主题：天问要问天 -- 心有戚戚

一晃，祝融已经登陆火星好几天了，大家心心念念的火表照片却姗姗来迟。和地球上拍照上传不同，火星上祝融要传回一张照片可不简单。由于地火距离遥远，无线电信号路径损耗巨大。祝融上有一个X频段定向天线（就是那口小锅），和一个特高频（UHF）全向天线。特高频使用分米波，频段在300-3000兆赫（MHz），包含广播电视（470MHz～770MHz）和无线网络WIFI（2.4GHz）。在移动通信网络中，载波频率越高，其传播损耗越高，所以WIFI的有效通讯距离比广播电视短。正因如此，祝融使用的特高频UHF频段会更接近于广播电视而不是WIFI，反正火星上也没有广播电视信号的干扰。即使这样，全向天线也就最多几百公里直线传输距离（这就是为啥电视塔越高越好），地球上要看祝融火星电视直播是指望不上了。而X频段使用厘米波段，频段在8-12 吉赫（GHz），属于超高频。照理说，其传播损耗比特高频UHF更高，但是祝融的X频段采用抛物面天线，其天线增益与载波波长的平方成反比（也就是频率越高，增益越大）。由于定向天线增益的抬升远超传播损耗的增加，同等功率下X频段传播的距离更大。

当然，信号接收方也必须使用抛物面天线，而且是越大越好，因为天线增益与天线面积成正比。比如我国佳木斯的66米直径的抛物面天线专为深空探测建造，差不多是极限了。

即使这样，由于祝融距离太远和信息传送功率受限， X频段直接对地通信数传速率极低，仅为16bps，即每秒2个字节。在祝融成功落火后，首次和地球的可见弧段仅约20分钟（地球快落山了，当然太阳还没下山）。在如此短的时间里，祝融只能传输10帧数据，而地面根据这些信息在第一时间判断其生存和工作状态。计算机无线通讯里最小的帧值是64字节，而最大的帧值是1518字节。祝融直传地球一帧最多用时2分钟，这样每帧的大小为240个字节不到。一般情况下，前面几帧数据都是用于同步、校验等工作，并不是有效数据。但落火的10帧数据太宝贵了，中电科十所研发团队创造性地提出了“数据慢帧优化处理机制”，能做到信息首帧即完成同步/校验及有效数据解调输出上报。这样就实现了落火阶段极低码率数传信号的接收，1比特不浪费地为飞行控制中心提供了全部可获得的祝融落火工况信息。如此，我们才能在新闻里听到根据遥测信息，祝融成功落火，导轨放下、太阳能电池板展开、解锁机构开启等等操作顺利完成了。下面就是根据遥测信息所指示的祝融状态图。

祝融可以用X频段定向天线每天向地球汇报一下身体状况和火星天气等，但是要用它来传图片就勉为其难了。要传图片就必须通过运行在火星极轨（86.9度倾角）的天问一号轨道器中继。5月15日7时许，祝融落火，此后天问一号在265×65000km的停泊轨道上又飞了1圈，用时两个火星日（约49小时）。到5月17日8时许，天问一号在靠近祝融号的近火点，制动进入265×15000km的中继通信轨道，周期为1/3个火星日。所以首次可以进行几百公里近距通讯的时间是5月18日9时许。这种通讯是双向的，祝融号可以接受地球给它发送的指令。同时祝融应该已向天问一号发送了所拍摄的一些照片，但要等天问一号把比较多的照片收完后找一个合适的时间，将这些照片打包一次性传往地球。

