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，由中國科學院國家天文臺建設的70米天線（以下簡稱GRAS-4天線）高性能接收系統在天津武清成功進行了反射體的整體吊裝。該項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數據接收任務的關鍵設備。

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

欲探火星須先解遠距離信號傳輸難題

根據計劃，2020年我國將實施首次火星探測任務“天問一號”，目標是通過一次發射任務，實現“繞、落、巡”三大任務，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點地區進行巡視勘查，這也標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。從1961年以來至今，已實施的火星探測活動已經達到45次，但成功和部分成功的任務一共僅有22次。可以說，除月球之外，火星是最受關注的天體。

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。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發展服務。

然而，月球與地球的距離約為36～40萬千米，而火星距離地球為5600萬～4億千米，地火最遠距離約為地月距離的1000倍。“發射信號的衰減與距離成正比，相同發射功率的信號到達地球將非常微弱，而增大地面接收天線的口徑，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”

“火星探測對數據接收任務來說是一項嚴峻的挑戰，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，就不能完成數據接收的任務。”李春來介紹，與探月任務不同的是，本次探測火星任務中，數據接收模式由單天線接收改為多天線組陣模式。

按照計劃，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）等天線聯合觀測，同時接收數據，以達到最大的接收性能指標，再進行數據合成，從而提高星地鏈路傳輸碼速率，為我國獲得更多的科學數據和更有顯示度的科學成果提供堅實基礎。

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

將成為亞洲最大的單口徑全可動天線

按照計劃，GRAS-4天線于2018年10月開工建設，計劃于2020年竣工驗收。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據的接收能力，為完成我國首次火星探測工程任務以及后續的小行星、彗星等深空探測提供堅實基礎。

“口徑大、工期緊，從開工到驗收在短短不到兩年內完成，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，為保證工程和質量，技術團隊結合大天線施工的關鍵技術，建立了施工技術和進度管理緊密結合的管理體系，將天線基礎建設與天線研制并行工作，通過并行工藝盡可能縮短現場安裝時間；天線反射體則采用整體吊裝方案，與天線座架并行施工，天線伺服設備也提前進場，與天線結構后期同步施工。

本次整體吊裝完成，也意味著天線主體結構的基本完成。但吊裝完成后，后續將進一步完成外圍6圈剩余面板的鋪設，以及伺服系統、饋源網絡和制冷接收機等設備的安裝，還要進行一定時間的系統調試、校準和試運行，才能具備執行任務的能力。“預計到今年10月，GRAS-4天線將完全具備火星探測的數據接收能力。”李春來說。

【責任編輯：趙藝涵】