科技猎【书评】今年是火星探测器的最佳发射窗口
作者：彼得里·劳尼艾宁
出版时间：2020年5月
“带我去火星”
4月29日，美国航天局（NASA）宣布将执行“火星2020”任务的火星直升机命名为“机智”号（Ingenuity）。这个名称来自亚拉巴马州的中学生瓦妮扎·鲁帕尼，她的提议从全美2.8万名中小学生的投稿中胜出。
而在此前的3月5日，NASA宣布新一代火星车定名为“毅力”号（Perseverance），这个名称同样来自一名13岁的中学生。
安装在“毅力”号火星车上的“机智”号火星直升机 图/NASA
“火星2020”是NASA目前最重要的两个项目之一（另一个是商用载人飞船）。根据计划，“机智”号将在7、8月间与“毅力”号一起从卡纳维拉尔角空军基地发射升空，预计2021年2月18日登陆火星赤道以北的耶泽洛陨石坑。
“机智”号的任务是在火星上进行首次动力飞行测试的技术演示，“毅力”号则负责寻找曾经存在过的生命迹象并收集土壤样品。这些样品将储存在密封设备中留在火星表面，等待今后到达火星的航天器带回地球。
2019年5月，NASA曾举办过一次“送名字上火星”（Send Your Name to Mars）的活动。航天爱好者在活动网站提交自己的姓名和国籍后，会得到一张系统生成的火星“登机牌”。
这次活动的参与者超过1093万，人数最多的4个国家是土耳其、印度、美国、中国。参与者的姓名被蚀刻在硅芯片上，将随“毅力”号一起前往火星。“登机牌”右下角还特别注明，本次飞行累积的里程数是504 668 791千米。
Quick Facts
发射窗口：2020年7月17日至8月5日
发射地点：卡纳维拉尔角空：2021年2月18日（预计）
着陆地点：火星耶泽洛陨石坑
火星“登机牌” 图/NASA
今年夏天是火星探测器的最佳发射窗口
除“火星2020”外，今年还有两个火星探测任务蓄势待发，即中国的“天问一号”任务和阿联酋的“希望号”任务，2020年可谓“探火扎堆年”。原因很简单：今年夏天是火星探测器的最佳发射窗口。
发射窗口之所以重要，是因为在此期间发射探测器能节省燃料。毕竟探测器的空间有限，需要选择燃料消耗最少的方式前往火星。
为此，探测器先在地球附近加速，进入称为“霍曼转移轨道”的椭圆轨道；到达火星附近时再减速，被火星捕获后环绕其运行。这样一来，途中只需进行两次推进操作就能到达火星，从而最大限度减少了燃料消耗。
由于探测器沿霍曼转移轨道从地球前往火星的航行时间是不变的，因此在选择探测器的发射时间时，地球与火星的相对位置必须满足一个要求：霍曼转移轨道的远日点正好与火星的公转轨道相交。
也就是说，当探测器到达椭圆轨道的远日点时，火星应该恰巧“等”在那里。这样的机会大约每26个月出现一次，如果错过则只能再等26个月。
注意，探测器的发射窗口并不是地球与火星相距最近的时候，因为探测器不是沿直线、而是沿椭圆轨道（霍曼转移轨道）前往火星的。
从地球到火星的霍曼转移 图/科普中国
在好评如潮的太空模拟游戏《坎巴拉太空计划》（KSP）中，玩家需要掌握霍曼转移才能操作航天器从一颗行星飞往另一颗行星。《坎巴拉太空计划》也引起了航天机构的兴趣，NASA的科学家和工程师协助游戏开发商设计了火箭以及执行任务所需的工具。
霍曼转移：轨道升高 图/ KSPedia
霍曼转移：轨道降低 图/ KSPedia
“萤火一号”：出师未捷
除“火星2020”外，今年夏天最受关注的航天活动当属中国首次火星探测任务“天问一号”。但“天问一号”并非中国探测火星的首次尝试，如果2011年的“萤火一号”任务没有失败，我们探索星辰大海的脚步可能会快很多。
“萤火一号”属于中俄航天合作项目之一。当时俄罗斯正在积极推进“福布斯-土壤”任务，这是自苏联解体以来俄罗斯首次总体规划的火星探测任务。