近距通讯一次可以传送20Mbit，转化为字节只有2.5MB，压缩的图片最多传几张。所以天问一号需要在远火点附近通过X频段接收祝融发送的信息作补充。那时候天问一号速度最慢，祝融的X频段定向天线只须指向天问一号的轨道远火点，就可以有大致25分钟的通信时间。而且，祝融上X频段的定向天线似乎是单向的，即只能发送不能接收。所有的50Mbit信息都是上传的，转化为字节有6个多MB。 由于受太阳能供电约束（这点上，核电池有优势），祝融必须在阳光较强、电量较充足的时候才能用X频段定向天线较长时间发送信息。这样，每隔3个火星日，祝融和天问一号才能进行一次器间X频段通信。在三个火星日的周期里，祝融共可向天问一号发送约100多Mbit，差不多15MB的信息。假设首次远距X频段通信不须等到首次近距特高频UHF通信后的第三天、而是第二天甚至第一天就可进行，并且在远距X频段通信后不久天问一号就向地球发送，那么我们最早在5月20日左右，可以看到最多约十张（10MB）的照片。当然，真正的时间可能更长，酒陈更醇吗。

可能不适合深空航天任务。原帖中佳木斯的66米天线都可以放到将近和地面平行了，而天眼只能盯着天顶的一块区域。

所以每次发射火星车都不带环绕器，不刹车直接往火星大气层里冲。由于速度快，从进入大气到着陆的那段时间被称为“死亡7分钟”。

“天问一号”首次踏上火星之旅，环绕器兼具探测器和中继卫星的功能。由于组合体首先需减速被火星捕获，所以，祝融进入火星大气时的速度较慢，闯过“恐怖9分钟”。

由于美国在火星轨道上有多颗中继卫星，所以着陆器几乎一打开天线就可以传图像，地面上很快就能看到第一幅照片。下面的黑白小照片就是最新的核电池动力火星车坚毅号所摄的第一张火星图。希望这次祝融给我们首秀的就是精美大彩照。

所以，通信速率方面应该没有太大的差别，但是在通信次数和时长上，中继卫星多的当然有优势。

天眼的视角可以调节，但是不会很大（“天顶的一个区域”而不是一个点），主要靠地球自转来巡视宇宙。而可转动天线的视角将近180度，对特定深空目标的信号接受和发送会灵活得多。

难道祝融得了近视需要验光？不是，是祝融的光谱仪需要在火星环境中校准。祝融有不止一个的光谱相机，用来识别火表岩石和矿物。最显眼的是桅杆头部两个可见光地形三维相机中间的多光谱相机。它可覆盖的光谱包括可见光到近红外的9个波段，以便让祝融对巡视区附近的矿物岩石进行划分。为了对多光谱相机进行标定、以获取更准确的火表物质光谱，祝融的尾部装有一块定标板。上面有一突出物体，应该是发光二极管（LED）作为定标光源。在火星上，红外背景等的干扰和地球上的不同。在地球上标定好的多光谱相机，到了火星上就会“水土不服”。所以需要用定标板来进行校准，去除干扰。

在真空环境中，光谱仪的标定就不容易发生变化。在天问一号环绕器上也装有火星矿物光谱分析仪，获取火星表面可见光至中波红外宽谱段的光谱成像数据，也就是从400纳米到3400纳米。其不仅涵盖的谱段宽，而且光谱分辨率达4纳米（相当于看彩虹分辨出576个不同颜色），为矿物资源分布和火星地质环境的探测提供科学数据。火星矿物光谱分析仪采用推帚式成像。相比普通相机一次只看一个谱段的信息，推帚式成像可以同时看到576个谱段，然后就像扫帚一样随卫星运动向前扫动，得到不同位置目标的几何形状信息。为了把火星矿物的红外信号测得更准，研究人员突破了红外背景抑制、组合定标等关键技术，在地球上就用各种方式将火星矿物光谱分析仪校准好了。

