如何給太空中的天問一號導航？這位浙籍專家為你揭秘

浙江日報

浙江日報官方賬號

上海天文台VLBI深空探測指揮中心慶祝天問一號成功環繞火星

大家是否想過，遠在2億公里外的天問一號在泊入火星軌道前，那一腳精准無比的“太空刹車”，是如何完成的？

從地球飛往火星的4億公里漫漫長路上，地面上的科學家們如何追蹤它的行蹤？

難道，天問一號也能隨時聽到：“前方進入火星軌道，請減速”，“您已偏離路線，請右轉”的“導航”信息嗎？

答案就在中國科學院上海天文台VLBI深空探測指揮中心！

上海天文台VLBI深空探測指揮中心

在這裏，數十位工作人員日夜守在監視器前，“注視”著天問一號。

看，這就是來自天問一號的“心跳”。

原來，地球上的科學家們就靠這個給航天器導航！

這裏面的秘密，讓我們邀請指揮“超級太空望遠鏡”的VLBI系統工程師陳中來給大家揭秘。

陳中 中國首次火星探測工程測控系統VLBI測軌分系統總體組主任設計師，浙江台州人

從地球到火星

4億公里太空路上的“注視”

在上海天文台VLBI深空探測指揮中心的監視大屏上，那些時不時突起的，宛如心電圖波形似的脈沖信號，就是來自天問一號的“心跳”。

每分鐘，VLBI測定軌系統都在計算出它的精確軌道位置，並把數據傳送給千裏之外的北京。

從去年7月天問一號發射升空開始，這種“注視”就沒有中斷過。

“發射升空以後的半個月，每天都要實時跟蹤測量。”陳中告訴記者，“隨著天問一號轉入奔火飛行階段，我們展開每3天1次的測軌觀測。”

春節前夕，在普羅大眾准備歡度節日的時候，陳中和他的團隊卻進入了最緊張的實時集中測控模式。

2月1日開始，他們每天觀測工作時長超過12小時，時刻對天問一號的飛行軌道進行精密測量。

為此，VLBI指揮中心的工作人員要分為兩班輪替，每天從中午12點開始到夜晚12點。

為什麼中午以前不用觀測？

“因為那時候，我們的射電望遠鏡收不到天問一號的信號。”陳中說，“就像太陽東升西落，隨著地球旋轉，只有在望遠鏡面向火星方向時，地面觀測站才能接收到天問一號發回的信號。”

這就有必要解釋一下什麼是“VLBI”了，它的中文名字有點拗口：甚長基線幹涉測量技術。

別怕看不懂，這裏有個科普小視頻，介紹它的原理。

簡單來說，VLBI就是多個相距遙遠的方位與俯仰全可動的大型射電望遠鏡，聯合組網成為一台綜合孔徑望遠鏡，達到一架巨型虛擬望遠鏡的觀測效果。

大家都知道，如果想要看得很遠，望遠鏡的口徑就得做得很大。目前全世界最大的射電望遠鏡，就是我國貴州的“天眼”，其口徑達到500米。

“天眼”射電望遠鏡

然而，太陽系內的人造航天器移動非常迅速，而天眼的設計是“非全可動”，也就是說，這只“眼睛”不能自由轉動，這就導致每天能觀測的時間非常有限。

而且，單一射電望遠鏡的數據無法用於快速測軌定位。

這就有了VLBI這種“超級望遠鏡”。

它就像一個巨大的“虛擬眼睛”，口徑可達數千公里。並且，組成它的每個“小眼睛”，都是“全可動”的。

這樣的一只“虛擬眼睛”，可以接收到非常微弱的信號並精細的分辨各類天體。

2019年，黑洞的第一張照片，就是由全球的毫米波VLBI觀測網聯合“拍攝”的。

利用VLBI技術對M87星系黑洞成像

VLBI不僅“大”，而且可以給航天器精確“定位”。

“不同地方的望遠鏡，接收到來自於太空自然天體或者人造航天器發射的電磁波信號是有微小時間差的。”陳中解釋，“那麼通過數據中心處理分析這些數據，就可以精確測定它在空間上呈現的各類信息。”

中國VLBI網共有5台射電望遠鏡，兩台在上海，還有3台分別位於北京、雲南和新疆。其中最大的一台在上海，它就是65米口徑的天馬望遠鏡。

“這5台望遠鏡都具備水平360度和俯仰90度靈活可動的能力。”陳中說，“由於天問一號飛得很快，並且地球自身也是在旋轉和運動，追蹤它就需要望遠鏡根據設定好的指令隨時轉動。”

