“天问一号”飞奔火星，这三个深空“站将”功不可没！

演讲题目：

深空测控——和火星说“你好”！

演讲者：

中国首次火星探测任务测控系统总设计师

李海涛

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我们为什么要探测火星？

同学们大家好！当我们第一次听到火星这个词的时候，大家会有什么印象呢？我第一次对火星有一个比较深刻的概念，那还是在上个世纪九十年代，当时我还在上高一，央视推出了一个从国外引进的关于火星探测的科普片，那是我第一次看到人类拍摄到的火星这个神秘天体的表面的图像，看到火星表面红色的遍布碎石的，像我们荒漠戈壁的这种景象。当时是六点钟开始，大概播半个小时，晚上七点钟，就和你们一样，可能要去上晚自习，所以六点半看完了，就还得骑着自行车赶紧往学校赶。当时这半个小时给我留下的印象非常深刻，非常地冲击，非常地震撼，也为我以后可能从事航天这个领域的工作，埋下了一个种子。

那么说到这儿，可能大家就想，那我们为什么要去火星呢？

我个人认为一个很重要的一个想法，或者一个理由，其实就是拓展我们人类的一个生存空间，火星它本身又是和我们地球在太阳系里非常接近的一个姊妹星，而且现在也证明，它历史上曾经有过水。很多人都在考虑，那以后我们是不是可以移民火星呢，火星人类能生存吗？我们现在其实就要去探索，当然我们现在的这个探测，可能大家讲就这么小是吧，就一个人可能都送不上去，更不用说很多人了。但实际上我们现在验证的是一个能力，我们能够到达火星，我具备这个能力，那么以后有这种需求的时候，那么我们中国人，就可以很自然地能够到达、探索、开发、利用火星的这些资源。

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测控系统如何测量控制“天问一号”？

那么说到火星探测，我们从地球到火星这个转移过程，它要经过多次的中途修正。就是我们从地球离开的时候，那这个速度是很快的，那我们进入之后，是不是一直以这个速度在跑呢？实际上不是，它这个速度会逐渐地变慢，然后在到达火星的时候，火星对它又有引力了，那么就又会使它加速，打个比方，就比如说，我们拿一个球，你比如说我们在学校一层，我们使劲往高处抛，那是不是你出手的时候，这球的速度很快，对吧？那可能到四层五层的时候，它就会越来越慢，然后到最高点它就会落下来。实际上我们轨道跟这个是类似的，那么我们怎么样来保证这个修正呢？就是地面首先要测，你现在和前面这段时间，你飞行的轨迹要跟我们理论设计的进行一个比较，如果你有一定的偏差，那么我们要把这个偏差量计算出来，然后通过我们的地面站注入到这个探测器上面，然后探测器再控制它的发动机做一个修正，然后让它继续在正确的轨道上来飞行，这是我们要知道它的状态。

另外我们要对它进行控制，比如说我们要拍照，那拍照我要对相机做一些指令，设一些参数，然后才能把照片拍下来。这是在发射之后不久，7月27日，当时我们一个探测器上的光学导航的一个敏感器要做测试，当时“天问一号”回看了地球，就拍到了这张地球和月球的合影，当时的距离大概是一百二十万公里。

然后在后面我们还有一次，应该是在九月中下旬，我们的一个传感器专门拍摄了 “天问一号”探测器飞行的一个完整状态。那么这张图片拍摄的时候，距离地球大概是一千七百万公里，拍了之后以无线网络的形式传回到探测器上面，然后再通过通信的链路，传到我们的地面站。

所以说是从发射开始，一直到它进入了环火轨道，我们测控系统贯穿我们任务的全过程，一直保护着“天问一号”能够顺利地开展在不同阶段的科学探测活动，包括它的正常的一些操作和控制。因为它远，就带来了很多问题。首先随着距离的增大，我们收到的信号会越来越弱。打个比方，可能我们这个距离，如果不带耳麦我跟你说话，你也能听见，如果咱们两个人隔着一二百米，甚至二三百米，那可能就得可着嗓子使劲喊，然后你可能还得竖着耳朵使劲听，才能听清楚。另外呢，在这种太空当中，大家是相对运动的，地球自身绕着太阳也在运动，那探测器在太空中也在运动，这个距离也不断地在变化，想把对方的位置看得很准，这也很难。打个比方，那它在四亿公里的时候，因为时间有二十多分钟，那我现在瞄准了它，直接发过去，它能收到吗？它肯定收不到，因为它在往前跑，二十多分钟，可能这个信号到的时候，它已经过去了。这样其实对整个的任务，包括对航天器的设计，都带来了很多的压力和问题。

