7个月，4亿公里，是谁在指引天问一号前行？| 造就Talk·吴晓静_风闻

　　火星，古代我们就把她称为战神。因为她忽隐忽现的特征，古人也叫她荧惑星。

　　她的自转周期是24.66小时，跟地球很像，也是绕着太阳做反时针运转，地球在第三跑道，她在第四跑道，很有规律。

　　跟地球特别像的一点儿，因为受到过撞击，都是歪着个小脑袋在自转，有着春夏秋冬的变化特征。

　　从古至今，我们人类对火星都充满了好奇心，探测了近50次。不管是电影小说都可以看到关于火星或火星生命的描述。

　　今年，我国终于可以实现战神的梦，并要一次性实现火星环绕、着陆和巡视。

　　我们对火星的探测，意义何在？

　　一是探究备份星球的可能性，二是也有助于探究地球的前世今生。

　　在《天问》一诗中，屈原曾问道：

　　阴阳三合，何本何化？

　　圜则九重，孰营度之？

　　惟兹何功，孰初作之？

　　斡维焉系，天极焉加？

　　天体如何环绕？如何量度？天体之间的绳索何在？

　　我们带着先人的疑问和敬畏，为火星探测器命名**“天问一号”**。

　　那么如何保证她顺利抵达火星呢？今天我给大家简单讲讲VLBI是怎么给天问一号引航的。

　　吴晓静

　　火星/探月任务VLBI分系统副主任设计师

　　01火星探测器的导航“APP”

　　飞控中心的一系列控制指令

　　大家可以看到图片上的一条条指令，这是北京飞控中心给探测器的控制指令，控制她能够平稳地飞在预设的奔火轨道上。

　　可以说，这些控制都是为了定轨，而所有的定轨都离不开测量。

　　测量就是VLBI要做的事儿。

　　在座的各位，每一个人的手机里应该都有一个高德地图或者百度地图这样的导航APP。咱们要去一个陌生的地方通常第一件事就是打开手机导航。

　　VLBI，简单来说，就是为探测器开个导航。

　　从字面上理解，VLBI就是Very Long Baseline Interferometry，甚长基线干涉测量。

　　从原理来讲，甚长基线干涉测量是用多个远距离望远镜接收同一天体的无线电波信号，进行干涉处理运算，获得射电图像。

　　VLBI的测量量，有时延、时延率、幅度、相位等，分别描述射电源的一些位置信息，包括它的亮度分布信息。

　　我们通常所说的VLBI的测量精度，就是时延和时延率精度。时延指的是电磁波的同一波前到达两个望远镜的时间差。

　　中国的VLBI网分布在我国的四个省市，有上海，北京，新疆和昆明。CVN的分辨率相当于一台口径为3000公里大的综合望远镜。也有人调侃说，我们VLBI就相当于一架巨无霸套餐式的望远镜。

　　我国的VLBI网

　　在探月或深空任务中，VLBI属于测控系统。**它对垂直于探测器视线方向上的位置变化有很高的灵敏度，与提供视线方向上的测距测速数据形成互补。**目前深空探测中用的VLBI技术有△DOR（差分单程定位）技术，以及同波束VLBI技术等。

　　VLBI技术的优势在于短弧定轨，尤其是关键控制点（如中途修正）的轨道预报。

　　嫦娥二号飞行中，VLBI发挥了重要的作用

　　简单举个例子：

　　嫦娥二号在奔拉格朗日点L2点时，月球逃逸段。

　　在中途修正后的6小时短弧定轨，仅使用测距测速，定轨位置误差要45km，速度误差0.18m/s,而加入VLBI后，位置精度到6km，速度误差到0.03m/s。定轨精度可以提高一个量级，明显提高轨道速度方向和轨道面法线方向的精度。

　　这次火星探测任务中VLBI要做的工作就是对火星探测器进行测量和定轨，对探测器飞行过程中的轨控或姿控过程进行监视和测量。特别是在地火转移、近火制动等测定轨难度较大的弧段以及变轨点，近火减速点这些关键控制点中突显其作用。

