即將迎來日凌挑戰(zhàn)，與地球失聯(lián)

祝融號如何平安度過悠長“假期”

太陽不僅是一個巨大的“火球”，也是一臺巨大的噪聲制造機。當(dāng)有天體運行至與太陽、地球同一直線時，太陽發(fā)出的強大電磁波便會將天體發(fā)出的無線電信號淹沒，使得地球無法與其進行準(zhǔn)確通信，從而造成暫時性失聯(lián)。

剛剛慶祝完祝融號登陸火星百日，9月它就要失聯(lián)了?這則看起來有些聳人聽聞的消息，實則確有其事。大約自9月中下旬開始，包括祝融號、“好奇”號、“毅力”號等在內(nèi)的眾多火星探測器都將陸續(xù)與地球失聯(lián)。

但出現(xiàn)問題的并非是探測器，而是火星即將和地球玩起“捉迷藏”的游戲——它將躲在太陽身后一個多月，對地球避而不見。當(dāng)然，大家大可不必為此擔(dān)心，科學(xué)家對此早有準(zhǔn)備。

失聯(lián)的“禍?zhǔn)?rdquo;是日凌

在科幻小說《三體》的開篇中有這樣一個情節(jié)，主人公葉文潔將太陽當(dāng)作巨型無線電信號放大器，把地球信號傳向了宇宙深處，最終引來了“三體人”。雖然只是科幻故事，但太陽的確每時每刻都在發(fā)射電磁波，傳輸著“信號”。

太陽不僅是一個巨大的“火球”，也是一臺巨大的噪聲制造機。它發(fā)出的電磁波涵蓋范圍廣，從短波的γ射線、X射線波段，到長波的無線電波段，太陽都兼容并包。因此，當(dāng)有天體運行至與太陽、地球同一直線時，這種情況通常被稱為日凌。此時，太陽發(fā)出的強大電磁波便會將天體發(fā)出的無線電信號淹沒，使得地球無法與其進行準(zhǔn)確通信，從而造成暫時性失聯(lián)。

此次導(dǎo)致祝融號以及環(huán)繞器失聯(lián)的原因便是如此。以太陽為中心，地球公轉(zhuǎn)軌道在內(nèi)，火星公轉(zhuǎn)軌道在外，形成兩個同心圓。而火星公轉(zhuǎn)周期與地球不同，約為687天，因此每隔一段時間，太陽、地球、火星三者便會運行至同一條直線。尤其是當(dāng)火星運行至太陽身后，與地球分置于太陽兩側(cè)時，便會造成顯著的日凌影響。

天問一號探測器系統(tǒng)總設(shè)計師孫澤洲解釋道，太陽自身龐大的體積不僅會遮擋火星探測器發(fā)出的信號，其產(chǎn)生的強烈電磁干擾也會使得地球無法在龐雜的背景噪音中準(zhǔn)確分辨出火星探測器的信號，從而造成信號接收困難。同時，地球上傳至火星的信號也會被太陽電磁波所覆蓋，無法準(zhǔn)確到達，致使兩者之間的有效通信被迫中斷。“上行無法進行控制，下行數(shù)據(jù)也很難有效接收。”孫澤洲還補充道，此時恰巧火星與地球之間距離也達到了最遠的3.95億公里。

日凌不僅會對火星探測器造成影響，其對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懸矔r有發(fā)生。每年春分、秋分時節(jié)，太陽直射赤道，而靜止軌道衛(wèi)星也多運行在赤道上空。此時，太陽、衛(wèi)星、地球形成一條直線，太陽所發(fā)出的電磁波干擾便會影響地球?qū)πl(wèi)星信號的接收。例如每年春分、秋分前后，世界各地時常會出現(xiàn)電視轉(zhuǎn)播信號不穩(wěn)定、電視畫面出現(xiàn)“雪花”的現(xiàn)象。今年2月，國家廣播電視總局便發(fā)布了2021年全國主要城市春季衛(wèi)星日凌時間預(yù)告，稱在2月25日至3月17日期間，用于我國廣播電視節(jié)目傳輸?shù)闹行?A、亞太5C等衛(wèi)星進入日凌期，影響包括北京、上海、杭州在內(nèi)的多座城市電視信號的接收，持續(xù)時間從幾分鐘至十幾分鐘不等。

給祝融號放個“長假”

日凌導(dǎo)致火星探測器失聯(lián)，雖然聽起來可怕，但祝融號及其環(huán)繞器早已做好充分準(zhǔn)備。

孫澤洲介紹，在日凌期間，祝融號火星車與環(huán)繞器將暫停所有科學(xué)活動，轉(zhuǎn)入安全模式，靜靜等待日凌過去。但他強調(diào)，安全模式并不意味著完全停止工作。人睡著后，雖然停止了活動，但仍然需要維持身體各項機能正常運轉(zhuǎn)。火星車與環(huán)繞器也是如此，如環(huán)繞器需要依靠自主控制保持自身的飛行狀態(tài)，祝融號火星車也要持續(xù)獲取能量和進行溫度控制等，以保證在日凌結(jié)束后能夠迅速恢復(fù)工作狀態(tài)。“這個過程中對于探測器自主性的要求可能會很高，因為在一個月甚至更長一點的時間內(nèi)，需要它們完全自主運行。”孫澤洲說，“我還是比較放心的，相信兩器可以平穩(wěn)度過日凌。”

