青羊新闻:极简科学课 | 揭秘我国首个深空天线组阵系统

“‘天问一号’要给火星拜年啦！”截至2月3日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器总飞行里程已超过4.5亿公里，预计将于2月10日左右（即除夕前后）进行近火制动（俗称“刹车”），开启环绕火星之旅。

目前，火星距离地球约1.9亿公里。“天问一号”要保持和地面的联系畅通、顺利执行相关任务，离不开它的好帮手、我国首个深空天线组阵系统的帮助。

夜空下的喀什深空站天线组阵系统（来源：“我们的太空”官微）

经过近两年的建设，该系统已在西安卫星测控中心喀什深空站正式建成，并在去年底正式启用，参与了“天问一号”“嫦娥四号”“嫦娥五号”等多项任务。

该系统新建的3座35米口径天线与喀什深空站原有的1座35米天线组成4*35米的深空天线组阵系统，提高了地面系统对深空探测器下行数据的接收能力，为我国执行各类深空探测任务提供有力测控支持。

测控天线究竟有什么用？组阵系统到底有哪些优势？从事深空测控工作感触最深的是什么？带着相关问题，记者日前专访了北京跟踪与通信技术研究所研究员李海涛，他是我国深空测控系统的主要设计者之一，也是“嫦娥四号”和“天问一号”的测控系统总设计师。　　

从“嫦娥一号”到“嫦娥五号”，各项任务测控系统的设计与任务实施，李海涛均参与其中，并荣获“嫦娥三号任务突出贡献者”称号。

记者：测控天线的工作原理是怎样的？它在深空探测中主要发挥什么作用？

李海涛：测控天线主要是实现无线电波的能量汇聚，通过抛物面天线面获得有效接收面积。面积越大，汇聚的能量就越多，天线的增益也就越高，或者说性能就越好。在测控实施过程中，无论是向航天器发射信号还是接收航天器发射的信号，都是通过地面测控天线来完成的。比如，深空测控站的35米天线，就能够接收遥远深空探测器发送的下行信号，天线接收到信号后经过放大和变频，然后送到基带设备进行处理，解调出有用的信息；反之，基带产生的控制指令信号经过上变频和高功率放大之后，经过35米天线辐射出去，发送到航天器。

可以说，大口径天线是深空测控系统的核心关键部件，是系统的“头”，信号的进出都要经过这个“头”，核心任务是完成信号和电磁辐射的转换。

记者：测控天线的性能取决于哪些因素？是越大越就越好吗？

李海涛：测控天线的增益指标主要由天线口径决定，口径越大理论的增益也就越大，但口径越大天线的支撑结构也就越复杂，重量也越重，造价也更高，也导致天线转动的速度会更慢。同时，随着天线口径的增大，其波束宽度与天线口径成反比，也就会变得越窄，天线指向目标的精度要求也就越高。

因此，不是说越大越好，要根据实际需求折衷考虑。测控天线对转速和跟踪指向精度都有要求，必须要保证天线能够准确指向需要跟踪的卫星或深空探测器，并保持连线的跟踪。这也是深空测控的天线最大只有70米，更强的接收能力要依靠多天线组阵来实现更大的等效口径的原因。

记者：深空天线组阵系统和单个大口径测控天线相比，具有哪些突出优势？

李海涛：天线组阵技术是利用分布在不同地方多个的天线组成天线阵列，接收来自同一深空探测器发送的信号，并将来自各个天线的接收信号进行合成，从而获得所需的高信噪比接收信号，是探测器高增益天线故障或进入安全模式时下行接收的有效解决方案，也是未来深空测控通信技术的一个重要发展方向。

天线组阵可以增加口径效率，能够超过现有的最大口径天线，在需要的时候为某个任务提供支持；提供了更高的系统可用性、维护的灵活性和工作的可靠性，常规的预防性维护可以在轮换使用不同天线的基础上实现，使系统能全时全功能工作；还可以提高系统的可操作性和计划的灵活性，根据不同任务的需求设计不同的组阵方案和工作计划安排。此外，天线组阵可以通过使用更小口径的天线来实现降低成本，并减少用于备件的费用。

工作中的天线组阵系统（来源 “我们的太空”官微）

记者：系统正式启用后，在“天问一号”、“嫦娥五号”月面采样返回等相关任务中发挥了哪些作用？