中国“祝融”与欧洲“火星快车”如何实现太空“握手”？

科技日报记者 李禾 通讯员 田嘉 王希曦

我国“天问一号”与欧空局“火星快车”任务团队11月合作开展了“祝融号”火星车与“火星快车”轨道器在轨中继通信试验并取得圆满成功。记者日前获悉，中国航天科技集团有限公司五院西安分院为“祝融号”火星车研制的UHF频段通信子系统，在这次对接中发挥了核心作用。

4亿公里外的国际范“握手”

10月27日，欧洲航天局空间业务中心在社交媒体上宣布，欧空局“火星快车”探测器与中国“祝融号”火星车将在11月进行5次通信测试，并向地球传回数据。这是欧空局十年来首次在火星轨道实际测试“火星快车”的数据盲接收能力。

“祝融号”是我国第一辆火星车，2021年5月22日安全到达火星表面，开始巡视探测。此次太空“握手”前，西安分院UHF频段通信子系统研制团队同总体单位及欧空局“火星快车”研制团队进行充分沟通，并多次召开视频会议进行技术细节的讨论。

此外，西安分院研制团队还密切配合总体单位编写了在轨测试大纲和测试细则，并核实在轨上注指令，确保“祝融号”火星车在通信弧段开始前将各项参数配置至相应状态。在约定时刻，由“祝融号”向“火星快车”发送数据，通信距离约4000千米，通信时长10分钟。“火星快车”接收数据后转发给欧空局所属深空测控站，测控站接收后发送给欧洲空间操作中心（ESOC），ESOC再转发至北京航天飞行控制中心，由中方技术团队解译后，判读数据的正确性。

受重量和体积约束，火星车直接对地通信能力较弱，无法满足大量数据传输需求。因此，需要将数据发送给距离较近的火星轨道器，然后由通信能力更强的轨道器转发给地面接收系统，这个过程称作中继通信。

一般情况下，在建立中继通信前，轨道器会先向火星车发送一个“发起”信号，随后火星车回复“确认”信号，然后双方建立稳定的双向中继通信链路，就像朋友打电话需先拨通电话一样。由于“火星快车”发射频率与“祝融号”接收频率不匹配，不能通过“拨通电话”的方式建立通信链路。不过，“祝融号”发射频率与“火星快车”接收频率匹配，因此，双方需要事先约定好通信时间，由“祝融号”直接发送数据，“火星快车”进行“盲收”，类似于微信的通信方式。

根据数据判读分析结果，双方任务团队确认“祝融号”和“火星快车”配置的中继通信设备接口匹配，符合国际标准，传输数据内容完整正确，试验取得成功。

UHF频段通信子系统，集成设计轻量又智能

西安分院研制的UHF频段通信子系统由中继天线、穿舱电缆和收发信机组成。“祝融号”火星车与“火星快车”环绕器作为两个不同国家的火星探测器，他们发出的信号是如何进行自主通信的呢？

西安分院天问一号测控数传分系统副主任设计师田嘉解答了这一疑惑。原来，这次对接得以成功是依靠两个探测器均采用国际通用协议。通过这项协议可实现在临近空间范围内的全自主、高可靠、高效率及自适应的智能化信息传输。

这个协议看上去或许有些复杂难懂，其实可以将它理解为可以进行国际间通信的通用标准。这就如同中国的5G手机走到国外依然能接收不同国家的5G信号一样，“祝融号”火星车发出的信号“火星快车”环绕器依旧可以接收使用。

为了完成这一具有高复杂度的协议，西安分院UHF频段通信子系统研制团队不断地对协议设计方案进行优化迭代，依次突破了全自主、高可靠、高吞吐率协议集成等多项关键技术，并采用架构统型的思想对协议进行了高效的集成。

除此之外，火星探测任务对轻小型化有着极为严苛的要求。西安分院研制的UHF频段通信子系统颠覆了传统的以功能维度为单机分类的设计方法，而是基于统一物理架构，将电源、数字处理、收发通道、频综、固态功率放大器和微波无源网络进行高集成化设计，并通过多种设计方法共同实现了系统级与单机级的极限优化。

早在今年6月，西安分院为天问一号火星探测器配套UHF频段通信子系统，依次将着陆巡视器进入、下降和着陆过程中各分系统的数据、“祝融号”第一帧遥测数据、第一幅图像、第一段视频及后续海量探测数据回传至环绕器，为我国首次火星探测任务圆满成功作出了重要贡献。

本次对接任务圆满成功为我国开展火星探测国际合作迈出了第一步。后续，西安分院UHF频段通信子系统研制团队将继续与总体单位及欧空局密切配合，共享航天技术，促进全球科技的合作与发展。