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演講題目：

深空測(cè)控——和火星說“你好”！

演講者：

中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)測(cè)控系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師

李海濤

我們?yōu)槭裁匆綔y(cè)火星？

同學(xué)們大家好！當(dāng)我們第一次聽到火星這個(gè)詞的時(shí)候，大家會(huì)有什么印象呢？我第一次對(duì)火星有一個(gè)比較深刻的概念，那還是在上個(gè)世紀(jì)九十年代，當(dāng)時(shí)我還在上高一，央視推出了一個(gè)從國(guó)外引進(jìn)的關(guān)于火星探測(cè)的科普片，那是我第一次看到人類拍攝到的火星這個(gè)神秘天體的表面的圖像，看到火星表面紅色的遍布碎石的，像我們荒漠戈壁的這種景象。當(dāng)時(shí)是六點(diǎn)鐘開始，大概播半個(gè)小時(shí)，晚上七點(diǎn)鐘，就和你們一樣，可能要去上晚自習(xí)，所以六點(diǎn)半看完了，就還得騎著自行車趕緊往學(xué)校趕。當(dāng)時(shí)這半個(gè)小時(shí)給我留下的印象非常深刻，非常地沖擊，非常地震撼，也為我以后可能從事航天這個(gè)領(lǐng)域的工作，埋下了一個(gè)種子。

那么說到這兒，可能大家就想，那我們?yōu)槭裁匆セ鹦悄兀?/span>

我個(gè)人認(rèn)為一個(gè)很重要的一個(gè)想法，或者一個(gè)理由，其實(shí)就是拓展我們?nèi)祟惖囊粋€(gè)生存空間，火星它本身又是和我們地球在太陽系里非常接近的一個(gè)姊妹星，而且現(xiàn)在也證明，它歷史上曾經(jīng)有過水。很多人都在考慮，那以后我們是不是可以移民火星呢，火星人類能生存嗎？我們現(xiàn)在其實(shí)就要去探索，當(dāng)然我們現(xiàn)在的這個(gè)探測(cè)，可能大家講就這么小是吧，就一個(gè)人可能都送不上去，更不用說很多人了。但實(shí)際上我們現(xiàn)在驗(yàn)證的是一個(gè)能力，我們能夠到達(dá)火星，我具備這個(gè)能力，那么以后有這種需求的時(shí)候，那么我們中國(guó)人，就可以很自然地能夠到達(dá)、探索、開發(fā)、利用火星的這些資源。

測(cè)控系統(tǒng)如何測(cè)量控制“天問一號(hào)”？

那么說到火星探測(cè)，我們從地球到火星這個(gè)轉(zhuǎn)移過程，它要經(jīng)過多次的中途修正。就是我們從地球離開的時(shí)候，那這個(gè)速度是很快的，那我們進(jìn)入之后，是不是一直以這個(gè)速度在跑呢？實(shí)際上不是，它這個(gè)速度會(huì)逐漸地變慢，然后在到達(dá)火星的時(shí)候，火星對(duì)它又有引力了，那么就又會(huì)使它加速，打個(gè)比方，就比如說，我們拿一個(gè)球，你比如說我們?cè)趯W(xué)校一層，我們使勁往高處拋，那是不是你出手的時(shí)候，這球的速度很快，對(duì)吧？那可能到四層五層的時(shí)候，它就會(huì)越來越慢，然后到最高點(diǎn)它就會(huì)落下來。實(shí)際上我們軌道跟這個(gè)是類似的，那么我們?cè)趺礃觼肀ＷC這個(gè)修正呢？就是地面首先要測(cè)，你現(xiàn)在和前面這段時(shí)間，你飛行的軌跡要跟我們理論設(shè)計(jì)的進(jìn)行一個(gè)比較，如果你有一定的偏差，那么我們要把這個(gè)偏差量計(jì)算出來，然后通過我們的地面站注入到這個(gè)探測(cè)器上面，然后探測(cè)器再控制它的發(fā)動(dòng)機(jī)做一個(gè)修正，然后讓它繼續(xù)在正確的軌道上來飛行，這是我們要知道它的狀態(tài)。

另外我們要對(duì)它進(jìn)行控制，比如說我們要拍照，那拍照我要對(duì)相機(jī)做一些指令，設(shè)一些參數(shù)，然后才能把照片拍下來。這是在發(fā)射之后不久，7月27日，當(dāng)時(shí)我們一個(gè)探測(cè)器上的光學(xué)導(dǎo)航的一個(gè)敏感器要做測(cè)試，當(dāng)時(shí)“天問一號(hào)”回看了地球，就拍到了這張地球和月球的合影，當(dāng)時(shí)的距離大概是一百二十萬公里。