根据原先的计划，“萤火一号”探测器将搭乘俄方运载火箭进入火星轨道，然后自主开展火星空间环境的探测任务。而“福布斯-土壤”探测器将在“火卫一”表面着陆，采集土壤样品后返回地球。
“福布斯-土壤”和“萤火一号”构型 图/拉沃奇金设计局
不过俄罗斯的技术积累并不尽如人意，加上航天部门预算不足，因此很长一段时间以来没有实施火星探测。俄罗斯的上一次火星探测任务还要追溯到1996年。
当时搭载“火星96”探测器的“质子号”运载火箭第四级点火失败，火箭和探测器最终坠入太平洋。航天界调侃“火星不属于俄罗斯”，但火星探测的难度极大，失败也是平常之事。
“萤火一号”原计划于2009年10月发射。但在发射前，俄罗斯以确保项目可靠性为由将发射时间延后两年。当地时间2011年11月9日，携带“萤火一号”的“福布斯-土壤”探测器从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场升空，但不久后就从测控网中消失。
测控中心后来发现，“福布斯-土壤”探测器与火箭分离后未能成功变轨，被困在地球向火星过渡的椭圆轨道上，最终于2012年1月15日坠入太平洋。
求人不如求己，“萤火一号”任务失败后，中国决定自主进行火星探测。但“萤火一号”只是一颗“搭便车”的微小卫星，只负责进入火星轨道开展探测。
而现在从运载火箭、轨道器、着陆器、火星车到深空测控网，全部需要独立完成。这就如同原本只是搭车前往目的地，现在却要自造一台车一样，难度可想而知。
日月安属？列星安陈？
2016年1月11日，中国火星探测任务正式立项。2020年4月24日，中国首次火星探测任务定名为“天问一号”。这个名称征集自全球近3.6万份投稿，“天问”从最终入围的8个候选名称中脱颖而出。
“天问一号”着陆器和火星车组合 图/国家航天局
“萤火”任务原计划分四个阶段完成“绕”、“落”、“巡”、“回”，而“天问一号”将一次性完成“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在航天史上尚无先例。
仅以“落”为例，所有火星探测器都要经历“恐怖7分钟”的考验。探测器进入火星大气时的速度约为每秒2.1万千米，而速度需要在7分钟内降至零。由于通信延时较长，因此探测器只能依靠事先注入的指令下降和着陆，且必须自行处理遇到的所有问题。
2012年登陆火星的“好奇”号火星车利用“天空发动机”着陆 图/NASA
根据计划，“天问一号”将在7、8月间从海南文昌搭乘“胖五”升空，预计2021年4月23日在火星乌托邦平原着陆，这里也是当年“海盗二号”探测器的着陆地点。
乌托邦平原的直径约为3300千米，是太阳系最大的撞击坑。“天问一号”目前选定的两个着陆点在埃律西昂山附近，面积约为40千米×100千米。
2300年前，屈原在长诗《天问》中发出“日月安属？列星安陈？”的慨叹。再过两个多月，“天问一号”就将踏上征程。
Quick Facts
发射窗口：2020年7月23日至8月5日
发射地点：文昌航天发射场101工位
运载火箭：长征五号遥四
着陆时间：2021年4月23日（预计）
着陆地点：火星乌托邦平原
地火通信如何进行
那么，数据如何从火星传回地球呢？地火通信目前以微波或激光作为传输介质，使用中继通信模式。比如在“天问一号”任务中，轨道器将为着陆器和火星车提供中继通信链路。
每次执行火星探测任务时，探测器的通信系统设计都是一项耗时费力的工作。因此科研人员设想在今后构建一种由多颗中继卫星组成的火星全球定位系统，以承担通信任务。
简单来说，火星车将数据发送给环火中继卫星，中继卫星进入与地球通信的区域后，再通过微波或激光将数据发送给地球接收系统（环地卫星或地面站）。