　　VLBI地面站不像地球的导航卫星一样，覆盖那么广。对深空探测器的可见弧段是有限的，只能在有限的覆盖时段内进行测量，保证在非可见弧段探测器的轨道也是精确稳定的，所以就更需要超高精度的测定轨能力。

　　地火转移段和火星捕获段探测器的VLBI可视情况

　　为什么一直在强调精度？

　　如果精度不够，探测器将可能失联，或者在近火段与火星擦肩而过，也可能直接撞上去。

　　1998年，火星气候轨道器在进入火星轨道时失联，这个夭折事件也说明了未使用VLBI技术，不能及时发现切平面误差的增大可能会导致致命缺陷，最后导致任务失败。

　　02VLBI如何解决火星巡航三大难点

　　我们火星巡航有哪些难点？我简单给大家讲一下。

　　第一个难点，距离。

　　火星离地球的最远距离有4亿公里——地月距离的1000倍。无线电波在以光速向外辐射时强度是以传播距离的平方衰减的。

　　亿级距离的信号，在传输到地球上的时候已经严重衰减，通常采用更大口径的天线来接收弱信号。

　　地球和火星的最远距离是4亿公里，无线电波信号非常弱

　　目前VLBI地面天线只有天马65米是一个相对较大口径的天线，所以我们必须从技术上突破弱信号的处理方法。

　　比如：我们将探测器的FFT点数由原来的1024提高到了8192，以提高探测器信号的检出能力。

　　第二个难点，时延。

　　月球的单程通信是1.3秒，我们几乎可以实时性的控制月球探测器。但是火星的最远单程通信需要22分钟，也就是说地面并不能及时地对探测器进行控制。我们只能尽可能去减小测轨误差。

　　我们假设VLBI时延测量误差1n****s(0.3m)，对2亿公里远的探测器与视线垂直方向的单点测轨误差约为2亿公里/3000km(基线)×0.3m=20km。远大于视线方向的测距误差。

　　所以要想提高火星探测器的轨道精度，我们必须想办法提高VLBI时延测量精度。

　　而且，在信号传输过程中，还会有大气层、电离层、太阳风暴等各种可能影响精度的误差因素，而地面天线上的设备在接收信号时也会有不同的时延误差。

　　这次任务我们通过研制新的硬件设备，对一些软件算法进行了改进来修正这些误差。

　　比如，我们用一些技术和物理手段减少了数据采集和校正设备在信号传输过程中相位抖动对时延的影响。

　　第三个难点，定轨。

　　火星的任务弧段，简单来说可以划分为三个阶段：奔火段、环火段、火面工作段。

　　在奔火过程中，**卫星轨道的动力学约束是很弱的，定轨精度几乎取决于测量精度，**所以VLBI是必需的。

　　这个阶段长达6.5个月，VLBI需要长时间稳定可靠的提供高精度测量结果。在这个阶段定轨模型设计需要考虑高精度的运动建模以及中长期的轨道预报。

　　在环火阶段，卫星的轨道约束力是比较强的，测距测速也可以提供轨道预报，但是需要环火一段时间，若加上VLBI，一小段就可以定轨了。这个阶段VLBI定轨需要建立火星自转参考系，考虑各天体的旋转关系和位置关系。

　　说到参考系，以往的探月工程中，探测器飞行过程中的动力学模型是以地球和月球为中心天体建立的。而这次火星探测中我们第一次以太阳和火星为中心天体建立了参考系，对定轨模型进行了重新设计。

　　探测器的轨道，选择了最简单也是变轨最少的，消耗能量最少的霍曼转移轨道。通过两次加速推进，就达到了火星环绕所需的轨道。

　　我们也**根据VLBI的实测数据，选择了最优的定轨策略。**比如说在奔火段，我们根据前段时间的实测数据，就增大了VLBI数据的权重，选择了更优的定轨数据权重分配策略。

