青年报•青春上海记者 郭颖

北京时间7月23日12：41，中国首次自主火星探测任务“天问一号”在海南文昌发射基地顺利发射升空。    

火星探测任务像长跑，火星最远时距离地球4亿公里，是地月距离的1000倍。青年报•青春上海记者从中科院上海天文台获悉，从“天问一号”发射开始，甚长基线干涉测量（VLBI）测轨分系统将参加地火转移、火星捕获、离轨着陆、环火探测等各阶段的测定轨任务，本次实时任务将持续到2021年。     

已用于月球探测器实时高精度测定轨

“天问一号”火星探测任务的环绕、着陆和巡视分别由环绕器、着陆巡视器来完成。环绕器运行在环绕火星的轨道上，既可以自主进行全球性、综合性的环绕探测任务，同时为巡视器进行中继通信；着陆机构负责携带巡视器安全着陆到火星上去，巡视器负责在火星表面进行区域巡视探测。    

VLBI测轨分系统负责环绕器在地火转移段、火星捕获段、停泊段、离轨着落段、科学探测段等各个飞行段的VLBI测量和轨道计算任务，以及开展火星车的定位实验。     

VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心组成。这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合口径射电望远镜，测角精度可以达到百分之几角秒，甚至更高。   

“‘天问一号’发射12个小时以后，我们开始观测，4个台站一起跟踪，对4个站的测量数据进行准实时与事后相关处理和系统误差校准，得到每条基线上的VLBI时延和时延率数据，然后把数据传到中心，进行测定轨。由于探测器到达火星距离遥远，观测时间漫长，因此每个变轨的地方都属于观测重要关键捕获段，我们都要跟踪，其他时间，大概是每个星期观测两次。”中科院上海天文台研究员洪晓瑜介绍说，“探测器到达火星表面以后，还要工作几年，因此之后几年我们也会间断地跟踪。 ”    

青年报·青春上海记者 郭颖/图

据介绍，VLBI测轨分系统主要工作包括：在每次任务实施前，接收北京中心发送的跟踪时间计划和探测器轨道预报参数等信息，制定VLBI观测计划，向北京中心和各观测站发送VLBI观测计划和引导信息。在任务执行中，观测站开展跟踪观测，记录VLBI原始观测数据并实时向VLBI中心发送；VLBI中心接收、处理各观测站发送的VLBI原始测量数据，并按要求将VLBI时延（探测器到两个测站的时间差）、时延率以及赤经、赤纬等VLBI观测计算结果发送北京中心；接收北京中心转发的深空站测速测距数据，利用VLBI和测速测距数据进行定轨和定位，并按要求将环绕器定轨和火星车定位结果发送至北京中心。    

目前，VLBI测轨分系统已用于月球探测器实时高精度测定轨，已经圆满完成了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号和嫦娥五号再入返回飞行试验器等VLBI测定轨任务。   

“火星跟地球的距离是地月距离的1000倍，同样测量精度的话，到达火星就相当于放大1000倍，所以我们必须有更高精度的测量。”洪晓瑜说，为了提高精度，VLBI测轨分系统共新研发了数十台套软件和硬件，分别布置于4个测站和VLBI中心，如VLBI中心的火星探测VLBI数据处理系统和定轨定位系统，4个测站的致冷接收机、前置型数据采集终端、基准信号锁相传输系统、GNSS接收机、氢原子钟、水汽辐射计等。     

根据计划，VLBI测轨的时间段会越来越早。中科院上海天文台研究员刘庆会解释了原因，“VLBI测轨的观测时间主要是取决于地球和火星的相对运动以及我国的地理位置，所以我们在七八月的观测时间基本上是从每天晚上10点到第二天的上午10点左右，但是随着时间的推移，这个时间段会越来越提前，经过逐渐过渡，到了明年基本上从上午开始。 ”    

一个深空探测器要想准确地测量它的位置和速度，一般需要3个观测量：天线到达探测器的距离、测量视线方向的速度以及它准确的方向。刘庆会说，VLBI的主要贡献就是方向，也就是垂直于视线方向的位置变化。“当我们把这3个量结合起来的时候，就能快速而准确地测量这个探测器在空间的某一点的位置和速度。”