由于两颗行星的相对运动，地火之间的通信延时随时都在变化。如果“天问一号”按计划在2021年4月23日登陆火星，那时地火之间的距离约为2.94亿千米，地球发出的指令经过16.32分钟才能到达“天问一号”，需要等待同样的时间才能收到“天问一号”的回复，而信号衰减尚未考虑在内。
2021年4月23日地火单向通信延时示意图 图/星际移民中心
当地球与火星相距最近时，单向通信延时约为3.5分钟；而当地球与火星相距最远时，单向通信延时将达到22分钟。相比之下，信息从地球传至月球仅需1.3秒。从这个意义上说，月球可谓“近在咫尺”。
在电影《火星救援》中，男主角最初通过火星探测器的摄像机接收来自地球的信息，双方利用十六进制相互通信：男主角在探测器周围插上一圈写有数字0到9、字母A到F的牌子，摄像机指向哪个牌子就记下相应的字符，然后对照ASCII表解读信息。
接收来自地球的信息 图/《火星救援》
为什么采用十六进制而不是十进制或二进制呢？因为ASCII定义了128个字符，表示同样一个字符时，十六进制比十进制或二进制使用的比特数更少，摄像机转动的次数因而更少。毕竟地球与火星之间的通信延时太长，摄像机转动的次数越多，接收完整信息需要等待的时间就越长。
ASCII表
如果采用十进制接收信息，那么摄像机需要转动3次才能表示一个字符（000到127）。比如我们希望发送“How”，这3个字母的十进制值分别为072、111、119，所以摄像机一共需要转动9次。
如果采用二进制接收信息，那么摄像机需要转动7次才能表示一个字符（0000000到1111111）。同样以接收“How”为例，这3个字母的二进制值分别为1001000、1101111、1110111，所以摄像机一共需要转动21次。
而采用十六进制时，摄像机仅需转动2次就能表示一个字符（0x00到0x7F）。“How”这3个字母的十六进制值分别为0x48、0x6F、0x77，所以摄像机只要转动6次即可。
关于《无线通信简史》
地火通信并非《无线通信简史》重点讨论的内容，但探寻电磁波的发展历程是一件很有意思的事情。麦克斯韦建立电磁场理论后，赫兹率先通过实验证实了电磁波的存在。
他的实验意义非凡，但赫兹最初并未意识到电磁波在通信中的巨大潜力，他认为电磁波可能“毫无用处”。这位德国物理学家没有想到，无线通信技术不仅彻底改变了人类的日常生活，也从根本上改变了世界历史的进程。
在移动通信领域，诺基亚曾经是当之无愧的王者。从1997年到2011年的14年间，这家芬兰电信巨头牢牢占据全球手机销量第一的宝座。鼎盛时期的诺基亚为芬兰贡献了4%的国民生产总值和25%的出口额，芬兰也一度被称为“诺基亚王国”。
所以由前诺基亚副总裁来梳理这段波澜壮阔的无线通信发展史，或许能为读者提供观察问题的另一个视角。作为业界知名的通信专家，彼得里·劳尼艾宁是诺基亚历史的见证者，他以引人入胜的笔法描述了诺基亚的迭起兴衰。
从无线电、电视、手机、卫星导航、身份识别、Wi-Fi到5G，如今无处不在的移动生活，或许都能追溯到150年前那个“毫无用处”的发现。
【钛媒体作者介绍：本文内容来自于《无线通信简史：从电磁波到5G》的译者蒋楠。他出身电子与计算机工程专业的产品经理，多年来致力于产品开发与软件架构规划，对算法与数据密集型应用同样兴趣浓厚。业余科技图书译者，严肃马拉松跑者。
本书的作者彼得里·劳尼艾宁 ，是前诺基亚副总裁、诺基亚巴西研发中心首席技术官，目前担任初创企业Datumize首席技术官。作者在通信行业浸淫30余年，是业界知名的通信专家，对计算机和移动通信的发展拥有深刻洞见。】
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