我國(guó)深空測(cè)控站在執(zhí)行“天問(wèn)一號(hào)”測(cè)控任務(wù)。呂炳宏攝

今年7月，“天問(wèn)一號(hào)”承載著中國(guó)航天人的探索和追尋，飛向深遠(yuǎn)太空，開(kāi)啟了中國(guó)的火星之旅。

作為支持深空探測(cè)任務(wù)實(shí)施的核心系統(tǒng)，深空測(cè)控網(wǎng)在其中具有不可替代的重要地位和作用。如果說(shuō)，離開(kāi)地球懷抱的“天問(wèn)一號(hào)”像茫茫大海中的一葉扁舟，那深空測(cè)控網(wǎng)就是為它指引方向的“燈塔”。

歷時(shí)近7個(gè)月任務(wù)周期，最遠(yuǎn)將近4億公里的測(cè)控距離，對(duì)于年輕的中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)與航天測(cè)控人而言，這是一場(chǎng)前所未有的挑戰(zhàn)。

測(cè)控系統(tǒng)是航天任務(wù)中的重要組成部分。航天器和測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)系，猶如船與燈塔、風(fēng)箏與線，后者指引著前者的方向、維系著前者的安危。

相比于一般航天測(cè)控任務(wù)，深空測(cè)控任務(wù)具有跟蹤測(cè)量距離遠(yuǎn)、信號(hào)傳輸時(shí)延高、導(dǎo)航測(cè)量難度大、任務(wù)持續(xù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，深空測(cè)控系統(tǒng)又被認(rèn)為是測(cè)控系統(tǒng)中的升級(jí)版。

深空測(cè)控系統(tǒng)，一般由深空航天器上的星載測(cè)控分系統(tǒng)、地面的深空測(cè)控站、深空任務(wù)飛行控制中心以及將地面各組成部分連接在一起的通信網(wǎng)構(gòu)成。

大口徑拋物面天線、大功率發(fā)射機(jī)、極高靈敏度的接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度的時(shí)間頻率系統(tǒng)，都是深空測(cè)控網(wǎng)必不可少的“標(biāo)配”。其功用，在于來(lái)獲取深空航天器的無(wú)線電跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)送上行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)深空航天器的遙控，并用于無(wú)線電科學(xué)和雷達(dá)天文學(xué)研究。

當(dāng)然，要想時(shí)刻緊緊攥住這根“風(fēng)箏線”，必須在地球上實(shí)現(xiàn)對(duì)深空航天器的連續(xù)測(cè)控覆蓋。為了克服地球自轉(zhuǎn)的影響，深空測(cè)控網(wǎng)的布局，通常是在全球范圍內(nèi)布站，盡可能減少測(cè)控盲區(qū)。

隨著人類探索宇宙的腳步越走越遠(yuǎn)，越來(lái)越多的航天大國(guó)開(kāi)始研制設(shè)備并建設(shè)自己的深空測(cè)控網(wǎng)。

布 網(wǎng)

2004年1月，我國(guó)正式啟動(dòng)月球探測(cè)工程，拉開(kāi)了深空探測(cè)的序幕。

盡管我國(guó)已組建了由國(guó)內(nèi)外陸基站點(diǎn)、海基測(cè)量船組成的航天測(cè)控網(wǎng)，但面對(duì)距離地球38萬(wàn)公里的月球，當(dāng)時(shí)的我們?nèi)杂悬c(diǎn)力不從心。

2007年，為支撐起探月工程“繞、落、回”三步走的第一步——嫦娥一號(hào)繞月測(cè)控任務(wù)，中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心所屬青島、喀什測(cè)控站分別新建了兩座18米口徑測(cè)控天線，形成了中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)的雛形。

面對(duì)“三步走”中數(shù)據(jù)通信更密集、實(shí)時(shí)性要求更高的嫦娥三號(hào)落月任務(wù)，2012年底，我國(guó)利用國(guó)土縱深優(yōu)勢(shì)，在接近祖國(guó)“西極”的新疆喀什和接近祖國(guó)“東極”的黑龍江佳木斯，分別建設(shè)的兩座深空測(cè)控站正式投入使用。至此，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)已初具規(guī)模。

硬件水平雖然跟上了，但僅靠?jī)纱笊羁照荆�我們�(nèi)詿o(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)深空航天器的全時(shí)段測(cè)控覆蓋。

為了更好地服務(wù)后續(xù)一系列深空探測(cè)任務(wù)，我國(guó)還在海外建成了首個(gè)深空測(cè)控站。

作為支撐國(guó)家重大航天工程任務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)在短短十幾年間從無(wú)到有，覆蓋率與性能從近乎空白躍升至世界前列，不僅兼具多頻段測(cè)控能力，更集測(cè)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N功能于一體。它還可兼顧我國(guó)月球探測(cè)及行星探測(cè)，更能在技術(shù)體制上與國(guó)際主流的深空任務(wù)測(cè)控體制相兼容，利于國(guó)際合作與任務(wù)交互支持。

出 道

用“出道即精彩”來(lái)描述中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)也不為過(guò)。

在那段中國(guó)航天初涉深空的日子里，坐落于祖國(guó)東、西邊陲的兩個(gè)測(cè)控站，為千百年來(lái)始終胸懷飛天夢(mèng)想的華夏兒女，一次次刷新了深空測(cè)控的“中國(guó)距離”。