除了多光谱相机，祝融上的火星表面成分探测仪带有对激光加温产生的等离子体观测的激光诱导击穿光谱仪（LIBS），覆盖从紫外到近红外的光谱（240-850 nm）。另外，表面成分探测仪还带了近红外光谱显微成像仪（SWIR）和微成像相机，都放置在反射镜下方的透镜底下，类似于一个大号的单反相机。SWIR覆盖850～2400 nm的光谱，用于矿物和岩石的仔细分析和识别。微成像相机的分辨率达900～1000 nm，可以获得探测目标的高空间分辨率图像。在桅杆上多光谱相机筛选出感兴趣的岩石矿物后，祝融再用SWIR对目标进行详查。确定了取样点后，微成像相机进行摄像和瞄准。然后固体激光器发出1毫秒左右的强脉冲，由LIBS光谱仪对所产生的等离子体进行记录，300毫秒内搞定。

对于相同的物质，一样的激光脉冲在火星上产生的等离子体和在地球上的也不同，所以也需要标定。美国2011年发射的“好奇号”火星车上有一台称为化学相机（ChemCam）的LIBS，安装了一个激光定标板。由于天问一号火星探测与法国建立了双向的数据开放合作，通过法方的牵线搭桥，同样规格的定标板这次也分别安装在了美国“毅力号”火星车和祝融上。在火星上，祝融将用激光在标准样本上打出的定标等离子体来校准LIBS光谱仪。

真没想到小小的火星车能直传地球，哪怕三亿公里的路损！16bps传信率，一颗赛艇！

最后聊一聊祝融的透视能力：次表层探测雷达和磁场探测仪。两种仪器的传感器都是成双成对，但却是有不同分工。次表层探测雷达有低频（55 MHz）和高频（1300 MHz）两个通道。低频通道探测火星地下100米的深度，分辨率米级。高频通道探测火星地下10米内的结构，分辨率厘米级。两者配合，用于研究火星表面和地下的土壤、冰层厚度和结构。每个通道有两个天线，一个发射电磁波，一个接受反射的电磁波。低频通道的天线为鞭状，而高频通道的天线为盒状。下图祝融在实验室中展示的时候，为了避免不小心的触碰，在祝融“辫子”上系上了红头绳。

祝融在火星巡游时，次表层探测雷达将雷达电磁波向火星地面发射。由于火星土壤非常干燥，电导率很低，大部分电磁波会透射进去。电磁波沿着这样的土壤一路向下，直到遭遇与火星土壤电导率显著有区别的界面时（水冰、金属等）被反射回来，被接收天线拾取到。这样，祝融就可以观察到火星地表下100米深度之内的次表层的地层特征，比如雷达波反射率很高的含水层、沉积层和矿物层。这些地层特征，可以帮助人类了解火星的地质历史，也为将来移民火星提供自然资源方面的资料。

祝融的桅杆上还安装了两个火星表面磁场探测仪的探头。之所以安装两枚探头，是因为祝融本来就是一个强的磁场源。两个探头位置不同，各自受到火星车造成的不同磁场干扰。但二者受环境磁场的影响是相同的，因此通过差分，可以提取环境磁场信息。如果想要测量火星相对很弱的环境磁场，必须要用电脑实时处理差分的算法，将祝融本身的磁场筛除掉。

通过火星表面磁场探测仪，祝融可以探测着陆和巡视区域的磁场，确定火星磁指数。还可以与天问一号环绕器上的火星磁强计一起，探测火星天然磁场跃变，了解火星内部局部构造。火星的核心虽冷却，不再制造强劲的偶极磁场，但岩石圈仍留下一些剩磁。这些岩石圈的剩磁大多来自于火星全盛时期的地质活动。祝融通过发现的磁场信息，兴许能够破解这些发生在地下深处数百千公里深直达火星内核的秘密。

祝融的磁场探测仪不仅对火星的地下可以进行深度透视，还可仰望天空。祝融头顶的太阳风在不断与火星的电离层发生着作用，不仅带动着电离层起起伏伏，同时也产生出各种磁场波动。对火星大气电离层的空间磁场和电流进行分析，可以帮助研究火星电离层电导率等特性。

