2021年10月29日18点10分,中国航天科技集团官微转发了一条“天问一号祝融火星车”发布的天问一号火星探测车“祝融号”的动态,火星通信已经在日凌后恢复,并且还透露出了一个重磅消息:
欧空局火星快车号探测器团队计划11月与“祝融号”进行5次通信测试,接收数据并转发到欧空局位于达姆施塔特ESOC运营中心,之后再从ESOC转发到天问一号团队进行处理。
祝融号与地球究竟是如何联系的,为何还要欧空局帮忙?
尽管火星与地球相距遥远,当前距离差不多就有3.87亿千米,尽管信号单趟就要21.5分钟,但只要无线电波信号够强,接受的天线够大,总是能到达的不是吗?但事实上要将火星表面的祝融号信号发回到地球,这个难度超级大!
火星和地球都在自转,信号要怎么才能送到地球?
了解天体运行的朋友都知道,火星和地球的自转周期差不多都是24小时左右,祝融号所在的位置是火星东经109.9°,北纬25.1°,就在火星的北回归线附近,从这个位置回望地球,还是经常能看到的,现在的地球就在太阳附近:
从理论上看,祝融号直接直接对着地球发射信号就可以接收到了,当前祝融号确实可以这样操作,但祝融号的火星时并非与地球同步,所以问题很快就出现了:
祝融号要在看不到地球时却要与地球通信怎么办?
地面要在看不到火星却要与祝融号通信时怎么办?
这个个问题看起来就非常尴尬了,不过事情也不难,只要在地球等分360度的120°每个角落里设置一个通信基站就可以了,就能保证地球在转到任何角度时都能与火星保持联系。
NASA的深空测控网络分布
同样道理,在火星也设置这样三个通信基站,就能与地球随时保持联系,但很抱歉,火星无法搞这样的基建,祝融号只能通过天问一号轨道器的转发来获的更多与地球保持联系的机会。但天问一号的轨道器是在不断运动的,因此祝融号并不能24小时不中断保持与地球联络。
NASA与欧空局的探测器与轨道
所以即使是NASA的探测器,也同样无法保持随时联系,只能选择时间段通信,测控与下载科学数据也只能在这段时间内进行。
NASA的探测器通信时间安排
为了完成火星任务,到底付出了多大的努力?
上文我们说明了要和火星保持联系,必须在地球角度等分的位置建立测控站,弥补地球自转时的盲区,相信各位都想起这个远望以及天链系列了,但在这里必须要提醒一下,远望可以提供发射时的测控,但却无法长期提供火星通信支持,因为火星任务会持续数年甚至十几年。
而天链则由于其天线尺寸关系,并不能提供远达火星的任务通信中继,它只能在月地或者地球轨道提供通信中继任务,真正能和火星以及未来的木星以及更远的深空测控的,只有地面站!
全球拥有完整的深空测控网络的,除了NASA还有欧空局,以及俄罗斯(半残),而日本与印度或者阿联酋等都可以与NASA合作,但中国不行,所有的站点必须我们自己建设。
中国的深空测控网
我国的深空测控网有国内与国外两个部分,国内主要有佳木斯66米和喀什35米测控天线与深空站、国外则是阿根廷内乌肯的35米深空站。
佳木斯深空站66 m测控设备与站址周边地形
喀什深空站35 m测控设备与站址地形
阿根廷深空站35 m测控设备与站址地形
在数据接收方面则有密云的40米和50米、昆明40米等天线以外,还有中国科学院国家天文台在天津武清的70米天线(GRAS-4)协助数据接收工作。
与NASA的深空测控网相比,我国还是有不少差距,但基本与欧空局处在同一水平,而且各有侧重点,因此为双方合作打下了基础。
欧空局“私通中国”,美专家:美对中国如此强硬,得不到任何好处
此次祝融号与欧空局火星快车号探测器做通信测试,预计在11月份选5个最好的窗口来进行通信测试,每个窗口将持续10分钟。
火星快车号探测器是欧空局在2003年6月2日在拜科努尔由俄罗斯发射升空的火星探测器,分为火星快车号卫星与小猎犬2号登陆器两个部分,但比较可惜的是在2003年12月25日着陆后太阳能板没有完全展开,挡住了通信天线导致任务失败。
所以在天问一号之前,早就有欧空局已经尝试过绕、落的火星任务,但无一例外都失败,不过火星快车号探测器实在是个长寿探测器,到今年已经整整18年,还很好的火星上空工作,预计,而且在2020年9月,还发现了火星南极冰盖下1.5千米处三个盐湖。