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我国深空测控系统建设

伴随着探月工程的发展

那么从我们国家深空测控系统的建设，其实是伴随着我们国家探月工程一步一步发展而来的。我们最早在“嫦娥一号”的时候，那是2004年的时候，那个时候我们国家没有现在的深空测控的这么一个系统。那么当时定的原则，就是利用已有的设备设施来支持我们的首次月球探测任务。我们当时最大的天线有十二米，它的直径有十二米，当时想利用这种十二米的天线，然后“嫦娥一号”卫星上再采取一些措施，当时最开始的设计认为是可以的，结果到实施的过程当中，最后发现，我给它发信号没问题，我收不行，达不到原来设计的要求，那怎么办呢？就是我们在我们的两个站各建了一个十八米口径的接收天线，就它只负责收，或者说它只负责听，它不用喊，喊用原来的就够了。这样用这种相对比较简单的一个组合的一种方式，来完成了当时的这个“嫦娥一号”测控的一个任务的支持。但是在这个过程当中，其实当时在国内达成了一个共识，我们以后要走得更远，要实施更多的这种月球和深空探测任务，就必须要建自己的深空测控系统。

我们的深空站，它的建设是从2007年，“嫦娥一号”任务之后才开始启动的，那么当时是规划在国内先建两个，一个是在我们国家的东北，最东边；一个建在最西边。这样的话，我在空间位置上就可以拉开了。拉开了之后，它能够提高比较高的一个，我们叫覆盖，就看的时间会比较长。我们来连线一下在我们祖国东北的佳木斯深空站。

谢承伯（连线）：李总好，大家好，我叫谢承伯，我现在所在的位置就是位于我国国土的最东极，黑龙江省佳木斯市桦南县境内的佳木斯深空站。我是深空站的一名测控员。大家可以看到我身后就是口径六十六米的天线，差不多等同于二十多层楼的高度，它就是我们跟火星探测器联络的关键。

谢承伯（连线）：2016年的时候，我们这套设备跟踪最远距离达到了四十七点六亿公里，而火星距离我们最远四亿公里，因此对于我们来说太简单了。从“天问一号”发射之后，到现在已经二百多天了，我们每天都在跟它保持联系。下面我就带大家去看看我们跟“天问一号”保持联络的机房。

李海涛：大家可以看到佳木斯深空站，因为地处东北，在松花江流域，冬天是非常的寒冷，它现在的室外的气温，已经在零下三十度了。小谢非常辛苦刚才，外面非常冷。

谢承伯（连线）：不冷，这里就是我们的测控机房。大家看这里，当界面上显示绿灯的时候，就说明我们正在接收 “天问一号”的信号，从最开始一两秒就能收到探测器的返回信号，到现在我们至少需要十八分钟，才能收到它的返回信号。我们经常开玩笑说，就好像等待女朋友回消息一样，要有耐心。但是无论它飞得多远，无论要等待多久，我们都会静静地等待它的回信，默默地守护着它到达火星，完成它的各项使命任务。我的介绍完毕，谢谢大家。

李海涛：好，谢谢小谢。

谢承伯（连线）：谢谢李总。

李海涛：那么两个深空站完成我们的这种深空测控任务，是不是就够了呢？不是，为什么呢？大家可以想一想，我们每天看到太阳，是不是只有半天可以看到？那么我们两个深空站，它接力起来能看多久呢？能看大概也就百分之六十 一天，二十四小时就看十五六个小时最多，那这个时间肯定是不够的。就提出了要在南美洲去建我们国家第三个深空站。

4

海外选址经历“惊喜又惊吓”

