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確通信，從而造成暫時性失聯(lián)。

◎?qū)嵙?xí)記者 都 芃

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)家對此早有準備。

失聯(lián)的“禍首”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)?；鹦擒嚺c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)團隊便已準確預(yù)報了此次日凌的發(fā)生時間，并進行了相應(yīng)準備。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“?？?rdquo;。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、周密準備、精準實施，完全不用過分擔(dān)心日凌的影響”。