天問一號火星探測器成功發射 這項通信技術功不可沒

7月23日，萬眾矚目的“天問一號”火星探測器在海南文昌成功發射，正式拉開了咱們國家火星探測活動的序幕。

掐指一算，現在的“天問一號”火星探測器，已經出發了1個多月，距離地球約1000萬公里。

火星探測，是我國繼載人航天工程、探月工程之后又一個重大空間探索項目，也是我國首次開展地外行星空間環境探測活動，意義極為深遠。

數千年來，隨著科技的進步，人類對浩瀚宇宙的了解不斷增加。

了解越多，好奇心就越重。在好奇心的驅使下，半個多世紀以來，人類開啟了“瘋狂”的太空探索之旅。

阿波羅登月計劃，一度將這種“瘋狂”推向了高潮。

時至今日，人類將關注焦點放在了火星上。作為太陽系中與地球最相似且距離較近的行星，火星已然成為太空旅行下一站的首選目標。

“火星救援”等太空電影的熱映，加上埃隆馬斯克大膽超前的“火星移民計劃”，讓人們對火星充滿了無限向往。

然而，即便是這顆“距離較近”的火星，想要來一次“親密接觸”也并不容易。

火星最遠時距離地球4億公里，是地月距離的1000倍。截至目前為止，人類已對火星實施了40余次探測任務，其中只有24次獲得成功。真正實現探測器成功著陸并釋放火星車巡視地表的國家，只有美國。

巨大的任務風險，高昂的資金投入，以及對技術實力的苛刻要求，讓絕大多數國家對火星探測項目望而卻步。而我們國家經過多年的技術經驗積累，已經具備向火星發起挑戰的條件。

這次我們發射的“天問一號”探測器，將在大約5個半月后抵達火星附近。屆時，它將實施近火制動和環繞火星，并擇機釋放著陸巡視器登陸火星。

也就是說，本次任務我們將一次性挑戰“火星環繞、著陸和巡視”3個目標。

此時此刻的天問一號，正在太空中獨自翱翔。那么，大家有沒有想過，這樣一個孤零零的探測器，究竟是如何實現飛行導航的呢?

目前的外太空飛行器，因為技術成熟度的問題，普遍不具備深空自主導航能力。說白了，它們不能自己認路，必須依賴來自地球測控系統的全程導航、跟蹤與測定軌保障。這一切的前提，就是要有分布全球的深空探測網。

地面測控的主要方式，有地面無線電測距、測速，以及VLBI測角。

無線電測距，是通過測控站向深空探測器發射無線電波，測量反射回來的信號，從而測定距離。

無線電測速，則和常見的高速公路雷達測速原理類似，主要基于多普勒頻移原理，分別測量測控站發射的無線電波和深空探測器反射回來的無線電波發射頻率變化，以此測算深空探測器相對于測控站的速度。

無線電測距測速原理

前面我們提到，火星距離地球最遠約4億公里。因此，深空探測器反射回來的信號非常微弱。想要成功捕捉信號，必須加大天線口徑，增加發射功率，提升工作頻段，提高接收機靈敏度。

近十幾年來，我國分別建成了新疆喀什35米口徑深空站和黑龍江佳木斯66米口徑深空站，并在地球另一側建設了阿根廷35米口徑深空站，實現了對深空探測器的全天候測距和測速。

阿根廷深空站(圖片來自網絡)

無線電測速和測距，在視線方向上(也就是測控站和深空探測器的連線方向)具有較高的靈敏度。但深空探測器還有與視線垂直方向上的位置變化，尤其是探測器的地火轉移階段、近火制動階段等測控弧段，這就需要VLBI測角技術。

VLBI測角的VLBI，全名是Very Long Baseline Interferometry(甚長基線干涉)。它的技術原理有點復雜，大家只需要知道，通過四個不同位置的射電天文站臺，采用VLBI技術，就可以準確測量深空探測器的角度數據，測角精度能夠達到1.5度的百萬分之一。射電天文站臺之間的距離越遠，測量精度就越高。

Cosθ=ΔT*c/B，ΔT為不同站臺反射型號時延差值，c為光速，B為站臺距離基線。

VLBI測角原理

我們國家的VLBI測軌分系統，由上海佘山站、北京密云站、烏魯木齊南山站、昆明鳳凰山站和上海天文臺VLBI數據處理中心共同組成。“四站一中心”分布于天南地北，充分利用了我國的國土縱深。

昆明鳳凰山站(圖片來源：中科院昆明天文臺)

