天問二號任務(wù)無線電深空探測十年“追星”

在無垠的蒼穹之下，人類對宇宙星辰的向往，恰似永不熄滅的火焰，照亮了一代又一代人探索未知的征途。2025 年 5 月 29 日 1 時 31 分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，隨著一聲驚天動地的轟鳴，長征三號乙 Y110 運(yùn)載火箭如同一頭掙脫束縛的巨龍，托舉著天問二號探測器直刺云霄（見圖 1）。這一刻，無數(shù)雙眼睛緊緊凝視，心潮隨著火箭的升騰而澎湃，因?yàn)樘靻柖栭_啟的，不僅是一次普通的航天發(fā)射，而是我國首次對地外小天體的“雙目標(biāo)探測”偉大征程，這標(biāo)志著我國深空探測正式邁向一個全新的階段。

天問二號肩負(fù)著前所未有的重任，它將歷經(jīng)近 10 年的漫長歲月，跨越億萬千米的遙遠(yuǎn)距離，先對小行星2016 HO3 進(jìn)行伴飛、取樣并返回地球，而后奔赴主帶彗星 311P 開展科學(xué)探測。整個任務(wù)包含 13 個飛行階段，每一步都充滿了未知與挑戰(zhàn)，其風(fēng)險難度之大，位居世界前列。正是這樣艱巨的任務(wù)，激發(fā)著無數(shù)航天人的熱血與豪情。

2025 年 7 月 1 日，國家航天局發(fā)布行星探測工程天問二號探測器在軌獲取的地月影像圖。此次發(fā)布的影像圖包括器地距離約 59 萬千米時拍攝的地球影像圖和器月距離約 59 萬千米時拍攝的月球影像圖，通過無線電深空探測網(wǎng)回傳地面后，由科研人員經(jīng)處理制作而成。

回首往昔，從人類第一次仰望星空，對浩瀚宇宙充滿好奇開始，便踏上了這條永無止境的探索之路。如今，天問二號承載著全人類的期待，即將在宇宙深處書寫屬于中國航天的壯麗篇章。在這十年“追星”旅程中，無線電深空探測扮演著至關(guān)重要的角色，它如同一條無形卻堅(jiān)韌的紐帶，連接著遙遠(yuǎn)太空中的天問二號與地球家園。那么，在未來的十年里，它將如何助力天問二號突破重重難關(guān)，實(shí)現(xiàn)那些看似遙不可及的目標(biāo)呢？讓我們一同走進(jìn)天問二號任務(wù)無線電深空探測的十年“追星”傳奇。

天地?zé)o線電“紐帶”

深空探測網(wǎng)主要由分布在全球的多個深空站組成，這些深空站是實(shí)現(xiàn)對深空探測器測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。每個深空站都配備了大口徑的拋物面天線、大功率發(fā)射機(jī)、極高靈敏度的接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)，以及高精度、高穩(wěn)定度時間頻率系統(tǒng)。這些設(shè)備使深空站能夠與距離地球數(shù)百萬千米甚至更遠(yuǎn)的探測器建立聯(lián)系，完成對探測器的跟蹤測量、監(jiān)視控制和信息交換，天問二號任務(wù)示意如圖 2 所示。

中國的深空探測網(wǎng)由喀什深空站、佳木斯深空站和阿根廷深空站組成，這 3 個深空站分別位于中國的西北部、東北部和南美洲阿根廷的西部。它們的布局確保了對深空探測器的全球覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的測控支持。喀什深空站和佳木斯深空站的天線口徑分別為 35m 和 66m，而阿根廷深空站的天線口徑也是35m。這些大口徑天線能夠接收來自深空探測器的微弱信號，并向探測器發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。

深空站的建設(shè)需要考慮諸多因素，如地理位置、電磁環(huán)境等。理想的深空站應(yīng)建在電磁環(huán)境相對穩(wěn)定的區(qū)域，以減少外界干擾對信號接收的影響。同時，站址的緯度也會影響其對不同軌道高度航天器的測控能力。通常，深空站的緯度選擇在南北緯30°~ 40°，以獲得較好的測控效果。

