自1960年前苏联发射第一颗火星探测器火星一号至今，人类先后向火星发射了数十颗探测器，其中美国通过历次火星探测任务，先后实现了对其飞掠、环绕、着陆和巡视探测，获取了大量探测数据，让人类对火星这个神秘天体有了越来越深入的认识。
火星探测器家族
火星与地球间距离在8000万至4亿千米之间变化，受到发射能力限制，为尽可能的节省能量，就需要选择合适的时机发射火星探测器。发射时机是由地球和火星绕太阳运动的基本规律所决定的。地球绕日运动一周得时间约为365.242天，火星绕日运动一周的时间约为689.980天。对于地火转移轨道而言，当地球和火星相对位置关系满足图2时，发射所需能量最小，此时就是最佳发射时机，该机会约每780天（26个月）出现一次，即火星探测任务的发射窗口。利用霍曼转移轨道（发射能量要求最小）就能使探测器在最佳条件下进入环绕火星飞行的轨道。目前最近的一次地火转移机会就在2020年7月至8月，而下一次机会则就要等到2022年的下半年了。
地火霍曼转移轨道示意图
受到飞行距离远、信号时延大、飞行动态高、飞行过程复杂等因素影响，对火星探测器的测控通信与近地、月球探测器在工作频率、测控通信设备配置、使用模式等方面都有很大不同。今天就让我们来了解一下火星探测中天地测控通信设备配置和使用吧。
为了解决远距离带来的各种难题，地面必须采用深空测控设备完成探测器的上行指令发送、下行数据接收和轨道测量等工作，必要时还将使用天线组阵技术，以提高测控性能。深空测控设备通常具备以下主要特点：
天线口径大：目前国际上用于深空测控的天线口径最大达到70m；
接收灵敏度高：通常优于-200dBW；
系统内部噪声温度低：采用低温制冷等技术，低至几十K；
发射功率高：能够达到数十乃至数百千瓦；
能够支持S/X/Ka等多个频段的全功能测控。
与地面深空测控设备配合，探测器上也配置了高性能的深空应答机。通常具有以下主要特点：
大口径天线：高增益天线口径达到数米，如美国火星勘察轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上配置的高增益天线口径就达到了3m；
高性能应答机：接收灵敏度优于-150dBm；
高功率发射机：发射功率达到几十、上百乃至千瓦级；
多种类型应答机和天线：具备S/X/Ka和UHF频段等通信能力，适应各任务阶段需求；
中继通信：配置中继转发器，实现火星表面探测器数据的中继高速传输。
地面与火星探测器之间的测控通常有两种方式：
直接通信：地面深空测控设备与探测器测控设备直接建立通信链路，完成数据收发和轨道测量；
中继通信：地面深空测控设备通过在轨飞行的中继星（配置中继终端）接力，完成与其他探测器（环绕器或火星表面探测器）的数据收发和轨道测量。
图3给出了美国NASA深空网（Deep Space Network，DSN）与其火星探测器之间的两种通信方式。
图3NASA深空网与火星探测器的通信方式示意图
以下让我们来了解一下美国好奇号火星科学实验室的通信设备配置和器地通信过程。
好奇号火星科学实验室于2011年11月26日，在美国佛罗里达州卡那维拉尔角发射中心利用阿特拉斯Ⅴ运载火箭发射升空，先后经历发射段、巡航段、进入下降着陆（Entry, Descent, and Landing，EDL）段，并于2012年8月6日成功着陆于火星盖尔撞击坑。
好奇号主要由巡航级、背壳、下降级、漫游器和防热大底五部分组成，主要利用X和UHF频段完成控制、监视、测量和导航等工作。好奇号在巡航级、降落伞锥、下降级和漫游器上均配置了测控通信设备；其中，在巡航段、EDL段和火星表面工作期间通过X频段与地面深空测控设备通信，在EDL段和火星表面工作期间探测器与环绕火星轨道器之间的中继通信通过UHF频段完成。
图 4 火星科学实验室主要组成分解图
好奇号X频段对地通信
好奇号下降级和漫游器均配备了1台X频段小型深空应答机。见图5所示。
