祝融登陆火星,试图解答几个小问题

2021-05-20
4分钟阅读时长

祝融号火星车成功着陆火星北半球乌托邦平原,历史性的实现了绕落巡三步并作一步。喜大普奔。有几个小疑问,尝试回答一下。

Touchdown

火星上成功着陆

2021-05-23-09-51-07-5月15日同天拍摄的火星

乌托邦平原是火星上最大的平原。火星多山,可以看到南半球几乎全是坑坑洼洼。

2021-05-23-10-33-15-火星地表

火星上怎么确定位置

在地球上,通过全球卫星导航系统,随时随刻只需要知道经纬度信息便可以在地球表面确定一个精确的点。很多时候,光知道点的二维位置还不够,比如在魔幻的重庆,这时候就需要进行三维定位,需要知道经纬度以及高度信息。这都不是问题,毕竟地球上有地理坐标系。 地理坐标系有个本初子午线,即0度经线,通过英国格林威治天文台。为啥是英国?和很多问题的答案一样,为什么第一次工业革命最早发生在英国?为什么圈地运动发生在英国?为什么鸦片战争是和英国打?……说到底,英国打败西班牙无敌舰队成为了海上霸主,通过殖民海外、黑奴贸易、掠夺资源,积累了工业化最早的资本。号称日不落帝国。那个年代,大英帝国的实力独步蓝星,于是乎,格林威治成了原点。

那火星呢?

1830-32年间,德国天文学家W. Beer和J. H. Mädler在测量火星自转周期时在火星上选择了一个点“A”作为参考点。然后意大利天文学家G. Schiaparelli在1877年做火星地图时也采用了这个参考点“A”用作火星零度经线。

Giovanni Schiaparelli 1877年左右绘制的火星地图

再然后法国天文学家 Camille Flammarion又把这个参考点称为Sinus Meridiani。这个点上一个陨石坑Airy被选做了原点。 1972年水手9号绘制了分辨率达1米的图像,精度提高,也就需要更加精确的定义,于是在Airy陨石坑中再选了一个Airy-0号小陨石坑用于标定原点位置。然后水手9号和维京1号对Airy-0拍了照片,此后火星的坐标绘制就基于这些信息了。 下图中Airy-0就是上面的那个坑,A是水手9号拍摄,B是维京1号,C是Mars Global Surveyor。

Airy-0

这Airy又是谁呢?是英国天文学家,负责设计建造了格林威治的子午仪,这个地球的本初子午线也就基于这个东东选择的。看来地球和火星还真是一家人呢。

为什么隔了几天才传图片视频

祝融号5月15号降落,隔了好几天视频和照片才公布,而且还是黑白照片,也不清晰,咋回事?毕竟老美的毅力号能这么快公布图片和视频了。

来来来,这就扯到了通信系统的组成了,毕竟相隔了3亿公里,通信可不能靠吼,更何况星际通信

一个简单的通信系统模型如下:

通信系统模型

简化再简化,可以认为火星车就是原点及发送器,地球上的深空站就是接收器。这还少了个传输系统不是?是,也不是。

星际通信的传输系统,没有DSL,没有Cable也没有光纤,纯无线电

无线电的信号衰减与距离平方成正比,由于衰减的厉害,为了保证可靠的信息传输,通信效率就较低了,毕竟需要各种信道和信号编码,实际有效负载就减少了。

祝融号火星车装备了UHF和X波段天线。其中X波段链路可以直接对地通信,速率大概16bps(一秒钟两个字节)。回忆一下拨号上网时64Kbps的体验吧。因此这个波段主要用于状态监测和控制。同时由于火星的自转,一旦火星车所在位置背对地球,就没辙了。咋整?鹊桥号就是答案。

UHF波段主要用于大量数据传输,但是传输距离有限,需要中继器。鹊桥号在嫦娥和地球之间搭建了一个通信中继系统。火星也同样需要这种中继系统。天问一号回到中继轨道,也能干这事。

中继器就好像人造卫星,除非是同步静止卫星,不然都无法保证全天(全火星天)在祝融号上空。更何况同步静止卫星还不好用,因为还是碰到了火星自转到地球背面的问题。天问1号中继器的轨道周期是8小时,也就是说,每隔8个小时才会机会经过祝融号上空进行信号收发。

再然后,地球和火星的自转导致不是随时随地天问一号都能向地球发送信号,毕竟我们的深空探测网络还不是那么强大。

2021-05-23-11-01-22-全球深空网

祝融发回来的图片好像清晰度也不高嘛,还是黑白的。唔,好像也说不过去,几十年前老美拍的照片就比这清晰多了。其实也好说,这两张照片的作用不是为了拍风景照,而是为了下一步祝融号的行动做决策用的,因此必须在最少的传输带宽占用前提下提供尽可能多的信息,所以,广角约广越好,同时清晰度只要足够用于判断祝融号前方有没有不可翻越的障碍物。

2021-05-23-11-02-07-前视

然后这个自拍,也是为了告诉地球上的工程师自身的状态怎么样,有没有在降落的过程中磕磕碰碰。

2021-05-23-11-02-22-自拍

再来看为什么老美这么快能传回来?毕竟老美去火星几十年了,轻车熟路,手里一堆数据资料,而且毅力号至少可以四个中继器,再加上地球上遍布全球的深空网。这好多都是冷战时不计成本的砸钱砸出来的。

任重道远。

最后,强烈推荐南华早报的报道页面(最后一个参考连接),设计绝佳。

参考