測控通信支持

在天問二號任務(wù)的各個階段，深空探測網(wǎng)為探測器提供連續(xù)的測控通信支持。從發(fā)射階段開始，深空站便實(shí)時跟蹤探測器，確保其按照預(yù)定軌道飛行。在巡航階段，深空探測網(wǎng)通過定期的測控通信，監(jiān)測探測器的狀態(tài)，及時調(diào)整其軌道和姿態(tài)，確保探測器能夠順利抵達(dá)小行星目標(biāo)區(qū)域。

針對天問二號任務(wù)距離遠(yuǎn)、信號弱、時延高、頻段高的特點(diǎn)，中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院科研團(tuán)隊(duì)采用多頻波束波導(dǎo)測控天線多維場融合設(shè)計(jì)、饋源與接收機(jī)一體化制冷等技術(shù)，就好比給信號傳輸裝上了“超級加速器”和“穩(wěn)定器”，在星海間搭建起一條暢通無阻的“信息通道”，實(shí)現(xiàn)深空測控通信的穩(wěn)定傳輸。

在小行星環(huán)繞、采樣和轉(zhuǎn)移階段，深空探測網(wǎng)的作用更加關(guān)鍵。由于小行星的引力極小，探測器的軌道控制需要極高的精度。深空站通過高精度的測控通信，為探測器提供實(shí)時的位置和速度信息，指導(dǎo)其精確地實(shí)施軌道機(jī)動和采樣操作。同時，深空探測網(wǎng)還負(fù)責(zé)接收探測器在小行星工作期間發(fā)送的數(shù)據(jù)，確保任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)接收與處理

在深邃浩瀚的宇宙探索中，深空測控任務(wù)就像一場漫長又復(fù)雜的“星際馬拉松”。天問二號探測器在小行星探測過程中，會收集大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過深空探測網(wǎng)的接收系統(tǒng)傳輸回地面控制中心。

深空通信的距離遙遠(yuǎn)，信號傳輸過程中會受到各種干擾和衰減，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的接收質(zhì)量受到影響。深空探測網(wǎng)采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)接收和處理技術(shù)，如極高靈敏度接收機(jī)、自適應(yīng)信號處理算法等，以提高數(shù)據(jù)的接收質(zhì)量和可靠性。地面控制中心接收到數(shù)據(jù)后，還需要進(jìn)行一系列的處理和分析，如數(shù)據(jù)解碼、校正、融合等，以提取科學(xué)信息。

面對任務(wù)時間長、工作模式復(fù)雜、可靠性要求高等諸多挑戰(zhàn)，科研團(tuán)隊(duì)做出新的技術(shù)探索。在喀什 4×35m 深空天線組陣系統(tǒng)中，技術(shù)人員采用全新的層次化軟件監(jiān)控架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“有人值守，無人操作”的運(yùn)行模式，可以減輕操作人員的壓力。系統(tǒng)配備健康管理設(shè)備，具備實(shí)時監(jiān)測狀態(tài)和診斷故障的能力，保證任務(wù)萬無一失。

導(dǎo)航與定位保障

在跨越億萬千米的星際征途中，精準(zhǔn)導(dǎo)航將決定深空科學(xué)探測任務(wù)的成敗。中國科學(xué)院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）將高精度甚長基線干涉測量（VLBI）數(shù)據(jù)加入深空探測器測定軌過程后，可大幅度提高探測器關(guān)鍵段軌道精度，以更高精度描繪天問二號探測器的星際航線，以更少燃料飛向更遠(yuǎn)目標(biāo)，讓人類探索宇宙的每一步都走得更穩(wěn)、更遠(yuǎn)。

上 海 天 文 臺 從 20 世 紀(jì) 70 年 代 起 持 續(xù) 攻 關(guān)VLBI 技術(shù)，歷經(jīng)半個世紀(jì)，聯(lián)合分布于全國的射電望遠(yuǎn)鏡，構(gòu)建了一張覆蓋祖國大地、口徑相當(dāng)于3200km 的“VLBI 虛擬超級望遠(yuǎn)鏡”。

正是憑借這張?zhí)炝_地網(wǎng)般的觀測系統(tǒng)，可以探測到飛行器在視線垂直方向的微小變化，結(jié)合測距、測速數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對深空探測器高精度測定軌。