巡航段使用下降级上的X频段设备，包括小型深空应答机（Small Deep Space Transponder，SDST）和行波管放大器（Travelling Wave Tube Amplifiers，TWTA），巡视器上的X频段设备包括SDST和固态功率放大器（Solid-State Power Amplifier，SSPA）作为备份；巡航段和EDL最初阶段使用巡航级上的X频段中增益天线（Medium-Gain Antenna，MGA）和降落伞低增益天线PLGA（Low-Gain Antenna，LGA）。MGA增益较大、波束宽度较窄；PLGA的波束宽度较大，增益较小。在任意给定时段，选择使用MGA和PLGA中的1副天线。
EDL开始时，首先弹射出连同MGA一起的巡航级，按序选择PLGA、TLGA（降落伞斜装低增益天线）和DLGA（下降级低增益天线），此时仅进行下行通信；在倾斜机动时，使用TLGA，以最大限度地保持对地通信链路；背板分离时，降落伞椎体已脱离，TLGA也随之舍弃。剩余的动力下降过程利用DLGA保持下行链路，当背板分离时DLGA开始发送信号。
漫游器着陆时，绳索被切断，下降级飞离。由于SDST、TWTA和DLGA均位于下降级上，因此无法有效利用这些设备，同时此刻地面深空测控设备对漫游器已不可见。巡视器的X频段测控设备在EDL结束后首次使用。
图 6 火星着陆过程示意图（好奇号火星科学实验室
好奇号UHF频段通信
UHF频段（Ultra High Frequency，UHF）主要用于好奇号与火星环绕器之间的中继数据交互，进而由环绕器将数据转发地面。前向链路频率范围435 —450 MHz，返向链路频率范围390—405 MHz。好奇号EDL期间，所有三个UHF天线都要使用：从巡航级分离到背板展开期间使用PUHF天线（降落伞UHF天线），动力下降期间使用DUHF天线（下降级UHF天线），空中起重机工作期间及其后（从着陆后1min至火星表面任务结束）使用漫游器上的RUHF天线（下降级UHF天线）。DUHF天线的同轴转换开关(D-UTCS)可以在DUHF和PUHF天线间选择，RUHF天线同轴转换开关(R-UTCS)在RUHF和DUHF天线间选择，如图7所示。
好奇号在火星表面巡视探测期间主要利用环绕火星飞行的轨道器完成对地中继通信，轨道器与地面之间采用X或Ka频段通信，通信过程示意见图8。
图8 好奇号探测器中继通信过程示意图（以火星勘察轨道器为例）
数据中继是火星表面探测器在火星表面工作期间对地科学探测数据的主要方式。目前环绕火星运行并可用于火星表面探测器中继通信的轨道器主要包括NASA的火星奥德赛、火星勘察轨道器（MRO）、火星大气与挥发物演化探测器（MAVEN）以及ESA的火星快车和痕量气体轨道器等，见图9所示。
图9 现有用于火星表面探测器中继通信的轨道器
承担中继任务的轨道器均配置了UHF收发信机、中继转发设备和高性能对地通信设备。如：NASA的火星勘察轨道器，它携带了一幅口径3m的高增益天线，发射功率达到102W（X频段）和35W（Ka频段），用于对地的高速数据传输；ESA的痕量气体轨道器携带了一幅口径2.2m的高增益天线，最大发射功率达到65W。这些配置都有效保证了火星环绕和表面探测期间的科学探测数据输出，为任务实施提供保障。
NASA深空测控支持设备
NASA执行好奇号测控任务的地面测控设主要包括其位于戈尔德斯通、勘培拉和马德里70m和34m天线组成的深空网。虽然NASA的许多深空任务都可以使用多个34m天线组阵提高以下行接收能力，但火星距离地面的距离并不算特别遥远，利用现有设备能够满足上下行数据传输需求，因此在任务中没有使用天线组阵技术。NASA深空网主用设备见图10所示。
为了适应我国月球和火星等深空探测任务需求，经过科技人员的刻苦攻关，我国已建成了包括佳木斯66m、喀什35m和阿根廷35m三个深空测控站在内的全球布站的深空测控网（如图11所示），各项技术指标达到国际先进水平，使我国成为第三个具有全球布站深空网的国家。
2020年是火星探测活动的窗口期，火星探测将成为今年国际航天发射活动中的绝对亮点。7月，我国首个火星探测器将出征奔向深空，包括环绕器和着陆巡视器，将一步实现火星绕、落、巡探测，其中环绕器环绕火星开展科学探测并为巡视器提供中继通信服务，着陆巡视器在火星表面开展巡视勘察。届时，也将利用我国的深空测控网为其提供测控支持，首次实现对数亿千米探测器的遥测、遥控和轨道测量。让我们共同祝愿她顺利登陆火星，为我们上演一部中国人导演的火星探测大片。
图12 我国首个火星探测器示意图