2012年12月13日，在佳木斯、喀什深空測(cè)控站的測(cè)控支持下，正在執(zhí)行“拓展試驗(yàn)任務(wù)”的嫦娥二號(hào)探測(cè)器，在距離地球約700萬(wàn)公里的深空，與編號(hào)為4179號(hào)的小行星“圖塔蒂斯”擦肩而過(guò)，完成了人類對(duì)該小行星的首次近距離光學(xué)成像。

2000萬(wàn)公里、5000萬(wàn)公里、6100萬(wàn)公里……嫦娥二號(hào)屢破紀(jì)錄。與此同時(shí)，來(lái)自探測(cè)器的下行信號(hào)也越來(lái)越弱。在2014年，探測(cè)器下行信號(hào)逐漸消失。中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)“初出茅廬”，測(cè)控距離就已刷新至1億公里。

2013年12月，佳木斯、喀什深空測(cè)控站兩套全新打造的深空測(cè)控天線，正式作為參試設(shè)備參加嫦娥三號(hào)任務(wù)，完成了探測(cè)器地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、動(dòng)力下降、月面工作段的各項(xiàng)測(cè)控任務(wù)。受月面復(fù)雜環(huán)境影響，第二次休眠前，“玉兔號(hào)”月球車機(jī)構(gòu)控制出現(xiàn)異常。經(jīng)過(guò)佳木斯深空測(cè)控站兩天兩夜的“呼喚”，終于在2014年2月12日夜里，“玉兔”被成功“喚醒”，中國(guó)深空測(cè)控能力再次得到檢驗(yàn)。

我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)上限是4億公里，這樣的距離已經(jīng)完全滿足火星探測(cè)的需要。

然而，中國(guó)“牧星人”的志向何止4億公里。2015年7月，在“新視野號(hào)”探測(cè)器飛掠冥王星進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)時(shí)，佳木斯深空測(cè)控站成功捕獲探測(cè)器信號(hào)，最遠(yuǎn)跟蹤距離達(dá)到47.6億公里。2017年9月，我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)“卡西尼號(hào)”探測(cè)器墜毀土星全過(guò)程的跟蹤測(cè)量，為我國(guó)實(shí)施后續(xù)的更遙遠(yuǎn)的自主深空探測(cè)任務(wù)，積累了寶貴技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。

2018年，我國(guó)相繼發(fā)射“鵲橋”中繼星與嫦娥四號(hào)探測(cè)器，并于2019年初實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月球背面軟著陸。剛剛投入使用的海外深空測(cè)控站，與國(guó)內(nèi)兩大深空測(cè)控站完成組網(wǎng)，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)實(shí)現(xiàn)首次全網(wǎng)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)。其全網(wǎng)協(xié)同工作、穩(wěn)定可靠運(yùn)行、多頻段與多目標(biāo)聯(lián)合測(cè)控等能力，在此次任務(wù)中經(jīng)受住了全面檢驗(yàn)。

今年7月23日，“天問(wèn)一號(hào)”在文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射成功。器箭分離10分鐘后，探測(cè)器接收到了來(lái)自海外深空測(cè)控站的第一聲問(wèn)候。近9個(gè)小時(shí)后，位于喀什、佳木斯的深空測(cè)控站也相繼捕獲目標(biāo)。在后續(xù)全任務(wù)階段中，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)將持續(xù)接收、記錄探測(cè)器遙測(cè)、數(shù)傳數(shù)據(jù)，并實(shí)施測(cè)軌和上行遙控以及干涉測(cè)量原始數(shù)據(jù)的采集記錄與傳輸。

此刻，“天問(wèn)一號(hào)”正向著火星的方向疾速飛去，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)也將時(shí)刻陪伴“天問(wèn)一號(hào)”走好每一步，走好中國(guó)行星探測(cè)每一步。

前 途

除去正在“奔火”途中的“天問(wèn)一號(hào)”和正在開(kāi)展科學(xué)探測(cè)活動(dòng)的嫦娥四號(hào)，我國(guó)還將陸續(xù)實(shí)施中國(guó)探月工程四期任務(wù)及后續(xù)各項(xiàng)深空探測(cè)任務(wù)。

隨著中國(guó)人邁向深空的腳步越走越遠(yuǎn)，中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)的規(guī)模和性能也將持續(xù)升級(jí)，以適應(yīng)未來(lái)深空測(cè)控任務(wù)中更復(fù)雜的測(cè)控體制、更遙遠(yuǎn)的通信距離、更高的深空導(dǎo)航精度等諸多全新挑戰(zhàn)。

今年年底前，我國(guó)首個(gè)深空天線組陣系統(tǒng)將在喀什深空測(cè)控站正式投入使用，并應(yīng)用于“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)中。

在后續(xù)深空測(cè)控任務(wù)中，我們要具備一雙“好耳朵”——用于接收遙遠(yuǎn)距離外的微弱信號(hào)，更要具備一個(gè)“大嗓門(mén)”——通過(guò)研制大功率發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的可靠注入，進(jìn)一步提升深空測(cè)控網(wǎng)的上行指令發(fā)送能力。

除此之外，我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)，在未來(lái)還可用于高精度時(shí)空基準(zhǔn)測(cè)量、天體引力場(chǎng)測(cè)量以及射電天文觀測(cè)等，為科學(xué)探測(cè)和時(shí)空基準(zhǔn)測(cè)量提供有力支撐。（呂炳宏 何耀 武勇江 安普忠）

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