7月23日，“天问一号”探测器圆满发射升空。

中国首次火星探测任务将通过一次发射任务实现对火星的“环绕、着陆、巡视”，搭载13种载荷开展火星全球性和综合性探测，并对火星表面重点地区精细巡视勘查，完成研究火星形貌与地质构造特征、研究火星表面土壤特征与水冰分布、研究火星表面物质组成、研究火星大气电离层及表面气候与环境特征、研究火星物理场与内部结构五项科学目标。

本次任务成功后，我国将成为世界上第一个首次通过一次任务实现火星环绕和着陆巡视探测的国家，也将成为世界上第二个实现火星车安全着陆和巡视探测的国家。

关于火星探测，你是不是还有很多疑问？在深空探测中，测控数传通信系统是至关重要的组成部分。这一期，我们主要聊一聊火星探测中的测控和数传。

火星探测器的跟踪和测定轨，目前主要采用基于地面无线电测量的测距、测速和甚长基线干涉（VLBI）测角三种手段。

进行深空探测任务需要使用深空探测网。深空探测网指专门用于深空探测器测控和数据传输的专用测控网。美国、中国、欧洲航天局等已经建立了深空测控网；俄罗斯、日本、印度、意大利、德国等国家也研制建设了自己的深空测控设备，但并未形成完整的深空测控网。

目前，世界上最强大的深空测控网是美国的深空网，由美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉三个相距120°的测控网组成，可以覆盖整个天区。每个测控站由多台70米、34米天线组成。由于NASA深空网分布在全球相距120°的三个测控点，可以在任何时刻观测到火星探测器，对于火星探测器的成功至关重要。

我国的深空探测网主要包括2011年基本建成的佳木斯66米和喀什35米天线，2017年底建成的阿根廷35米天线深空站。为了2020年此次火星探测任务的测控需要，我国在喀什新建了3台35米天线，组成天线阵。目前，我国深空测控网由中国西北部喀什地区35米深空站、中国东北部佳木斯地区66米深空站和位于南美洲阿根廷的35米深空站组成。

VLBI对探测器在垂直于视线方向上的位置变化有很高灵敏度，与视线方向具有高灵敏度的测距、测速形成互补，是火星探测器测定轨的必要手段，特别是在地火转移段、近火制动段等测定轨难度较大的测控弧段的优势更为明显。

探测器进入近火制动段时，地火距离一般达到2亿千米，与月球探测器被捕获时的38万千米相比，距离增加了500多倍。比如，VLBI时延测量误差1纳秒（0.3米），在3000千米的基线长度上，对2亿千米远的火星探测器的与视线垂直方向的单点测轨误差约为几十千米，远大于视线方向的约几米的测距误差。VLBI时延测量精度的提高是火星探测器测定轨精度提高的关键环节。

为了提高VLBI时延测量精度，火星探测时一般差分单程定位技术进行测控。测距、测速技术的目的是测量目标的视向距离和速度，而Delta-DOR技术则是测量目标的横向位置。1998年“火星气候轨道器”的失败清楚表明了Delta-DOR技术对于深空探测器跟踪测轨的重要性。由于未使用VLBI技术，未能及时发现切平面误差增大的致命缺陷，最终导致任务失败。因此，如果测控技术不是很成熟的话，探测火星的风险很大。

在“嫦娥三号”等任务中，我国利用由上海站、北京站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心组成的VLBI测轨分系统，和差分单程定位技术，将VLBI时延测量误差降至1纳秒以下；结合测速和测距数据，着陆器月面测定位和环月段的测定轨误差约50米，地月转移段和近月制动段的测定轨误差参数100米。

差分单程定位型技术适合于单个探测器测定轨，而同波束VLBI技术则适用于多个探测器的精密测定轨。所谓同波束干涉测量技术，即用射电望远镜的主波束同时接收两个（或多个）探测器发送的信标，得到两个（或多个）探测器信标的相关相位，并在探测器间进行差分，由于信号传播路径基本相同，因此通过差分可以有效削弱信号传播路径上的大气、电离层以及设备等引起的误差，从而得到高精度的探测器相对定轨定位结果。

我国的嫦娥五号探测器以及火星探测器将均由多个部分组合，由于探测器距离遥远，探测器各部分之间角距小，因此可使用同波束干涉测量技术进行定轨定位。

（中国科学院上海天文台天之文科传团队供稿）