然后在后面我們還有一次，應(yīng)該是在九月中下旬，我們的一個(gè)傳感器專門拍攝了 “天問一號(hào)”探測(cè)器飛行的一個(gè)完整狀態(tài)。那么這張圖片拍攝的時(shí)候，距離地球大概是一千七百萬公里，拍了之后以無線網(wǎng)絡(luò)的形式傳回到探測(cè)器上面，然后再通過通信的鏈路，傳到我們的地面站。

所以說是從發(fā)射開始，一直到它進(jìn)入了環(huán)火軌道，我們測(cè)控系統(tǒng)貫穿我們?nèi)蝿?wù)的全過程，一直保護(hù)著“天問一號(hào)”能夠順利地開展在不同階段的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，包括它的正常的一些操作和控制。因?yàn)樗h(yuǎn)，就帶來了很多問題。首先隨著距離的增大，我們收到的信號(hào)會(huì)越來越弱。打個(gè)比方，可能我們這個(gè)距離，如果不帶耳麥我跟你說話，你也能聽見，如果咱們兩個(gè)人隔著一二百米，甚至二三百米，那可能就得可著嗓子使勁喊，然后你可能還得豎著耳朵使勁聽，才能聽清楚。另外呢，在這種太空當(dāng)中，大家是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，地球自身繞著太陽也在運(yùn)動(dòng)，那探測(cè)器在太空中也在運(yùn)動(dòng)，這個(gè)距離也不斷地在變化，想把對(duì)方的位置看得很準(zhǔn)，這也很難。打個(gè)比方，那它在四億公里的時(shí)候，因?yàn)闀r(shí)間有二十多分鐘，那我現(xiàn)在瞄準(zhǔn)了它，直接發(fā)過去，它能收到嗎？它肯定收不到，因?yàn)樗谕芭?，二十多分鐘，可能這個(gè)信號(hào)到的時(shí)候，它已經(jīng)過去了。這樣其實(shí)對(duì)整個(gè)的任務(wù)，包括對(duì)航天器的設(shè)計(jì)，都帶來了很多的壓力和問題。

我國(guó)深空測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)

伴隨著探月工程的發(fā)展

那么從我們國(guó)家深空測(cè)控系統(tǒng)的建設(shè)，其實(shí)是伴隨著我們國(guó)家探月工程一步一步發(fā)展而來的。我們最早在“嫦娥一號(hào)”的時(shí)候，那是2004年的時(shí)候，那個(gè)時(shí)候我們國(guó)家沒有現(xiàn)在的深空測(cè)控的這么一個(gè)系統(tǒng)。那么當(dāng)時(shí)定的原則，就是利用已有的設(shè)備設(shè)施來支持我們的首次月球探測(cè)任務(wù)。我們當(dāng)時(shí)最大的天線有十二米，它的直徑有十二米，當(dāng)時(shí)想利用這種十二米的天線，然后“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星上再采取一些措施，當(dāng)時(shí)最開始的設(shè)計(jì)認(rèn)為是可以的，結(jié)果到實(shí)施的過程當(dāng)中，最后發(fā)現(xiàn)，我給它發(fā)信號(hào)沒問題，我收不行，達(dá)不到原來設(shè)計(jì)的要求，那怎么辦呢？就是我們?cè)谖覀兊膬蓚€(gè)站各建了一個(gè)十八米口徑的接收天線，就它只負(fù)責(zé)收，或者說它只負(fù)責(zé)聽，它不用喊，喊用原來的就夠了。這樣用這種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的一個(gè)組合的一種方式，來完成了當(dāng)時(shí)的這個(gè)“嫦娥一號(hào)”測(cè)控的一個(gè)任務(wù)的支持。但是在這個(gè)過程當(dāng)中，其實(shí)當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)達(dá)成了一個(gè)共識(shí)，我們以后要走得更遠(yuǎn)，要實(shí)施更多的這種月球和深空探測(cè)任務(wù)，就必須要建自己的深空測(cè)控系統(tǒng)。

我們的深空站，它的建設(shè)是從2007年，“嫦娥一號(hào)”任務(wù)之后才開始啟動(dòng)的，那么當(dāng)時(shí)是規(guī)劃在國(guó)內(nèi)先建兩個(gè)，一個(gè)是在我們國(guó)家的東北，最東邊；一個(gè)建在最西邊。這樣的話，我在空間位置上就可以拉開了。拉開了之后，它能夠提高比較高的一個(gè)，我們叫覆蓋，就看的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。我們來連線一下在我們祖國(guó)東北的佳木斯深空站。