三大“站将”组成完整的深空测控网

我当时是作为技术负责人全权负责。当时还以为这个事情很简单，很容易选，结果这一选就是两年半。首先我们在阿根廷和智利，前后去了有几十个点位，几十个站址。我们除了坐车在这种野外去选址之外，他们还安排了一次坐飞机进行空中选址。这个经历就是既惊喜又惊吓，为什么呢？大家可以看一下，就是这架飞机，为什么说还有惊吓，因为我上去我要关这个门。这个门，你们可能都没见过，插销，你们知道插销吗？就是一个铁棍，一个金属的套子插销，它那个门竟然是个插销。当时心里面真的是凉凉的，还好，这个飞机在空中飞了不到四十分钟。

其实我们希望选的一个站址是什么样的呢？是一个像碗一样的地形，为什么要选一个像碗一样的地形呢？就是我这个天线要放在这个碗的中间。周围那个碗的沿是什么呢？是那些山，山就能够把我们外界的这些无线电信号，这些对我们来说是干扰信号，能够屏蔽掉大部分。大家可以看，这是在一个山坡上面拍下去的。

整个下面相当于是个盆地，中间有个小山，你看着很近是吧，我们就从拍照这个地方一直走到中间这个小山走下去，就这个点，单程走了将近两个小时。

而且就这种类似于这种戈壁，半荒漠的这种地方，就我穿的这双鞋，在选址完了，我这双鞋也扔掉了，鞋底磨漏了。因为全部下来都要走这种路才能到那些地方。而且我们在阿根廷整个选的时候，我们基本上跨了大概有五个省。到2012年一月份，我们在第五次去阿根廷选这个点的时候，最后历时四十天，应该说也是历尽了千难万险，最后选出了我们现在的这个点位。我当时这个圆珠笔在地上戳到这个点，就是我们现在阿根廷深空站三十五米天线的这个位置。

那么这个站建成之后，它的X频段的正式使用，其实就是我们的“天问一号”。在“天问一号”探测器跟长征五号运载火箭分离后，大概四分钟左右发现了“天问一号”的它的下行信号，然后随即按照它的程序，就向“天问一号”发送了无线电信号，形成了对“天问一号”的第一声问候。然后之后，其实我们还在等待，等待什么呢？等待信息来确认这个太阳帆板是不是展开了，为什么？如果太阳帆板不能展开，那么“天问一号”就会没有电。那么大概在阿根廷深空站跟踪之后，我们很快就通过遥测信息收到判断，它这个太阳翼帆板已经展开，这样才会有了我们在文昌指控大厅里面由指挥长来宣布，“天问一号”发射取得圆满成功。

那么我们的阿根廷深空站建好之后，我们国家就形成了一个由佳木斯、喀什和阿根廷三个深空站所组成的一个完整的深空测控网。我就从原来的百分之六十左右的一个覆盖能达到了百分之九十以上。就好比，我们测控系统是放风筝的人，那么通过这三个深空的“站将”，我们就能控制 “天问一号”这个风筝，控制它飞多远，往哪个方向飞，越走越远，一直到达火星。

5

未来

走出太阳系、进入星际空间

都值得期待！

那么在我们实施完 “天问一号”任务之后，我们还会走得更远，比如说有更遥远的小行星探测，木星探测，更遥远的我们也可以走出太阳系，进入星际空间，我想这都不是梦想。那么随着距离越来越远，那么这个信号它会越来越弱，但是我们的需求其实反而更强烈了，我们希望这个图像是越清晰越好，然后我获取的科学数据越多越好。那么我们怎么才能满足这种不断增长的这种需求呢？

那么我们还是需要更大的嗓门、更好的耳朵来完成我们的测控任务。我们还应用了一个新的技术，就叫天线组阵技术。我们在喀什深空站又新建了三个三十五米口径的大天线，和原来已有的天线一共四个天线，组成了一个天线阵，共同接收来自遥远深空的信号，然后我把每个天线的信号汇聚到一起，进行一个合成，这样由原来的一就变成了四，达到了四倍的这么一个效果。

那么未来，我们可以把我们国内有的这种大口径的天线资源都利用起来，把信号收下来，然后进行一个合成。这样我们就可以把这种测控支持的距离提高得更远。另外为了让探测器能够听得更好，我们要把“大嗓门”要做得更大，我们要把地面的发射机的功率也要做得更大，这样我们才能够支持更遥远的深空探测任务，从而形成我们能够支持乃至整个太阳系探测范围支持能力的深空测控网。

谢谢大家。