　　最优的定轨策略

　　03目前VLBI能达到的精度水平

　　定轨后6条基线的时延残差图

　　从天问一号发射以后截止到目前的实测数据来看，在四个VLBI站10度以上的全仰角观测，时延精度可以达到0.2~0.3ns，VLBI天线在仰角25度以上的观测定轨后的残差优于0.1ns。

　　这个精度可以说达到国际先进水平。我们很高兴能看到这样的结果。

　　其实，VLBI从参加探月任务以来一直在不断突破，从CE-1时的12ns到现在这个精度水平，也是VLBI团队所有参试人员共同努力的结果。

　　凌晨的飞控中心

　　这张照片是当时获得DOR信号的时候拍的照片，大家都戴个口罩，看起来很严肃，其实是很开心的。

　　因为我们做了这么长时间的准备，终于获得了探测器的信号，精度也达到我们期望的精度范围。

　　今年的疫情严峻，VLBI四个站分布在四个省市，其中一个在新疆，一个在北京，都曾是高风险地区，每一件事干起来都是双倍困难，哪怕是去布一根电缆。火星发射前5天新疆第二次封闭， 

　　我记得在任务发射前五天，晚上10点多钟，新疆那边给我打电话，说我们今天晚上12点要封城了。我当时听了有点懵，但是后来大家也都克服了。新疆站的同志上了南山便不能下来，一直到前几天才解封。

　　也许这就是“放风筝的人”的使命吧，我们很荣幸！

　　2020年是不平凡的一年，我们国家经历了疫情，还有紧张的国际关系，但是我们国家不管在什么时候都是很顽强的，在困难中会更加顽强。

　　04VLBI的未来

　　大家知不知道，我们的探测器到过月球，今年要去火星，以后还会去哪里？ 

　　有些人可能知道，我们还会去探测小行星，木星，甚至更远。我们会继续去探究有液态水的地方，寻找有生命的天体。

　　可是越往深空探测，越难。测控通信和轨道巡航更难。

　　我们该怎么去提高在深空领域VLBI的测量精度呢？

　　一是我们要建设更多像65米大口径的天线，提高深空领域弱信号的搜索能力。

　　另外我们可以**走出去，跨****出去，去建设空间VLBI站，**大幅度增大VLBI的基线长度，来提高它的分辨率。

　　VLBI不仅能应用于天文学研究或者航天工程，也可以用于大地测量、天体物理还有地球动力学等各领域。

　　比如去年最具影响力的照片之一——M87黑洞照片，就利用了VLBI高分辨率特征获得的，这个照片当时也是在上海天台发布的。在地球动力学方面，也可以研究现代地球板块运动和地壳形变等等。

　　M87黑洞

　　从月球到火星，到黑洞，我们不断探索VLBI技术的可能性和可拓展的空间，试图去探索更深层次的宇宙现象，虽然我们还是个小学生，一直在向世界学习，不断的探索和追求技术的革新。

　　探索宇宙，历来都不是一个人和一群人的事，这也是历史文明的必然进程。

　　这是我值班时拍的一张图片。大家可以猜猜他们是谁？

　　是美国今年发射毅力号火星探测器时NASA控制中心的工作人员。同一个世界，同一天值班，当时觉得挺有意思就拍了下来。

　　其实对于每一个科研工作者来说，不分国界，就像我们用的时间一样，大家用的都是世界时。我们更希望和平，这样才可以有精力去探索那些未知的区域，毕竟我们每个人在宇宙中都非常渺小。

　　我上学的时候喜欢听一首歌，叫《张三的歌》，里面有几句歌词，在这里分享给大家：

　　“我们要飞到那遥远地方

　　望一望

　　这世界还是一片光亮。”

　　希望我们的世界永远和平！

　　毕竟奥妙的宇宙值得我们去看一看，那里有我们眼睛看不到的地方。

　　我的演讲就到这里，谢谢！