謝承伯（連線）：李總好，大家好，我叫謝承伯，我現(xiàn)在所在的位置就是位于我國(guó)國(guó)土的最東極，黑龍江省佳木斯市樺南縣境內(nèi)的佳木斯深空站。我是深空站的一名測(cè)控員。大家可以看到我身后就是口徑六十六米的天線，差不多等同于二十多層樓的高度，它就是我們跟火星探測(cè)器聯(lián)絡(luò)的關(guān)鍵。

謝承伯（連線）：2016年的時(shí)候，我們這套設(shè)備跟蹤最遠(yuǎn)距離達(dá)到了四十七點(diǎn)六億公里，而火星距離我們最遠(yuǎn)四億公里，因此對(duì)于我們來說太簡(jiǎn)單了。從“天問一號(hào)”發(fā)射之后，到現(xiàn)在已經(jīng)二百多天了，我們每天都在跟它保持聯(lián)系。下面我就帶大家去看看我們跟“天問一號(hào)”保持聯(lián)絡(luò)的機(jī)房。

李海濤：大家可以看到佳木斯深空站，因?yàn)榈靥帠|北，在松花江流域，冬天是非常的寒冷，它現(xiàn)在的室外的氣溫，已經(jīng)在零下三十度了。小謝非常辛苦剛才，外面非常冷。

謝承伯（連線）：不冷，這里就是我們的測(cè)控機(jī)房。大家看這里，當(dāng)界面上顯示綠燈的時(shí)候，就說明我們正在接收 “天問一號(hào)”的信號(hào)，從最開始一兩秒就能收到探測(cè)器的返回信號(hào)，到現(xiàn)在我們至少需要十八分鐘，才能收到它的返回信號(hào)。我們經(jīng)常開玩笑說，就好像等待女朋友回消息一樣，要有耐心。但是無論它飛得多遠(yuǎn)，無論要等待多久，我們都會(huì)靜靜地等待它的回信，默默地守護(hù)著它到達(dá)火星，完成它的各項(xiàng)使命任務(wù)。我的介紹完畢，謝謝大家。

李海濤：好，謝謝小謝。

謝承伯（連線）：謝謝李總。

李海濤：那么兩個(gè)深空站完成我們的這種深空測(cè)控任務(wù)，是不是就夠了呢？不是，為什么呢？大家可以想一想，我們每天看到太陽，是不是只有半天可以看到？那么我們兩個(gè)深空站，它接力起來能看多久呢？能看大概也就百分之六十一天，二十四小時(shí)就看十五六個(gè)小時(shí)最多，那這個(gè)時(shí)間肯定是不夠的。就提出了要在南美洲去建我們國(guó)家第三個(gè)深空站。

海外選址經(jīng)歷“驚喜又驚嚇”

三大“站將”組成完整的深空測(cè)控網(wǎng)

我當(dāng)時(shí)是作為技術(shù)負(fù)責(zé)人全權(quán)負(fù)責(zé)。當(dāng)時(shí)還以為這個(gè)事情很簡(jiǎn)單，很容易選，結(jié)果這一選就是兩年半。首先我們?cè)诎⒏⒑椭抢?，前后去了有幾十個(gè)點(diǎn)位，幾十個(gè)站址。我們除了坐車在這種野外去選址之外，他們還安排了一次坐飛機(jī)進(jìn)行空中選址。這個(gè)經(jīng)歷就是既驚喜又驚嚇，為什么呢？大家可以看一下，就是這架飛機(jī)，為什么說還有驚嚇，因?yàn)槲疑先ノ乙P(guān)這個(gè)門。這個(gè)門，你們可能都沒見過，插銷，你們知道插銷嗎？就是一個(gè)鐵棍，一個(gè)金屬的套子插銷，它那個(gè)門竟然是個(gè)插銷。當(dāng)時(shí)心里面真的是涼涼的，還好，這個(gè)飛機(jī)在空中飛了不到四十分鐘。

其實(shí)我們希望選的一個(gè)站址是什么樣的呢？是一個(gè)像碗一樣的地形，為什么要選一個(gè)像碗一樣的地形呢？就是我這個(gè)天線要放在這個(gè)碗的中間。周圍那個(gè)碗的沿是什么呢？是那些山，山就能夠把我們外界的這些無線電信號(hào)，這些對(duì)我們來說是干擾信號(hào)，能夠屏蔽掉大部分。大家可以看，這是在一個(gè)山坡上面拍下去的。

整個(gè)下面相當(dāng)于是個(gè)盆地，中間有個(gè)小山，你看著很近是吧，我們就從拍照這個(gè)地方一直走到中間這個(gè)小山走下去，就這個(gè)點(diǎn)，單程走了將近兩個(gè)小時(shí)。