本次天問二號任務(wù)周期長達(dá) 10 年，飛行最遠(yuǎn)處可距離地球 5 億千米，同時面臨信號極其微弱、飛控高度復(fù)雜、高精度測定軌要求等多個新挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對天問二號任務(wù)的新需求，VLBI 測定軌團(tuán)隊(duì)有針對性地開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，主要包括小行星弱引力場下的軌道確定技術(shù)、小行星探測器相位參考 VLBI 定位技術(shù)。

VLBI 網(wǎng)啟用了 2 座新建觀測站（吉林長白山觀測站與西藏日喀則觀測站），對觀測管理模式進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理軟件接口，擴(kuò)展了功能模塊。西藏日喀則 40m 射電望遠(yuǎn)鏡如圖 3 所示。

經(jīng)多次聯(lián)調(diào)聯(lián)試與任務(wù)演練，VLBI 已經(jīng)具備了天問二號任務(wù)執(zhí)行能力，新構(gòu)建的“四站一中心”，包括 2 個新建觀測站和 2 個老觀測站（上海天馬觀測站、烏魯木齊南山觀測站），聯(lián)合升級后的上海VLBI 中心，將為天問二號探測器任務(wù)貢獻(xiàn)高質(zhì)量VLBI 測量數(shù)據(jù)并提供精確軌道。

此外，深空探測網(wǎng)還可結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航等手段，提高導(dǎo)航精度。例如，探測器上的光學(xué)相機(jī)可以拍攝目標(biāo)小行星的圖像，通過圖像識別和處理，確定探測器相對于小行星的位置和姿態(tài)，為環(huán)繞和采樣探測提供更精確的導(dǎo)航支持。

多任務(wù)協(xié)同支持

隨著深空探測任務(wù)的不斷增加，深空探測網(wǎng)需要同時支持多個探測器的任務(wù)，這對測控資源的分配和管理提出了更高要求。例如，在天問二號任務(wù)實(shí)施期間，深空探測網(wǎng)還需同時支持其他深空探測任務(wù)，如月球、火星探測等任務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同支持，深空探測網(wǎng)采用了先進(jìn)的任務(wù)調(diào)度和資源管理技術(shù)。通過優(yōu)化觀測站的觀測計(jì)劃、合理分配測控資源，確保各任務(wù)能夠得到有效的支持。

國際合作與共享

深空探測是全球性的科學(xué)探索活動，需要各國之間的合作與共享。未來，中國的深空探測網(wǎng)將進(jìn)一步加強(qiáng)與國際航天機(jī)構(gòu)的合作，共同開展深空探測任務(wù)。通過與 NASA 深空網(wǎng)、ESA 深空網(wǎng)等國際測控網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)合作，實(shí)現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)交換和聯(lián)合測控，提高全球深空測控能力，推動深空探測技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)成果的產(chǎn)出。

國際合作不僅有助于解決深空探測網(wǎng)建設(shè)中的技術(shù)和資源問題，還能夠促進(jìn)各國在深空探測領(lǐng)域的交流與合作，共同應(yīng)對人類在宇宙探索中面臨的挑戰(zhàn)。例如，通過聯(lián)合開展深空探測任務(wù)，各國可以共享探測成果，加速對宇宙的認(rèn)知和理解。

結(jié)語

無線電深空探測作為深空探測任務(wù)的“生命線”，在天問二號任務(wù)中發(fā)揮著不可或缺的作用。它不僅能為探測器提供精確的測控通信和數(shù)據(jù)接收支持，確保任務(wù)的順利實(shí)施，還能為天問二號任務(wù)的科學(xué)探測提供有力保障。隨著深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測網(wǎng)將不斷升級和優(yōu)化，以適應(yīng)未來更遠(yuǎn)距離、更復(fù)雜的深空探測任務(wù)需求。同時，深空探測網(wǎng)也將拓展其功能和應(yīng)用領(lǐng)域，為人類探索宇宙奧秘、推動天文學(xué)和空間科學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。在未來的深空探索征程中，深空探測網(wǎng)將繼續(xù)發(fā)揮其核心支撐作用，助力人類不斷拓展認(rèn)知邊界，邁向更加遙遠(yuǎn)的宇宙深處。