火星快车号探测器的倾角为86.3 度,近火点298千米,远火点10107千米,几乎是火星的极轨卫星,轨道周期7.5小时,尽管“看到”祝融号的机会挺多,但建立通信的机会却要看安排了,上文窗口为10分钟,看来也是不容易。
接收的信号将会转发至欧空局达姆施塔特ESOC运营中心,估计很有可能是欧空局的塞夫雷罗斯测控站接收信号,然后再到运营中心,再通过高速通讯网络抵达中国的天问一号测控团队。
因为从欧空局的测控站分布来看,新诺舍以及马拉圭的测控站在分布上与中国几乎重叠,而只有塞夫雷罗斯的测控站是中国的空白,但下次中国要是在纳米比亚建立深空站的话,估计中国就完美的覆盖了全球,期待这一天的到来。
欧空局的小动作早已不是第一次了
想要在NASA这边获得协助测控火星任务,几乎就是不可能,而欧空局与中国合作,则是互惠互利,当然更多的还是欧空局占到了便宜,毕竟中国已经有探测器登陆火星,传回的一切数据,那是独立于美国以外的第二家,数据价值有多大很难评估。
所以欧空局就有自己的小算盘了,提供地面站,分得火星数据一杯羹,而这个小动作早在中国载人航天工程成功后就开始了,早在2018年6月27日,BBC就刊发过一篇标题为《Why Europe’s astronauts are learning Chinese》(为什么欧洲的宇航员都在学习中文)的文章。
文中称美国和俄罗斯已经不是唯二的太空国家,现在我们必须要接受中国航天的崛起,而欧洲宇航局正敏锐地意识到了这一点,欧洲的宇航员正在中国接受训练,而且还大量学习中文以及熟悉中文操作界面。
并且ESA非常看好中国未来的天宫空间站计划(当时还没有常驻的天宫空间站),而且BBC称?“中国已经与联合国外层空间事务办公室签署了一项协议,向国际研究开放其新空间站”,扫清了他国宇航员入驻空间站的法律障碍。
“一旦我们将目光从地球轨道转向月球或火星,我们就需要在这个星球上能找到的所有合作伙伴,因为这会变得更加困难、更加昂贵,而且我们需要最好的技术”。
这就是欧洲人的眼光,欧洲人没有载人航天技术,但中俄美三家都拥有,他们分别在三家押宝,哪家成功了都是赢家!
美国和中国科学家甚至无法交换月岩样本
CNN在10月16日,也就是中国发射神舟十三成功的当天,刊发了一篇标题为“China's historic crewed mission arrives at new space station”(中国历史性载人任务抵达新空间站)的文章,其中美国海军战争学院国家安全事务副教授大卫·伯巴赫的观点非常有意思:
大卫·伯巴赫认为“国家之间的分歧‘太过分了’,可能会阻碍宝贵的科学进步”,“中美两国科学家甚至无法交换月球岩石样本”,更令人担忧的是“美国的盟友正在太空探索方面和中国接触,美国的强硬立场对美国毫无好处”。
大卫·伯巴赫已经意识到了美国对中国的封锁会严重阻碍科学技术的进步,但他更担心盟友都去和中国合作,而如下叙述则完美的表现了他的担忧:
China will likely allow foreign astronauts from different countries to stay on the station and conduct experiments -- increasing their "international prestige and diplomacy, just like the US," Burbach said.
“中国可能会允许来自不同国家的外国宇航员留在空间站进行实验—提高他们的“国际声望和外交,就像美国一样”。”
大卫最担心的就是这个,中国将利用天宫空间站这个契机,在国际空间站即将退役,新的空间站尚未建设起来之时,中国将替代美国成为“全球最先进的航天国家”。美国正在全面“倒退”,即使在最先进的航天领域也一样。
走在美国人的路,让美国人无路可走?其实中国人从来都没有这样想,就像中国载人航天工程办公室副主任林西强说得非常好:“中国载人航天的发展是基于自己的计划,我们有自己的发展战略和计划”,“我们没有想过和别人比较。”