• 首幅火星图像 咋拍的?咋传回的?

    “天问一号”将于今日进入环火轨道


  • 中电天奥深空测控技术团队。 受访者供图


        

      截至2月5日,“天问一号”在轨飞行约197天,距地球约1.84亿公里,距离火星约110万公里。飞行里程约4.65亿公里,目前飞行速度达到每秒20公里……
      恐怕没有哪位摄影师,能有“天问一号”的“妙手”——发张照片就上热搜。去年刷屏的是地月合影,这次是火星图像。
      2月5日,国家航天局公布了“天问一号”传回的首幅火星图像。这是我国拍摄到的第一张火星照片!图中,火星上阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑,以及最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。
      在茫茫太空中,没有手机网络,“天问一号”怎么把图像传输回地球?它距离火星约220万公里,如何保证拍到高清画面?“天问一号”拍的这张图是黑白的,是“天问一号”相机水平不行吗?带着这些问题,记者连线采访了来自中电天奥有限公司的、我国首次火星探测任务66米深空测控设备总设计师杜丹。
      □四川日报全媒体记者徐莉莎

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    距离约220万公里的拍摄
    “这是一次尝试性拍摄。今后,‘天问一号’还将频繁作为‘摄影师’上线。”
      杜丹告诉记者,这张照片拍摄于1月30日。当时,“天问一号”距离火星约220万公里。220万公里是什么概念?从北京到上海,直线距离不过1000多公里,相当于往返北京上海千余次。
      从220万公里外拍摄火星,这是中国航天的第一次,这无疑是一个重大突破。据中科院官方科普平台“科学大院”报道,图像之所以是黑白的,是因为相机使用的就是黑白模式,并不是相机水平不行,而是距离太远。即使相距如此遥远,依然能获得清晰影像,靠的是“天问一号”环绕器上搭载的2种相机,分别为400公里高度轨道上分辨率为100米级的中分辨率相机(MRC)和400公里高度轨道上分辨率为2米的高分辨率相机(HRC)。这个高分辨率相机与欧洲空间局的火星快车探测器搭载的HRSC高分辨率立体相机相当,可在300至400公里高度的轨道上获得2米分辨率的图像,达到了世界领先水平。
      上述报道介绍,目前在火星轨道上成像分辨率最高的仍然是美国宇航局MRO探测器搭载的HiRISE(高分辨率成像科学设备),300公里高度轨道上成像分辨率为0.3米,相当于地球轨道上最先进的商业对地观测卫星。
      虽然达不到HiRISE的高分辨率,但能观测到火星表面2米级的物体,“天问一号”轨道器的成像精度已经达到欧美的水平,领先印度曼加里安探测器。曼加里安探测器曾经在7.45万公里的轨道上对火星全貌进行成像,得到的图像还是一片模糊。同样的高度上,MRO探测器可以看清火星北极的冰盖轮廓。
      随着“天问一号”距离火星越来越近,分辨率为2米的高分辨率相机(HRC)将发挥更大的作用。“这是一次尝试性拍摄。今后,‘天问一号’还将频繁作为‘摄影师’上线。”杜丹透露,待“天问一号”被火星引力捕获后,环绕火星作地形地貌勘测、选择着陆点,都需要这些照片作为判断依据。

