(方位0-360度,俯仰0-90度)。

记者:科幻小说《三体》的走红,激发了公众对深空测控工作的好奇和想象。作为从事此项工作的专家学者,您觉得自己工作最特别或者最有趣的地方在哪里?

李海涛:会不断面临新的挑战,随着深空探测任务的飞行距离不断增大,探测器的天体也各不相同,可以说每一次任务都是新挑战,都需要以极大的耐心和信心分析潜在风险和问题,确保系统设计的万无一失。(中央纪委国家监委网站 于露)