為了準確地對深空探測器進行跟蹤監測，及時向深空探測器發出控制指令，各觀測站必須將觀測數據實時發送到數據處理中心，進行數據處理后，再上報到位于北京的航天測控中心。

VLBI測軌分系統的組成

以VLBI測軌分系統“四站一中心”之間的數據通信為例，這一看似簡單的任務，暗藏著對數據承載網絡的一系列挑戰：

1、數據傳輸速率必須要高：

“天問一號”探測器的VLBI數據速率為128Mbps，數據傳輸專線的帶寬要求不小于200Mbps。

2、數據傳輸過程必須要穩：

VLBI數據采集的頻率和采集字長恒定，也就是說，某站臺傳輸到數據處理中心的數據流始終是128Mbps，不會增加也不會減少。為了保持穩定的傳輸，“天問一號”探測器的VLBI數據傳輸專線帶寬可用率，要求必須大于80%。

3、數據傳輸距離遠，必須要有確定性低時延：

VLBI測軌分系統的四站一中心基線長度從1100多千米到3200多千米不等，數據傳輸專線的實際鏈路距離更長。VLBI數據傳輸要求時延低且恒定，從原始數據觀測到測定軌數據發布，VLBI系統整體實時性指標要求不超過1分鐘。“天問一號”探測器的VLBI數據傳輸專線單向網絡時延不超過百毫秒，且時延抖動幅度應小于20毫秒。

4、數據傳輸必須足夠可靠：

VLBI數據傳輸可容忍的丟包率要求不大于0.01%，一旦丟包事件發生，其窗口恢復時間高達40分鐘!“天問一號”探測器的VLBI數據傳輸可靠性要求極高，需要采用兩個運營商的專用線路互為備份，主備網絡切換時間小于3秒。

5、數據傳輸項目的開通，必須快、必須靈活：

當深空探測項目結束后，VLBI測軌分系統的觀測活動也完成。歷次“嫦娥”探月工程中，月球探測器的VLBI數據傳輸專線往往在項目啟動前1-2個月開啟，在項目結束后關閉。盡管“天問一號”火星探測的項目周期遠長于歷次“嫦娥”工程，但VLBI數據傳輸專線的快速開通、靈活調整功能依然重要。

簡而言之，這個傳輸網絡必須滿足大帶寬、高穩定、高可靠、確定性低時延、快速開通的要求。符合這個要求的技術方案只有一種，那就是光專線。

2007年的“嫦娥”探月計劃，運營商的光專線就已經應用于測控數據地面傳輸。

當時的“嫦娥一號”探測器VLBI測軌分系統，首先引入運營商SDH硬管道專線，帶寬是34Mbps。

從“嫦娥二號”起，VLBI測軌分系統數據傳輸陸續啟用MSTP硬管道專線，支持以太網接口直連，簡化接入設備組網，帶寬也升級到100Mbps以上。

近年來，運營商紛紛建設了覆蓋全國省會城市和重點城市的OTN政企專網。“天問一號”火星探測器發射前，運營商首次將上海到昆明、上海到北京密云射電天文站臺之間的光專線升級到OTN政企專網或OTN骨干網絡，為VLBI數據傳輸提供了更可靠更便捷的服務。

“天問一號”VLBI測軌分系統數據傳輸專線組網

OTN，英文全稱是Optical Transport Network，光傳送網。這是一種以波分復用技術為基礎、在光層組織網絡的新一代傳送網，它也是目前倡導的全光網絡的代表性技術?；贠TN技術的OTN專線，是SDH/MSTP等存量光專線的升級產品。

OTN設備

OTN具有硬管道帶寬獨享的傳統優勢，傳輸速率極高，可以輕松應對VLBI測軌分系統的需求。

OTN高品質專線還支持99.99%以上的超高可用率，時延也進一步降低，可以控制在每200公里一毫秒左右。

OTN高品質專線還具備業務快速開通功能，在發射窗口啟動前一次上站即可開通，能夠大幅縮短調試時間。

從“天問一號”探測器7月23日發射到8月上旬，運營商的高品質光專線發揮穩定，保障了包括VLBI測軌分系統在內的深空探測網能夠正常工作。8月2日“天問一號”探測器首次軌道中途修正，也在高品質光專線的支撐下圓滿完成。

從“嫦娥”到“天問”，中國的深空探測項目正在穩步向前推進。隨著綜合國力的提升，我們國家類似的重大項目會越來越多。

這些關系到國計民生以及未來科技話語權的重大項目，離不開高性能ICT信息通信基礎設施及服務的支撐。以OTN專線為代表的高品質光專線，就是重要支撐之一。對廣大科研、政企用戶來說，它能夠解決很多實際需求，應用前景非常廣闊。

在數字化浪潮下，F5G全光固定網絡，將和5G移動網絡一起，拓寬聯接的邊界，為百行千業的數字化轉型賦能，為經濟發展和社會進步打下堅實的基礎。