「天問一號」即將抵達火星 專家揭秘「超級望遠鏡」1.9億公裡外的高難度觀測

中新網上海2月3日電 (鄭瑩瑩)「『天問一號』即將抵達火星,VLBI測定軌也到了關鍵時刻,2月1日至28日我們連續觀測28天,以支持完成近火捕獲等各種動作。」中國科學院上海天文台研究員劉慶會近日在微信朋友圈悉數最新工作並附上一句:每到緊張時刻就睡不著,各種可能的問題思來想去。

劉慶會之所以如此「緊張」,是因為自2020年7月23日開啟中國首次自主火星探測任務以來,歷經數月「宇宙旅行」的天問一號探測器即將進入挑戰重重的關鍵階段——火星捕獲。

「天問一號」飛行過程包括髮射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測六個階段。根據中國航天科技集團發布的消息,截至1月3日6時,天問一號火星探測器已經在軌飛行約163天,飛行里程突破4億千米,距離地球接近1.3億千米,距離火星約830萬千米。按計劃,天問一號探測器預計2月10日左右在臨近火星后實施近火制動,俗稱「剎車」減速,被火星捕獲,進入環火軌道,成為火星的一顆衛星,為著陸火星作準備。

劉慶會在接受中新網記者專訪時透露,目前「超級望遠鏡」團隊已經觀測(天問一號探測器)近100次,測量精度達到0.1納秒,其觀測的方式是:通過中國四地組成的「超級望遠鏡」,以銀河系外的射電源為參照物,探知天問一號探測器的位置。他解釋,這些射電源經天文學家幾十年的測量,位置準確已知,並且與天問一號探測器相對於地球的方位角離得較近,其信號幾乎以同路徑到達「超級望遠鏡」,有利於我們計算探測器到達地球望遠鏡的各種延遲。

「超級望遠鏡」實際上名叫VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚長基線干涉測量)測軌分系統,由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位於上海天文台的VLBI數據處理中心組成,這樣構成的望遠鏡相當於把幾個小的望遠鏡聯合起來,在解析度上達到口徑為3000多千米的巨大綜合口徑射電望遠鏡的觀測效果。VLBI測軌分系統參与「天問一號」地火轉移、火星捕獲、離軌著陸等階段的測定軌任務。

劉慶會說,「高精度測定軌」十分重要,比如從地球出發到火星的巡航階段,火星在「跑」,地球也在「轉」,探測器還要往前「跑」,因此需要每時每刻準確地知道探測器相對於地球、相對於火星的位置,才能確保探測器一直往火星方向飛,而不是飛偏了。

儘管「超級望遠鏡」已參加過「月球探測任務」,但劉慶會告知,此番「火星探測護駕」仍有其獨特難點。

難度一,距離遙遠。「超級望遠鏡」已參加過嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥四號和嫦娥五號的測定軌任務,但火星探測任務像長跑,火星最遠的時候距離地球超過4億公里,約是地月距離的1000倍。劉慶會告知,即便是火星捕獲階段,探測器距離地球也有約1.9億公里,與探月任務時的38萬公里距離相差大概500倍,「一個小角度的測量誤差,對應到月球的位置誤差可能不大,但對應到火星的位置誤差就非常大了,難點就在於這裏,因此我們研發了數十台套軟體和硬體,大幅度提高測量精度。」

難度二,動作複雜。劉慶會說,天問一號探測器在2月將進行若干次軌道修正,而後被火星捕獲,但捕獲后並非直接進入一個最終軌道,而是需要經過多次變軌和捕獲等複雜動作,逐步縮小橢圓軌道,因此「超級望遠鏡」需要在2月1日至2月28日連續觀測,工作人員每天要觀測十幾個小時。

難度三,國際「視野」。劉慶會說,被火星捕獲后,「天問一號」的觀測還將增加難度,因為那裡已有美國、歐洲的一些火星探測器,「超級望遠鏡」需要更加準確地從中識別中國探測器的信號,予以觀測,並克服信號的相互干擾問題。另外團隊還需要估算探測器「跑」到火星背面的階段,以合理安排觀測,儘快捕獲信號。

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