前视（全色/黑白）

后视（彩色）

嗯，看了好几遍，真的是非常开心，咱这一次就全部成功说明技术确实刚刚的，火星这么远都一步到位，尤其是您前面贴说咱是地面控制站直接得到祝融回传的消息确定平安降落一切正常的，真的是没想到能这么远直接通信，我之前以为落下去就失联了，得等调试好了借助天问回传消息才能确定成功降落

祖国真的是不一样了，其他国家还在泥潭里挣扎的时候，咱的全系疫苗、空间站、火星探索啥啥都不耽误，一个全面兴盛崛起的国家给国民带来的不仅是一点自豪感，更重要的是心气的提升，咱能行，中国人能行！感觉想去放挂鞭庆贺一下！

感谢心大详细的解说，真的很长知识。最后，还是想向心大提个小白问题，为啥看上去这些火星车和平台之类的线路都暴露在外（感觉就像是没有机箱的主板上插着板卡和配件）。我的意思是据说火星上也有风暴，看照片上尘土很厚，那么这些器件不会受到天气以及沙尘的影响导致使用寿命减少吗？

晚上加鸡腿。

火星上风沙大，而祝融又是靠太阳能板取得电力的，如何解决尘土遮盖太阳电池片的问题？从祝融传回的照片看，太阳能板不是靠弹簧打开的，而是动作电机。这就说明太阳能板打开后还可以抬起来至任何角度直至合上。这和其它的火星车设计都不同。比如勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity）火星车的太阳能板打开后就不能再动了。那为啥祝融要这样设计呢？

他山之石可以攻玉，先来看看两位先锋的故事。勇气号和机遇号都是太阳能动力，个子比祝融小些，同样设计寿命都是三个月。勇气号2004年1月3日着陆火星表面，由于太阳能板的蒙尘，电力供应一直在持续下降。幸运的是，2005年3月和2009年2月的两次大风吹散了尘埃，从而其电力得到恢复。2006年，六只车轮中的右前轮失灵。2009年5月，在通过特洛伊沙地时，勇气号另一个轮子故障，无法动弹直至失联。其孪生妹妹机遇号运气更好，2004年1月25日着陆火星表面，在火星上跑了个马拉松，直至2018年6月被沙尘暴覆盖。

看来祝融在火星上最大的敌人是沙尘，大风虽然可以吹掉太阳能板上的蒙尘，却实在不可控还是扬尘的罪魁祸首。祝融把太阳能板竖起，上面的尘土就可以靠重力和风力共同的作用回归火表。火星上的尘埃很细，首先需要让它们不会“粘”太阳能电池片上。祝融的太阳能电池片表面用了“超疏基”微结构膜，减小了火星尘埃与电池板表面的摩擦，让尘埃像鸭毛上的水，很容易滚落（汽车防尘玻璃、防尘贴膜等都是这个原理）。在下面的实验中，右侧的表面采用了“超疏基”微结构膜，竖起来以后，大部分尘埃都滑落了，而左面常规表面上的尘埃就比较顽固。

为了防止电缆在太阳能板起竖过程中弯折掉落，祝融很贴心的提供了托架。玉兔1号的电缆在使用中掉落到下面，挂到岩石上，被弄断导致故障。玉兔2号吸取教训，采用了类似于祝融用的电缆托架，目前还在超期服役。祝融计划任务三个月，之后天问1号环绕器要执行其它任务，暂时不能作中继了。火星现在相当于初夏（今年正好和地球上的差不多），祝融完成3个月的探测任务后，北半球就是夏至、是最热的时候。之后，就要慢慢进入秋冬，天气也会逐渐变坏。祝融得先找个避风得地方，躲过沙尘暴，熬过多事之秋冬。等到天问一号完成其它火星探测任务，再回来团聚，这次祝融想玩多久就玩多久。而祝融在疗养时，白天天气好可以打开太阳能板获得电能和热量，晚上或天气不好时，则合上太阳能板窝起来。这样养精蓄锐，才能宏图大展。