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GRAS-4天線建成后的效果圖 國家天文臺供圖

在剛剛過去的第五個“中國航天日”，我國首次火星探測任務(wù)被命名為“天問一號”。“天問一號”屆時將與地球相距4億公里之遙，為保障探測信號的接收，4月25日，由中國科學(xué)院國家天文臺建設(shè)的70米天線（以下簡稱GRAS-4天線）高性能接收系統(tǒng)在天津武清成功進(jìn)行了反射體的整體吊裝。該項(xiàng)目建成后將成為亞洲最大的單口徑全可動天線，是完成火星探測器科學(xué)數(shù)據(jù)接收任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備。

我國為何會選擇火星作為行星探測的第一站？70米天線有何獨(dú)特之處？將發(fā)揮怎樣的作用？中科院國家天文臺副臺長、中國首次火星探測工程副總設(shè)計(jì)師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮李春來作出了解答。

欲探火星須先解遠(yuǎn)距離信號傳輸難題

根據(jù)計(jì)劃，2020年我國將實(shí)施首次火星探測任務(wù)“天問一號”，目標(biāo)是通過一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”三大任務(wù)，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行巡視勘查，這也標(biāo)志著我國行星探測的大幕正式拉開。

為何選擇火星？李春來表示，火星是在太陽系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一，一直以來都是人類深空探測的熱點(diǎn)。從1961年以來至今，已實(shí)施的火星探測活動已經(jīng)達(dá)到45次，但成功和部分成功的任務(wù)一共僅有22次。可以說，除月球之外，火星是最受關(guān)注的天體。

中國首次自主火星探測不僅在于探究火星生命的存在和演化過程等問題，更可以借此了解地球的演化歷史和預(yù)測地球的未來變化趨勢，同時也為人類開辟新的生存空間尋找潛在的目標(biāo)。探測和研究火星，最終目的是為了地球和人類，是為人類社會的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

然而，月球與地球的距離約為36～40萬千米，而火星距離地球?yàn)?600萬～4億千米，地火最遠(yuǎn)距離約為地月距離的1000倍。“發(fā)射信號的衰減與距離成正比，相同發(fā)射功率的信號到達(dá)地球?qū)⒎浅Ｎ⑷酰龃蟮孛娼邮仗炀€的口徑，也就是接收面積，是提高信號信噪比的基本途徑，這正是修建GRAS-4天線的原因。”李春來說。

多天線組陣模式保障信號“捕捉”

“火星探測對數(shù)據(jù)接收任務(wù)來說是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從火星來的信號衰減非常厲害，信號非常弱，沒有這個大口徑的天線，就不能完成數(shù)據(jù)接收的任務(wù)。”李春來介紹，與探月任務(wù)不同的是，本次探測火星任務(wù)中，數(shù)據(jù)接收模式由單天線接收改為多天線組陣模式。

按照計(jì)劃，GRAS-4天線將與北京密云站GRAS-1（50米口徑）和GRAS-3（40米口徑）、云南昆明站GRAS-2（40米口徑）等天線聯(lián)合觀測，同時接收數(shù)據(jù)，以達(dá)到最大的接收性能指標(biāo)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，從而提高星地鏈路傳輸碼速率，為我國獲得更多的科學(xué)數(shù)據(jù)和更有顯示度的科學(xué)成果提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

了解到，本次吊裝成功的GRAS-4天線總重約2700噸，相當(dāng)于3個40米天線，高72米，主反射面直徑70米，由16圈共1328塊高精度的實(shí)面板組成，面積相當(dāng)于9個籃球場大小。它采用了很多新的技術(shù)，如傘性結(jié)構(gòu)反射體支撐、主副反射面修正賦型技術(shù)和多頻段組合設(shè)計(jì)技術(shù)，在提高天線效率的同時減少了系統(tǒng)噪聲，提高了抗干擾能力，除能接收火星探測的數(shù)據(jù)外，還能接收其他行星或其他深空探測的數(shù)據(jù)。

將成為亞洲最大的單口徑全可動天線

按照計(jì)劃，GRAS-4天線于2018年10月開工建設(shè)，計(jì)劃于2020年竣工驗(yàn)收。李春來介紹，天線建成后，將成為亞洲最大的單口徑全可動天線，能夠大幅度提高我國深空探測下行數(shù)據(jù)的接收能力，為完成我國首次火星探測工程任務(wù)以及后續(xù)的小行星、彗星等深空探測提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“口徑大、工期緊，從開工到驗(yàn)收在短短不到兩年內(nèi)完成，對于全國甚至亞洲最大的全可動天線來說是不可想象的。”李春來說，為保證工程和質(zhì)量，技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合大天線施工的關(guān)鍵技術(shù)，建立了施工技術(shù)和進(jìn)度管理緊密結(jié)合的管理體系，將天線基礎(chǔ)建設(shè)與天線研制并行工作，通過并行工藝盡可能縮短現(xiàn)場安裝時間；天線反射體則采用整體吊裝方案，與天線座架并行施工，天線伺服設(shè)備也提前進(jìn)場，與天線結(jié)構(gòu)后期同步施工。

本次整體吊裝完成，也意味著天線主體結(jié)構(gòu)的基本完成。但吊裝完成后，后續(xù)將進(jìn)一步完成外圍6圈剩余面板的鋪設(shè)，以及伺服系統(tǒng)、饋源網(wǎng)絡(luò)和制冷接收機(jī)等設(shè)備的安裝，還要進(jìn)行一定時間的系統(tǒng)調(diào)試、校準(zhǔn)和試運(yùn)行，才能具備執(zhí)行任務(wù)的能力。“預(yù)計(jì)到今年10月，GRAS-4天線將完全具備火星探測的數(shù)據(jù)接收能力。”李春來說。

【責(zé)任編輯：趙藝涵】