而且就這種類似于這種戈壁，半荒漠的這種地方，就我穿的這雙鞋，在選址完了，我這雙鞋也扔掉了，鞋底磨漏了。因?yàn)槿肯聛矶家哌@種路才能到那些地方。而且我們?cè)诎⒏⒄麄€(gè)選的時(shí)候，我們基本上跨了大概有五個(gè)省。到2012年一月份，我們?cè)诘谖宕稳グ⒏⑦x這個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，最后歷時(shí)四十天，應(yīng)該說也是歷盡了千難萬險(xiǎn)，最后選出了我們現(xiàn)在的這個(gè)點(diǎn)位。我當(dāng)時(shí)這個(gè)圓珠筆在地上戳到這個(gè)點(diǎn)，就是我們現(xiàn)在阿根廷深空站三十五米天線的這個(gè)位置。

那么這個(gè)站建成之后，它的X頻段的正式使用，其實(shí)就是我們的“天問一號(hào)”。在“天問一號(hào)”探測(cè)器跟長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭分離后，大概四分鐘左右發(fā)現(xiàn)了“天問一號(hào)”的它的下行信號(hào)，然后隨即按照它的程序，就向“天問一號(hào)”發(fā)送了無線電信號(hào)，形成了對(duì)“天問一號(hào)”的第一聲問候。然后之后，其實(shí)我們還在等待，等待什么呢？等待信息來確認(rèn)這個(gè)太陽帆板是不是展開了，為什么？如果太陽帆板不能展開，那么“天問一號(hào)”就會(huì)沒有電。那么大概在阿根廷深空站跟蹤之后，我們很快就通過遙測(cè)信息收到判斷，它這個(gè)太陽翼帆板已經(jīng)展開，這樣才會(huì)有了我們?cè)谖牟缚卮髲d里面由指揮長(zhǎng)來宣布，“天問一號(hào)”發(fā)射取得圓滿成功。

那么我們的阿根廷深空站建好之后，我們國(guó)家就形成了一個(gè)由佳木斯、喀什和阿根廷三個(gè)深空站所組成的一個(gè)完整的深空測(cè)控網(wǎng)。我就從原來的百分之六十左右的一個(gè)覆蓋能達(dá)到了百分之九十以上。就好比，我們測(cè)控系統(tǒng)是放風(fēng)箏的人，那么通過這三個(gè)深空的“站將”，我們就能控制 “天問一號(hào)”這個(gè)風(fēng)箏，控制它飛多遠(yuǎn)，往哪個(gè)方向飛，越走越遠(yuǎn)，一直到達(dá)火星。

未來

走出太陽系、進(jìn)入星際空間

都值得期待！

那么在我們實(shí)施完 “天問一號(hào)”任務(wù)之后，我們還會(huì)走得更遠(yuǎn)，比如說有更遙遠(yuǎn)的小行星探測(cè)，木星探測(cè)，更遙遠(yuǎn)的我們也可以走出太陽系，進(jìn)入星際空間，我想這都不是夢(mèng)想。那么隨著距離越來越遠(yuǎn)，那么這個(gè)信號(hào)它會(huì)越來越弱，但是我們的需求其實(shí)反而更強(qiáng)烈了，我們希望這個(gè)圖像是越清晰越好，然后我獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)越多越好。那么我們?cè)趺床拍軡M足這種不斷增長(zhǎng)的這種需求呢？

那么我們還是需要更大的嗓門、更好的耳朵來完成我們的測(cè)控任務(wù)。我們還應(yīng)用了一個(gè)新的技術(shù)，就叫天線組陣技術(shù)。我們?cè)诳κ采羁照居中陆巳齻€(gè)三十五米口徑的大天線，和原來已有的天線一共四個(gè)天線，組成了一個(gè)天線陣，共同接收來自遙遠(yuǎn)深空的信號(hào)，然后我把每個(gè)天線的信號(hào)匯聚到一起，進(jìn)行一個(gè)合成，這樣由原來的一就變成了四，達(dá)到了四倍的這么一個(gè)效果。

那么未來，我們可以把我們國(guó)內(nèi)有的這種大口徑的天線資源都利用起來，把信號(hào)收下來，然后進(jìn)行一個(gè)合成。這樣我們就可以把這種測(cè)控支持的距離提高得更遠(yuǎn)。另外為了讓探測(cè)器能夠聽得更好，我們要把“大嗓門”要做得更大，我們要把地面的發(fā)射機(jī)的功率也要做得更大，這樣我們才能夠支持更遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)，從而形成我們能夠支持乃至整個(gè)太陽系探測(cè)范圍支持能力的深空測(cè)控網(wǎng)。

謝謝大家。

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