“天问一号”矿物成分探测的“火眼金睛”

此番中科院上海技物所负责研制我国首次火星探测任务有效载荷火星表面成分探测仪和火星矿物光谱分析仪，分别在着陆巡视和火星环绕两个环节对火星表面元素与矿物成分开展科学探测，可以说打造的是火星矿物成分探测“火眼金睛”。

火星表面成分探测仪是火星车上的主要有效载荷之一，结合主动激光诱导击穿光谱探测和被动短波红外光谱探测技术，对着陆区的火星表面元素、矿物和岩石开展高精度的科学探测，对研究火星的形成、地质的长期演变过程等具有重要的科学意义。火星一天只跟地球一天差40分钟，温差却大得多：白天30℃，晚上零下130℃。由于火星车是用太阳翼来搜集能源的，因此白天搜集的太阳能必须保护自己晚上能生存下去。 “我们的仪器分到的太阳能很少，就0.8W的功率。为了确保它们在晚上零下130℃的环境下不会被冻坏，我们选择了一些特殊的材料，加上热光机上的一些设计，来适应环境。”上海技物所研究员徐卫明透露，设计完以后，他们做了很多环境实验，看看低温下会不会出问题，然后再改进。“在火星车上做的时候，还会给它穿衣服，包得严实一点，让里面的热能够保得住。正常情况下，如果在零下130℃的环境下，内部能做到不超过零下100℃。除了火星车上的表面成分探测仪，环绕器上的火星矿物光谱分析仪采用推帚式成像、多元实时动态融合的总体技术方案，突破红外背景抑制、高效自由曲面-光栅分光组件、器上太阳及灯组合定标等关键技术，同步实现轻小型、低功耗与高性能。光谱仪通过获取火星表面可见至中波红外宽谱段（400nm~3400nm）的光谱成像数据，为火星表面物质成分的调查和分析的科学探测任务提供科学数据。

为什么要探测分析火星表面的矿物成分？“通过分析火星表面矿物的光谱，能够获得火星表面的矿物成分，从资源分布来说也是可以有研究产出的。”上海技物所研究员何志平表示，“另外，如果了解上面的矿物成分分布，就可以了解它的演化和发展过程，都说火星和地球很相似，地球因人类活动影响后，对它自身的原始状况不能了解的那么精细，所以如果把火星看清晰了，倒过来也可以研究地球。”

何志平打趣道，此去火星就是要“照个相，测个矿物成分，做一点气候和环境的检测工作”。至于在火星的哪个地点进行，就由科学家经过综合平衡后遴选确定。

火星矿物光谱分析仪将通过两个功能来测矿物，成像让人知道矿物表面长什么样，测光谱可以判断出它是什么矿物。

“图像和光谱无非就是考量3个方面：怎样看得更清、怎样看得更精、怎样看得更准。”何志平介绍说，此次探测计划每个任务都是有要求的，对火星矿物光谱分析仪还有重量的要求。“比如说看得更清，40公斤的重量可以做一台好仪器，但是给我们的重量限制只有8公斤，也要能看清，所以就要在技术性能上有所选择。根据要求，技术上可以看到光谱范围400nm-3400nm。谱段很宽，特别是红外光谱可以支撑看得更精。”

需要突破的第一个技术是“红外背景抑制”。“就如人体会发红外光一样，仪器本身也会发红外光，但我们需要的是火星的红外光，所以需要想方设法将仪器自身的红外光影响降到最低？为了实现红外背景抑制，我们从温控、材料等方面做了很多技术突破。我们用高效的分光及探测组件，把响应信号做到最强，虽然进来的光是一样的，但是得到的信号更高、噪声更低，拿到的数据性能就能更好。”何志平说，“另一方面，在各国探测技术各显其能时，还要看谁标定得更准。“我们在仪器里设计了比较复杂的定标，看一下太阳，看一下黑黑的冷空间，再看一下自己带去的灯，然后再看火星，这样看的东西就会更准，拿到的数据更有显示度。”

青年报•青春上海记者 郭颖

编辑:张红叶

来源:青春上海News—24小时青年报