“失联”一个月,天问一号圆满通过考验!

编辑:环球网 文章类型:科学 发布于2021-10-22 13:06:24 共481人阅读
文章导读 我国首次自主火星探测任务天问一号探测器于2020年7月23日升空,2021年5月15日着陆火星乌托邦平原南部。截至10月中旬,环绕器已经飞行了450余天,祝融号火星车驶上火星表面也已经超过150余天。……

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我国首次自主火星探测任务天问一号探测器于2020年7月23日升空,2021年5月15日着陆火星乌托邦平原南部。截至10月中旬,环绕器已经飞行了450余天,祝融号火星车驶上火星表面也已经超过150余天。目前探测器状态良好,已取得大量科学数据。然而近期,天问一号居然“失联”了一个多月,这究竟是怎么回事呢?

目前,天问一号环绕器运行在中继通信轨道,主要为祝融号进行中继通信。2021年9月下旬至10月中旬,火星、地球运行至太阳的两侧,且三者近乎处于一条直线,出现日凌现象,由于受太阳电磁辐射干扰的影响,器地通信中断,环绕器和火星车转入安全模式,停止探测工作。日凌结束后,环绕器择机进入遥感使命轨道,开展火星全球遥感探测,获取火星形貌与地质结构、表面物质成分与土壤类型分布、大气电离层、火星空间环境等科学数据,同时兼顾火星车拓展任务阶段的中继通信。

什么是日凌?

在关心天问一号是否安好之前,要先了解,什么是日凌现象?传统意义上的日凌,是针对通信卫星提出的。通信卫星一般位于赤道上空,距离地球36000km轨道高度的地球同步轨道上。而每年的春分和秋分时节,太阳也刚好直射地球赤道。因此从地球上看,太阳恰好与通信卫星重合。太阳每时每刻都在发射大量的杂乱无章的无线电信号,而我们用于接收卫星信号的天线,实际上也会接收到来自太阳的信号。而在强大的太阳面前,卫星信号犹如烛火一般不值一提。虽然现在的天线指向精度很高,但来自太阳的无线电信号将不可避免地会干扰正常的通信卫星的信号,这会导致地面接收出现异常,例如我们家庭里的电视会信号不稳定,出现“雪花”屏或蓝屏。

而在探测火星时,探测器是绕火星飞行的,从宏观上看,探测器的空间位置与火星重合。那么,当火星被太阳挡住,或者说被太阳光完全淹没的时候,探测器自然也将被太阳遮挡。在天文学上,火星和地球运行至太阳的两侧呈近似180°的现象被称为火星合日。根据太阳系天体运动的规律,今年自9月下旬至10月中旬,天问一号正处在日凌阶段。

日凌对火星探测器有什么影响?

天问一号目前与地球的距离约4亿公里,即使以光速飞行也要20多分钟才能到达探测器的位置。天问一号探测器距离我们如此之遥远,我们对它的状态只能通过无线电信号得知。火星合日前后,很容易出现日凌现象,探测器与地球之间的联系将受到太阳的显著影响,甚至有可能发生信号中断。一旦无线电信号中断,地面就没法跟天问一号进行对话,也就无法指挥祝融号进行科研探测。简而言之,太阳是一个巨大的辐射源,当它出现在我们地面站和探测器通信链路上时就会影响通信,因此,此次天问一号和祝融号“失联”了一个月。

天问一号是如何度过日凌的?

在日凌期间,地面对天问一号的状态一无所知,这对天问一号的自主控制能力提出了较高的要求。由于地面控制人员对探测器的在轨状态是有数据和经验积累的,因此在“失联”期间,探测器经历的外部环境条件是可预估的。其次,探测器可针对可能出现的风险采取规避措施,同时根据预估的环境条件,在进入日凌前对探测器的相关系统进行状态设置,将整个探测器状态调整至相对简单、可靠的“安全模式”。最后,探测器拥有自主管理能力,在日凌期间对器上系统进行定期检查,发现异常情况将按事先制定好的预案进行自主处置,保证探测器在出日凌后正常与地面建立通信链路。

天问一号火星探测器

总而言之,火星探测日凌是一个自然现象,而日凌同时也为行星探测技术积累一定的经验。安全度过第一个日凌的天问一号探测器和祝融号不仅让我们更充满信心,也正好也让辛苦了100多天的祝融号好好放个假,你说是不是?(褚英志)

