火星探測器將與地球失聯(lián)？火星和地球玩起“捉迷藏”

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(lái)有些聳人聽(tīng)聞的消息，實(shí)則確有其事。大約自9月中下旬開(kāi)始，包括祝融號、“好奇”號、“毅力”號等在內的眾多火星探測器都將陸續與地球失聯(lián)。

但出現問(wèn)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(yáng)身后一個(gè)多月，對地球避而不見(jiàn)。當然，大家大可不必為此擔心，科學(xué)家對此早有準備。

失聯(lián)的“禍首”是日凌

在科幻小說(shuō)《三體》的開(kāi)篇中有這樣一個(gè)情節，主人公葉文潔將太陽(yáng)當作巨型無(wú)線(xiàn)電信號放大器，把地球信號傳向了宇宙深處，最終引來(lái)了“三體人”。雖然只是科幻故事，但太陽(yáng)的確每時(shí)每刻都在發(fā)射電磁波，傳輸著(zhù)“信號”。

太陽(yáng)不僅是一個(gè)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(xiàn)、X射線(xiàn)波段，到長(cháng)波的無(wú)線(xiàn)電波段，太陽(yáng)都兼容并包。因此，當有天體運行至與太陽(yáng)、地球同一直線(xiàn)時(shí)，這種情況通常被稱(chēng)為日凌。此時(shí)，太陽(yáng)發(fā)出的強大電磁波便會(huì )將天體發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號淹沒(méi)，使得地球無(wú)法與其進(jìn)行準確通信，從而造成暫時(shí)性失聯(lián)。

此次導致祝融號以及環(huán)繞器失聯(lián)的原因便是如此。以太陽(yáng)為中心，地球公轉軌道在內，火星公轉軌道在外，形成兩個(gè)同心圓。而火星公轉周期與地球不同，約為687天，因此每隔一段時(shí)間，太陽(yáng)、地球、火星三者便會(huì )運行至同一條直線(xiàn)。尤其是當火星運行至太陽(yáng)身后，與地球分置于太陽(yáng)兩側時(shí)，便會(huì )造成顯著(zhù)的日凌影響。

天問(wèn)一號探測器系統總設計師孫澤洲解釋道，太陽(yáng)自身龐大的體積不僅會(huì )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(huì )使得地球無(wú)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(shí)，地球上傳至火星的信號也會(huì )被太陽(yáng)電磁波所覆蓋，無(wú)法準確到達，致使兩者之間的有效通信被迫中斷。“上行無(wú)法進(jìn)行控制，下行數據也很難有效接收。”孫澤洲還補充道，此時(shí)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(huì )對火星探測器造成影響，其對人們日常生活的影響也時(shí)有發(fā)生。每年春分、秋分時(shí)節，太陽(yáng)直射赤道，而靜止軌道衛星也多運行在赤道上空。此時(shí)，太陽(yáng)、衛星、地球形成一條直線(xiàn)，太陽(yáng)所發(fā)出的電磁波干擾便會(huì )影響地球對衛星信號的接收。例如每年春分、秋分前后，世界各地時(shí)常會(huì )出現電視轉播信號不穩定、電視畫(huà)面出現“雪花”的現象。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星日凌時(shí)間預告，稱(chēng)在2月25日至3月17日期間，用于我國廣播電視節目傳輸的中星6A、亞太5C等衛星進(jìn)入日凌期，影響包括北京、上海、杭州在內的多座城市電視信號的接收，持續時(shí)間從幾分鐘至十幾分鐘不等。

給祝融號放個(gè)“長(cháng)假”

日凌導致火星探測器失聯(lián)，雖然聽(tīng)起來(lái)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(chē)與環(huán)繞器將暫停所有科學(xué)活動(dòng)，轉入安全模式，靜靜等待日凌過(guò)去。但他強調，安全模式并不意味著(zhù)完全停止工作。人睡著(zhù)后，雖然停止了活動(dòng)，但仍然需要維持身體各項機能正常運轉?；鹦擒?chē)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(chē)也要持續獲取能量和進(jìn)行溫度控制等，以保證在日凌結束后能夠迅速恢復工作狀態(tài)。“這個(gè)過(guò)程中對于探測器自主性的要求可能會(huì )很高，因為在一個(gè)月甚至更長(cháng)一點(diǎn)的時(shí)間內，需要它們完全自主運行。”孫澤洲說(shuō)，“我還是比較放心的，相信兩器可以平穩度過(guò)日凌。”

這種自信很大程度上來(lái)源于在過(guò)去的一百余天內，祝融號及其環(huán)繞器優(yōu)異的工作狀態(tài)。“過(guò)去的這段時(shí)間里，我們已經(jīng)對兩器各個(gè)系統硬件、軟件的運行狀態(tài)有了一個(gè)全面確認，心里有底。”孫澤洲還提道，在日凌期間，兩器自身的工作內容會(huì )較往常開(kāi)展科學(xué)活動(dòng)時(shí)更為簡(jiǎn)單，有助于其在長(cháng)時(shí)間內保持穩定，“這實(shí)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任總師崔曉峰提道，通過(guò)對火星公轉周期、公轉軌道等數據的精確計算，早在研制階段，相關(guān)團隊便已準確預報了此次日凌的發(fā)生時(shí)間，并進(jìn)行了相應準備。例如，除提前設置好相關(guān)程序外，在進(jìn)入安全模式后，祝融號及環(huán)繞器還將定期進(jìn)行自我“體檢”，即故障自主檢測，發(fā)現問(wèn)題后還可進(jìn)行故障處理、故障重構等，以保證自身狀態(tài)平穩。“針對自主運行過(guò)程中可能出現的一些問(wèn)題，我們都進(jìn)行了提前設計，并且在地面進(jìn)行過(guò)多次測試，基本不用擔心。”此外，崔曉峰也提道，失聯(lián)并非完全沒(méi)有信號，“三者完全在一條直線(xiàn)上時(shí)，可能就沒(méi)信號。但如果不是完全的一條直線(xiàn)，可能會(huì )斷斷續續有一點(diǎn)信號，我們也會(huì )利用非常稀有的信號對兩器進(jìn)行狀態(tài)監測。”

無(wú)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(cháng)假”結束后，它們也將開(kāi)啟新的火星探測階段。

中繼衛星或可“破解”日凌困擾

日凌可以說(shuō)是航天活動(dòng)中的“?？?rdquo;。除了此前提到的對赤道上空地球靜止軌道衛星造成的影響外，載人航天、探月工程等航天活動(dòng)也多次受到日凌影響。如2007年11月，嫦娥一號進(jìn)行繞月探測時(shí)，便曾遭遇過(guò)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(xiàn)，地面控制中心成功在日凌期間對嫦娥一號實(shí)施了全程監測，沒(méi)有發(fā)生丟幀與亂碼等情況。

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