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    相隔约1.84亿公里的传输
      信号捕获后建立起通信链路,相当于修了一条从火星到地球的路;利用“大天线”和数据处理终端拓宽“道路”,提高传输速率
      “事实上,‘天问一号’拍照,和我们用手机拍摄的原理相同。”杜丹说,其特殊之处,在于多了一个相隔上亿公里的传输。这么远的距离,照片怎么传?
      位于黑龙江佳木斯的66米深空测控站功不可没。它有一副直径达66米的天线,形似大锅盖,是一个作用距离极远的“遥控器”,可以利用10kW功放将地面的指令发送到遥远的距离,实现对日定向、探测器变轨、姿态调整、发动机点火等动作,确保探测器沿正确的轨道飞行以及巡视器最终顺利软着陆。
      同时,它又是一个具有高灵敏度接收能力“听诊器”,能时刻调整角度,负责在外太空噪声中寻找、捕获探测器信号,建立起探测器到地球之间的通信链路,获得探测器供电、温度、开关等工作状态及载荷参数和科学试验数据。
      在探测器运行良好的情况下,“大天线”就能腾出一些空档,接收图片等数传信息。
      为了完成图片等数据传输,首先要建立通道。火星探测器距离地球约1.84亿公里,通常行星际的数据传输“道路狭窄”,意味着信号微弱,有效传输数据的速率很低。
      这时候,深空测控站就发挥作用了。凭借其极高的灵敏度,信号捕获后建立起通信链路,相当于修了一条从火星到地球的路;利用“大天线”和数据处理终端拓宽“道路”,提高传输速率。
      杜丹为我们还原了这张照片的传输历程。“天问一号”为火星首次拍照后,将图像信息存储为数字信息并压缩,编码后调制在高频微波信号上发送,深空站接收该信号并解调图像信息,以16进制码和数据帧的形式,从佳木斯发送到北京航天飞行控制中心,进行信息处理和图像合成。
      这个过程并不容易。由于行星际的数据传输“道路狭窄”,传输一幅高质量图像往往需要大量数据帧,传输时长有时超过10分钟。由于传输过程中环境复杂,也可能出现误码或数据丢失,图片恢复以后可能出现坏点。为避免这些情况,科学家们也采用编译码和纠错的方式,确保图像的正确传输。

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    今日,看火星捕获“天问一号”
      就在记者2月6日凌晨连线杜丹时,中电天奥有限公司深空测控技术团队还在忙着分析当天的数据。几个小时前,他们刚刚“遥控”“天问一号”完成捕获前的重要一步——地火转移段第四次轨道中途修正,以确保按计划实施火星捕获。
      捕获,是此次火星探测任务至关重要的环节。目前,“天问一号”的飞行速度远远超过第二宇宙速度,在接近火星时,探测器将紧急制动“刹车”,速度减小一半以上,以成功被火星的引力捕获,成为它的一颗“人造卫星”,开启火星环绕之旅。
      这是火星探测任务最关键的节点之一,需要启用数千牛的发动机,点火时间超过10分钟,消耗数百公斤的燃料。这是一个极其巨大的“油耗”,可见此次“刹车”控制过程动静不小。此外,捕获只有一次机会,“天问一号”运行速度极快,稍不注意,就可能和火星擦肩而过,飞出太阳系。如果捕获动作完成不好,太靠近火星,探测器也有可能被火星引力摧毁。
      杜丹介绍,截至2月5日,“天问一号”已在轨飞行约197天,距地球约1.84亿公里,距离火星约110万公里。飞行里程约4.65亿公里,目前飞行速度达到每秒20公里。
      按照计划,“天问一号”将于2月10日20时许紧急“刹车”,随后捕获。由此进入环火轨道,开启环绕火星之旅,对火星的地形以及着陆点进行勘测,该过程将持续近3个月,预计5月中旬“落火”。
      我们期待她给我们带回更多的惊喜,能告诉我们关于火星更多的答案。

    新闻背景
    “你可能不知道”的火星趣事
      火星是一颗不断给我们带来惊喜的行星。西班牙媒体前不久发表题为《你以前不知道的火星趣事》的报道,在本文中,你将发现关于这颗红色星球的多个事实。

    火星极具特点的颜色是怎么来的?
      火星的颜色极具特点,因而俗称为红色星球。这种颜色也让人联想到被氧化的金属,因为我们的“邻居”表面布满铁质。

    太阳系最高的山
      喜马拉雅山脉放在火星上就是一座小山丘。我们有所耳闻的奥林帕斯山高约23千米,几乎是珠穆朗玛峰的3倍,这使它成为太阳系中最高的山。奥林帕斯山是一座火山,宽约600公里,相当于从马德里到图卢兹(法国)的直线距离。

    火星离地球有多远?
      目前,我们距离火星约6200万公里。2003年,我们的“邻居”距离我们5570万公里,2018年是5760万公里。据估计,下一次两颗行星靠近时,二者距离大约为5690万公里。最短距离或是5460万公里,但这还没有发生。

    现在就能“造访”火星
      在家里就可以探索火星,不需要望远镜,而且就在大白天。怎么做呢?谷歌地图添加了一项功能,让你可以像在地球上一样遨游这颗红色星球。要造访它的话,只需进入谷歌地图,选择地球视图,不断缩小直至出现火星选项。(据新华社)

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