這套VLBI系統，測量有多精准呢？目前它的時延測量精度達到0.1納秒！

觀測38萬公里遠月球上的嫦娥五號，誤差優於百米；

觀測2億公里遠火星上的天問一號，誤差優於4公里。

所以，從嫦娥一號到天問一號，我國VLBI的工程師和科研工作者們，一路“注視”著中國航天事業的前行的腳步。

“換姿勢”和“踩刹車”

前所未有的難度挑戰

就在幾天前，天問一號發來了第一張火星照片，網友們爭相轉發。

也許，很多人沒有注意到新聞裏有一句：“順利完成地火轉移段第四次軌道中途修正”。

其實，這就像是在長途開車的時候，當導航系統提醒“偏離路線”，駕駛員就要適時掌舵、踩油門和刹車，“換個姿勢”才能繼續安全旅行。

對於火星探測任務來說，VLBI的測定軌正是要發揮這樣的作用。

“天問一號從地球飛到火星的軌道，是預先設計好的。”陳中告訴記者，“由於旅行的途中，它會受到太陽和其他行星的引力影響，一段時間之後軌道會產生稍許偏差。這時候就需要我們提供的軌道數據為依據來進行修正。此外，也要為火星捕獲提供重要的飛行控制決策依據。”

目前為止，VLBI已經為天問一號進行了4次軌道修正，1次深空機動。為了被火星引力捕獲，還要做近火制動，也就是“踩刹車”。踩刹車也不止一次，因為捕獲後並非直接進入一個最終軌道，而是要經過多次變軌和捕獲等複雜動作，逐步縮小橢圓軌道。

所以，到2月28日前的整個2月份，VLBI中心的全體工作人員都在連續地加班加點，每天持續觀測12小時。

“這次任務難度超過以往任何一次。”陳中說。

作為探月工程VLBI深空探測指控中心主任設計師，陳中從嫦娥三號任務開始，參與了多次探月重大航天任務。火星最遠的時候距離地球超過4億公里，約是地月距離的1000倍。在火星捕獲階段，探測器距離地球約2億公里，一個小角度的測量誤差，對應到火星的位置，誤差可能達到幾十甚至上百公里。

“測量如果不精確，就會導致探測器一頭撞上火星，或者與火星擦肩而過。”陳中說，“而且這是中國第一次開展火星探測，意義重大。所以在VLBI觀測站和數據處理中心，我們新研發了數十套全國產並具有自有知識產權的軟硬件系統來大幅提高測量精度。接收到天問一號發送來的信號後，我們的系統可以在1分鐘內完成測軌定位。”

完成如此複雜的任務，陳中坦言是個極其考驗團隊合作的工作，“每個人都是螺絲釘。我們VLBI中心現在工作的成員來自於各個學科背景，還有碩士生、博士生一起參與觀測值班與數據處理工作。此外還有外單位技術服務支撐，比如射電望遠鏡研制單位的，電信、聯通公司通信保障的等等。而有的同事，還要克服疫情的影響去北京任務總部和密雲VLBI觀測站承擔相關的工作。”

VLBI中心和4測站的值班 人員拍照留念

VLBI中心和4測站的值班 人員拍照留念

現在，天問一號已經順利被火星引力捕獲。但對VLBI系統來說，挑戰才剛剛開始。

因為在火星軌道上，總共有3個國家的火星探測器前後腳到達，除了中國的“天問一號”，還有阿聯酋的“希望”號和美國的“毅力號”。
“大家均采用相似的X頻段深空測控信號，存在相互‘串台’的風險。就像快車道上車多了容易撞車。”

對陳中來說，春節期間觀測任務相比於剛剛完成的探月工程嫦娥五號任務，唯一“慶幸”的地方，在於不用日夜顛倒。

“比如嫦娥五號任務，我們是跟著月亮走的，工作時間通常都是通宵達旦。”陳中笑道，”跟著火星走，起碼任務間隙期間，我偶爾還能給女兒視頻連線講個睡前故事。”

最近的睡前故事，多半是關於火星的。“前幾天還在問我，火星上有沒有火山，還會噴發嗎？”陳中說。這個剛剛上小學的女兒，非常為有這樣一個老爸驕傲，“我想航天事業，對於我們這些航天人來說最大的魅力也在於此。每一次的挑戰都是再上高峰，伴隨風險與未知，而每一次的成功征程也給我們帶來巨大的成就感。”

最後，陳中用一手漂亮的鋼筆字，給家鄉的媒體錢江晚報的讀者寫下了航天人的新春祝福——“插上夢想的翅膀，探索浩瀚的太空”。

本文部分圖片由上海天文台提供

特別鳴謝：國科大杭州高等研究院

（原標題《如何給2億公里外的天問一號導航？上海天文台VLBI系統工程師為你揭秘》。編輯 樊成友）