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火星探测器发射时的地面守望者

文章来源:未知         发布时间:2021-07-14

作者:张鹏

 

2020年4月24日,在第五个中国航天日,国家航天局宣布,中国行星探测任务被命名为“天问系列”,作为行星探测的第一步,首次火星探测任务被命名为“天问一号”,至此也揭开了我国火星探测任务的神秘面纱。
7月23日,海南文昌航天发射场利用长征五号火箭已成功将火星探测器发射入轨,其后探测器将通过自身机动进入地火转移轨道,踏上历时6.5个月的奔火之路。在火星探测器的飞天路上,需要地面的科研人员对火箭和探测器不断地测量与控制。接下来,我们将走近发射场,认识一下火星探测器发射时的地面守望者。

 

“测控接力”为火星探测器发射护航

文昌航天发射场位于海南省文昌市龙楼镇的椰林之中,东南侧临近大海。为掌握火箭发射后的实时轨迹、完成对火箭的安全控制,同时完成对火箭的测量与通信,工程师们在火箭发射场设置了测量控制设备,主要包括光学望远镜、雷达、安控设备、遥测设备和统一测控设备。其中大部分测量设备布设在了发射场东侧的铜鼓岭测控站。各套设备在发射场指挥控制中心的指挥下互相配合,共同完成对火箭的测量与控制,铺就探测器飞向火星的问天之路。
然而,面对4亿千米的超长途行星际跋涉,如何才能使火星探测器不迷航?这就多亏了有航天测控系统对运载火箭和航天器的保驾护航。
在一次航天发射任务中,通常由航天指挥控制中心根据测控覆盖率要求选择若干测控单位(包含测控站、测量船、测量飞机、跟踪与数据中继卫星等),以及测控通信系统等分系统组成任务测控系统。各分系统各司其职,互相又密切协同配合,共同完成航天测控这项超复杂的工作。
在火星探测任务中,测控单位直接对航天器进行跟踪测量、遥测、遥控,并将接收到的测量、遥测信息传送给航天控制中心,根据航天控制中心的指令与航天器通信,并配合控制中心完成对航天器的精确控制。测控单位也可根据规定的程序独立实施对航天器的控制。
各种地面系统分别安装在适当地理位置的若干测控站或必要的测量船、测控飞机和一个测控中心内,通过通信网络相互联接而构成整体的任务测控系统。当探测目标即将飞出当前测控单位观测范围时,就进入了下一个测控单位的观测范围,这与田径比赛里的接力赛跑非常相似,因此航天工作者形象地将之称为“测控接力”。

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图1探火任务测控接力示意图,制作:张一洁。

铜鼓岭测控站正好与火箭发射塔架隔海相望,同时又处于火箭飞行弹道侧向方,便于对火箭飞行状态进行测量控制。若将火星探测跟踪测量任务比作一场万里长天的接力赛跑,铜鼓岭测控站便是当之无愧的“第一棒”。
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铜鼓岭测控站于2013年完成基础建设和设备的安装调试,于2015年3月执行首个航区测控任务并正式投入使用,至今已经执行了8次首区发射(包括长征七号、长征五号、长征五号B首飞,天舟一号飞行任务等)、50余次航区发射(包括北斗、嫦娥四号、天链、高分等)测控保障任务。

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图2搭载着“天问一号”的长征五号遥四运载火箭发射现场图。(摄影:孙钰程)

 

火星探测器发射任务的跟踪测量装备

铜鼓岭测控站坐落于海南岛东北角的一座滨海山头之上,面积虽小,但却“五脏俱全”,既有记录火箭发射实况的光学实况记录系统,也有测量火箭外弹道、位置、速度、距离的单脉冲雷达系统,还有接收遥测信号的遥测系统,以及在万一火箭出现问题时进行干预的安控系统。

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图3铜鼓岭站的光学实况记录系统

 

