北京时间2021年2月19日凌晨，美国航天局“坚毅”号火星车（Perseverance）成功降落在耶泽罗陨击坑（Jezero crater），成为第五辆成功着陆火星的巡视器，“好奇”号火星车也终于告别 的局面。

（注：当Perseverance的名字公布的时候，有国内自媒体翻译成“毅力”，后来大多数媒体都使用了这个中文译名。不过，考虑到探索火星的心路历程，尤其是美国对火星车命名的习惯与内涵，个人觉得“坚毅”一词更为贴切。目前中文名称还没有正式确认。）

“坚毅”号火星车着陆瞬间（来源：NASATV）

4时55分，地面收到火星车软着陆信号，4时58分，火星地平线就出现在美国航天局飞行控制室的大屏幕上了！这个效率着实了得。那么他们是如何做到的呢？

“坚毅”号避障相机拍摄的首张（批）照片（来源：NASATV）

秘诀就在于——“坚毅”号不是一个人在战斗！

众所周知，火星距离地球很遥远，今天的距离是2亿千米，探测器信号传回需要大约11分钟，从地面发回指令还需要再加11分钟。因此，在整个着陆过程中，地球人是无法实时控制火星车的，这一切只能靠“坚毅”号自己努力了。不过，它可以精确地知道自己的位置，并且，除了进入大气短暂的信号阻断，剩余时间都可以实时地将数据传回地球。

在地面上，美国航天局经过半个世纪的努力，打造了一个庞大的通信网络，叫做深空探测网（DSN，Deep Space Network）。主要有美国加州巴斯托、西班牙马德里附近和澳大利亚堪培拉附近三个站点。每个站点可以覆盖120°的张角，这样三个站点就几乎可以覆盖全天，可以对天空任何方向的航天器进行测控、通信和数据传输。它们当前与至少30个游弋在太阳系中的探测器保持通信。

DSN的布点（来源：NASA）

DSN的总体的信号接收能力从20世纪90年代以来并没有什么实质性的改良。然而，在数字信号处理、天线阵列和误差校正等方面取得了长足的进步。一个明显的标志就是旅行者1号现在距离我们已经达到227亿公里（152天文单位），但是依然能接收到它的微弱信号。所有站点都由中央信号处理中心远程操作，这些中心包含天线指向与控制、遥测数据接收与处理、导航数据生和指令发送等子系统组成。处理好的数据被传输到位于加州的喷气推进实验室（JPL）进行进一步处理，并通过现代通信网络分发给科学团队。

火星附近，现在已经有着仅次于地球的航天器数量，如何才能获得精准的航天器的定位，以及提高信号接收的效率呢？这就要求天线的指向性与信号的识别能力特别强。当前，在天线的波束宽度范围内，一个天线可以同时接收多个航天器的信号。这种能力被称为“单孔径多航天器”（MSPA）。目前深空探测网最多可以同时接收4个航天器信号，即MSPA-4。（不过一次只能有一个航天器获得上行链路）

DSN正在接收信号。其中MRO就是火星勘测轨道飞行器，M20就是搭载着“坚毅”号火星车的火星2020探测器。（来源：NASATV）

视线再转到火星。在“坚毅”号软着陆的过程中，还有两位好帮手，那就是 火星勘测轨道飞行器（MRO） 和 “马文”号（MAVEN） ，它们分别于2006年和2014年到达并环绕火星运行。其中，MRO承担了非常重要通信中继任务，它从“坚毅”号火星车那儿接收技术状态等信息，然后将转发到地球上的深空探测网络。为了迎接新队友加盟，MRO做了相应的调整，确保在“坚毅”号整个着陆阶段正好经过着陆区上空。在收到“坚毅”号的相关数据后，只需大约16秒的延时，它就能将数据重新封装为大约5秒钟的数据包发回地球。位于马德里附近的天线作为主力接收来自火星的信号，位于加州的天线作为支持与备份。（ ）

火星上空两个人造卫星，那就是火星勘测轨道飞行器（左）和“马文”号（右）同时承担中继通信和监测服务（来源：NASATV）

除了接受工程数据外，由于火星勘测轨道飞行器本身的设计就有图像捕捉和中继通信的功能，所以它可以迅速获取“坚毅”号着陆过程中避障相机获取的低分辨率图像（不是位于头部的全景相机）。并且，火星勘测轨道飞行器的数据传输速率达到了2Mbit/s，因此即便发送一张1024*768无损黑白图片（0.75MB），对它来说也毫无压力。

“坚毅”号火星车携带了多达23台相机。橙色圆圈标注了避障相机的位置。（来源：NASA）

此外“马文”号卫星在“坚毅”号着陆时也会飞经此地，也会接收与MRO相同的详细工程数据。不过，它捕捉的数据在到达地球时需要做些额外的处理，可能在着陆约10小时后才能解析出来。

正是在火星人造卫星、地球大天线阵列和计算机算法的“多兵种”配合下，才让我们有机会欣赏到来自2亿公里外的“准现场直播”。在登陆当天的晚些时候或第二天，还将有来自避障相机的立体图像、车轮的高分辨率图像、下降段俯瞰相机拍摄的图像等更多有趣的画面呈现在我们面前。“坚毅”号还带了2个麦克风，以后公众真的可以如身临其境般体验火星现场啦。

在直播结束后的飞行控制室。大屏幕上疑似在下降段中使用避障相机拍摄的火星表面图像。（来源：NASATV）

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