這種自信很大程度上來源于在過去的一百余天內(nèi)，祝融號及其環(huán)繞器優(yōu)異的工作狀態(tài)。“過去的這段時間里，我們已經(jīng)對兩器各個系統(tǒng)硬件、軟件的運行狀態(tài)有了一個全面確認，心里有底。”孫澤洲還提道，在日凌期間，兩器自身的工作內(nèi)容會較往常開展科學(xué)活動時更為簡單，有助于其在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，“這實際上是處于一種靜止等待狀態(tài)”。

支撐這種信心的另一方面原因，是完備的前期準(zhǔn)備工作。北京航天飛行控制中心責(zé)任總師崔曉峰提道，通過對火星公轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)軌道等數(shù)據(jù)的精確計算，早在研制階段，相關(guān)團隊便已準(zhǔn)確預(yù)報了此次日凌的發(fā)生時間，并進行了相應(yīng)準(zhǔn)備。例如，除提前設(shè)置好相關(guān)程序外，在進入安全模式后，祝融號及環(huán)繞器還將定期進行自我“體檢”，即故障自主檢測，發(fā)現(xiàn)問題后還可進行故障處理、故障重構(gòu)等，以保證自身狀態(tài)平穩(wěn)。“針對自主運行過程中可能出現(xiàn)的一些問題，我們都進行了提前設(shè)計，并且在地面進行過多次測試，基本不用擔(dān)心。”此外，崔曉峰也提道，失聯(lián)并非完全沒有信號，“三者完全在一條直線上時，可能就沒信號。但如果不是完全的一條直線，可能會斷斷續(xù)續(xù)有一點信號，我們也會利用非常稀有的信號對兩器進行狀態(tài)監(jiān)測。”

無論面臨什么情況，祝融號與環(huán)繞器都已做好充分準(zhǔn)備。等待日凌“長假”結(jié)束后，它們也將開啟新的火星探測階段。

中繼衛(wèi)星或可“破解”日凌困擾

日凌可以說是航天活動中的“常客”。除了此前提到的對赤道上空地球靜止軌道衛(wèi)星造成的影響外，載人航天、探月工程等航天活動也多次受到日凌影響。如2007年11月，嫦娥一號進行繞月探測時，便曾遭遇過短暫的日凌干擾。但憑借青島地面測控站18米口徑的巨大天線，地面控制中心成功在日凌期間對嫦娥一號實施了全程監(jiān)測，沒有發(fā)生丟幀與亂碼等情況。

但與鄰近的月球相比，當(dāng)遠在3.95億公里外的火星遭遇日凌時，現(xiàn)有通信手段所能起到的作用微乎其微。崔曉峰也指出：“這次日凌是我國歷次航天活動中遭遇的時間較長的一次，時間越長，潛在影響就越大。”

未來深空探測的距離將越來越遠，日凌真的無解嗎?中繼衛(wèi)星或許是一個可供參考的選項。日凌對航天器通信造成影響的根本原因在于，當(dāng)太陽、航天器、地球三者幾乎完全處于同一條直線時，航天器與地球間的通訊信號無法躲開太陽的電磁干擾而到達彼此，但中繼衛(wèi)星或許可以解決這個問題。將其部署在遠離太陽電磁輻射的位置，充當(dāng)航天器與地球之間的“信使”，便可以使信號繞過太陽抵達對方。

類似的設(shè)想其實早在嫦娥四號登陸月背時便已實現(xiàn)。當(dāng)時為了解決嫦娥四號在月球背面無法與地球通信的問題，我國提前發(fā)射了鵲橋中繼星至拉格朗日L2點——在月背和地球都可以看得到的位置，充當(dāng)?shù)卦麻g的“傳聲筒”，使得嫦娥四號可以與地球進行間接通信。而此次天問一號火星探測任務(wù)中的環(huán)繞器，也同樣擔(dān)負了數(shù)據(jù)中繼的任務(wù)，但由于環(huán)繞器仍屬于繞火飛行，因此同樣無法避免日凌影響。

隨著未來深空探測走向更遠更深，中繼衛(wèi)星或許有可能成為有效避免日凌影響的重要工具。但崔曉峰也認為，在目前階段日凌所造成的影響完全可控，“只要做到精確預(yù)測、周密準(zhǔn)備、精準(zhǔn)實施，完全不用過分擔(dān)心日凌的影響”。

關(guān)鍵詞： 中繼衛(wèi)星 日凌困擾 失聯(lián) 祝融號