光学实况记录系统

光学实况记录系统有大视场、长焦、长波红外、中波红外等多组镜头,最醒目的是有一台口径超过1米的大口径光学望远镜,它主要用于获取并记录运载火箭发射场火箭发射过程中起飞段、级间分离等重要段落、重要事件的实况景象,帮助火箭发射指挥员及时了解现场实况,为指挥员提供形象直观的决策信息,同时在运载火箭发射故障时为故障分析提供依据。
它就像是一台口径更大、作用距离更远的摄像机,但显然要更加专业、功能更加强大。为了全天时的获取火箭的图像,这台望远镜不仅仅能够获取可见波段的图像,还能够获取长波红外及中波红外图像,即使在晚上和雾天,利用它也能够获取火箭的清晰图像。同时,它的观测距离也远超我们的想象,在火箭发射时,它能够看到千米外的火箭助推器分离的场景,相当于从北京看到南京,是名副其实的千里眼。
 
超链接:为什么发射场周边的望远镜要拍摄红外图像?
受卫星发射时间窗口限制,很多火箭需要在夜间进行发射。在发射场周边的光学设备能够在长波红外和中波红外波段对火箭进行成像,无论是无光的夜晚还是雾气朦胧的天气,望远镜都能够获得火箭本体和火箭火焰的图像。航天工作人员可以据获取的火箭红外图像了解火箭发动机及其他箭上设备工作是否有异常。

 

单脉冲雷达系统

该系统由天伺馈分系统、发射机分系统、接收频综分系统、信号处理分系统、显示控制分系统等组成,可实现对目标的距离、速度、方位角、俯仰角四维跟踪,凭借强大的发射机功率,应答模式下有效跟踪距离可达数千公里,能够支持运载火箭初始段外弹道的跟踪测量,为发射场指挥控制中心提供试验目标的飞行坐标信息、指挥显示等实时数据。
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图4技术人员正在调试雷达设备

超链接:脉冲雷达如何对距离、速度、方位角、俯仰角进行测量?
雷达距离测量原理就是通过测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差Δt,电磁波以光速c传播,据此就能换算成雷达与目标的精确距离R=Δt*c/2。而根据多普勒原理,当目标与雷达间存在相对运动时,雷达接收到的目标回波脉冲信号的频率会产生偏移,且两者相对速度越大,频率偏移也越大。因此,通过精确测量回波脉冲信号相对发射的脉冲激励信号的频率偏移量,就可以精确测算目标相对雷达的径向速度了。对运动目标跟踪过程中,雷达伺服系统能够根据目标偏离天线中心情况提取出一个角误差信号,误差越大说明目标偏离天线中心越多,雷达可以根据角误差信号自动追踪目标位置,依据雷达天线的角度码盘和角误差信息,便可精确测定目标相对雷达的角度信息。


 

遥测系统

在执行任务时,主要承担火箭飞行初始段遥测信号的接收解调,并实时向中心计算机系统传送。火箭飞行过程中其内部的压力、温度、发动机涡轮转速、图像以及GNSS定位等信息均通过遥测信号发送至地面,由地面遥测系统接收后并源源不断地发送至中心,为指挥员实时或事后判断火箭的飞行状态提供数据支撑。
超链接:什么是GNSS?
GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite Syetem,格洛纳斯卫星导航系统)、欧洲的Galileo(Galileo Satellite Navigation System,伽利略卫星导航系统)、中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统等。


 

安控系统

主要由安控台和安控设备两部分组成,承担火箭飞行初始段的安全控制任务。在执行任务时,伺服分系统处于数字引导、程序引导或自跟踪引导方式,引导天线始终指向飞行目标,以便随时能够向火箭发射必要的遥控指令。中心计算机系统通过接收解算从其他测量设备传来的火箭飞行数据状态等信息自动进行安全判决,或者由安控台人工进行安全判决,根据安全指挥官的口令,需要时中心机自动发送或者安控台人工发送安全控制指令,一旦火箭偏离预定轨道威胁到地面重要目标安全,就可以根据需要实施对火箭的炸毁,确保发射过程的安全。

结语

在铜鼓岭测控站工作,可以算是“面朝大海、仰望星空”。这里的航天工作人员则将他们的工作高度概括为“牧箭逐星”,以浪漫主义的情怀表达了他们对航天事业的热爱和稳操胜券的信心决心。假如读者朋友们某日途径文昌,在品尝文昌鸡和清补凉的间隙,也可以到波涛澎湃的铜鼓岭侧,眺望航天器发射时的地面守望者。
 
 

注:本文原载于《天文爱好者》2020年第08期(实习编辑 陈翔)