番外

全自主飞行,天问一号圆满通过日凌考验

2021年9月,“天问一号即将失联一个月”的消息刷遍了朋友圈;日前,天问一号火星探测任务团队通过地面发令形式,正式将器上状态设置为“出日凌”,标志着火星环绕器顺利完成了一月有余的全自主飞行,圆满通过了日凌考验。天问一号的好消息让大家开心的同时也让很多人不由得好奇:一个多月中,天问一号到底经历了什么?究竟是依靠什么,让它可以在遥远的火星顺利完成自主飞行?别急,航天科技集团八院天问一号火星环绕器团队这就为你一一解答。

火星探测中的“日凌”

火星距离地球很远,两者距离一直在5500万至4亿千米之间周期性变化。为了实现火星与地球之间的通信,所有的火星探测器都需要采用强大的通信技术、配置复杂的通信设备,例如火星环绕器就配置了由超高灵敏度深空应答机、2.5m口径定向天线、复杂微波网络等设备组成的通信系统。然而即使如此,也无法对抗太阳超强的电磁辐射。当太阳位于火星与地球之间时,火星探测器与地球之间的无线电通信将受到干扰而失去联系。

根据天体运动规律,火星、地球每隔26个月将会分列于太阳两侧,三个天体近似连成一线。2021年9月中旬至10月下旬便是这样一个时期,在火星工作的包含美国、欧洲、印度的全部火星探测器在此期间都将与地面失去联系,中国的天问一号火星环绕器和祝融号火星车也不例外。

早有准备 天问一号的“日凌模式”

为了保证在轨飞行安全,火星环绕器团队于2021年9月中旬对火星环绕器的工作模式进行了调整。在完成全面状态检查后,通过地面指令将环绕器设置为自主安全稳态管理模式,即“日凌模式”,以应对器地失联情况。在进出日凌期间,地面每天接收火星环绕器状态遥测,一方面判定环绕器在轨状态,一方面判定太阳对器地通信的干扰。

随着火星、地球与太阳相对位置的移动,火星环绕器对地无线通信经历了受到干扰、出现中断、逐渐恢复的过程。2021年10月中旬,器地通信恢复,任务团队开始了火星环绕器状态评估工作。经过仔细分析与确认,火星环绕器状态良好。日前,任务团队通过地面发令形式,正式将器上状态设置为“出日凌”。这标志着火星环绕器顺利完成了一月有余的全自主飞行,圆满通过了日凌考验。

后续火星环绕器将会恢复探测工作,完成轨道调整进入科学探测任务轨道。进入科学任务轨道后,火星环绕器携带的中分辨相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪共7台载荷将会开机工作,开展火星全球性和综合性的科学探测。

天问一号重大节点回顾:

2020年7月23日,天问一号在文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空,成功进入预定轨道,迈出中国行星探测的第一步。

2020年7月28日,天问一号在飞离地球120万千米处回望地球,利用光学导航敏感器对地球、月球成像,获取了地月合影。在这幅黑白合影图像中,地球与月球一大一小,均呈新月状,在茫茫宇宙中相互守望。

2020年8月2日,天问一号3000N发动机开机工作20秒,顺利完成第一次轨道修正,继续飞向火星。

2020年9月20日,天问一号4台120N发动机同时开机工作20秒,顺利完成第二次轨道修正,探测器各系统状态良好。

2020年10月1日,国家航天局发布中国首次火星探测任务天问一号探测器“深空自拍”飞行图像。

2020年10月9日,天问一号主发动机点火工作480余秒,顺利完成深空机动,探测器各系统状态良好。

2020年10月28日,天问一号8台25N发动机同时开机工作,顺利完成第三次轨道修正,地面测控通信各中心和台站跟踪正常。

2021年2月5日,天问一号发动机点火工作,完成地火转移段第四次轨道中途修正,国家航天局同步公布了探测器传回的首幅火星图像。

2021年2月10日,天问一号进行近火制动,成功被火星捕获,进入环火轨道。

2021年2月15日,天问一号环绕器实施捕获轨道远火点平面机动,将近火点轨道高度调整至约265千米。

2021年2月24日,天问一号环绕器实施第三次近火制动,进入停泊轨道。

2021年5月15日,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

2021年5月17日,天问一号环绕器实施第四次近火制动,进入中继通信轨道。

2021年6月11日,天问一号首批科学影像图发布,标志我国首次火星探测任务取得圆满成功。

2021年9月下旬至10月中旬,天问一号处于日凌阶段。

(杜洋 谷宇)

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