毅力号三分钟传回首图，祝融号为何要等4天？差距比想象中更大

　　5月15日，天问一号着陆器携带祝融号火星车成功落火，祝融号传回了遥测信号，标志着我国火星探测实现了新的里程碑。但稍有美中不足的是，我们在第一时间知道着陆成功了，但却只是收到了遥测信号，用一句不太恰当的话说，就是＂无图无真相＂，直到4天后的5月19日才发布了着陆现场照片。而之前美国毅力号着陆时，仅用三分钟（不包括光速传播的时间）就传回了首张照片，当时大家并未感受到有何难度，但通过这次祝融号的经历，才真正体会到中美在深空通信方面的客观差距。
　　天问一号着陆器5月15日成功着陆
　　5月19日祝融号发回首张照片祝融号与地球通信有多困难？
　　在火星上与地球通信有多难？超出你的想象！平常我们最常见到的空间通信场景是人造卫星或空间站等近地航天器。这些卫星尤其是通信卫星，传送起数据和图片可以用＂秒传＂来形容。现在各种活动的现场直播也经常使用卫星，充分体现了太空技术带来的方便快捷。
　　同样是航天器，为什么祝融火星车传个数据就这么难呢？其实原因很简单：卫星绕着地球转，离我们很近，比较远的同步卫星轨道高度也只有三万六千公里左右。而火星探测器绕着火星转，祝融号还落在了火星表面上，距离地球非常遥远，最远时达到4亿公里，电磁波走一趟单程都需要20多分钟，要通过深空网络才能与地球通信。
　　火星与地球的距离极其遥远
　　祝融号在火星表面着陆之后，有两种和地球通信的手段：一种是直接通信，一种是通过火星上空的环绕器来中继通信。祝融号装备了两套通信天线，分别工作在X波段和UHF波段。
　　X波段天线是一个小型可转动定向天线，在通信时必须对准目标。X波段天线可以直接与地球通信，由于火星与地球的相对位置变化比较慢，地球在火星天空中的位置也相对固定，X波段天线对准地球比较容易，可以实现长时间的通讯。但我国火星车仅有200多公斤，天线口径不大，进行直接对地通信时，传输速率仅2字节/秒，只能用来确认设备工作状态，想传图片是没门了。
　　祝融号上的UHF和X波段天线
　　不过我们还有另一种通信手段，那就是火星车先与环绕器联络，环绕器再将接收到的数据传回地球。祝融号的UHF和X波段天线都可以与环绕器通信。然而我们在火星轨道上只有一个环绕器，它在265*65000公里的停泊轨道上释放了着陆器后，还会沿着这一轨道再运行一圈，这一圈就需要2个火星日，而一个火星日跟一个地球日的长度差不多。绕了这一圈后，环绕器会进行第四次近火制动，进入265*15000公里的中继轨道。
　　天问一号释放着陆器，环绕器还要在停泊轨道再绕一圈
　　UHF天线是固定不动的，不需要指向目标，但传输距离短，只能在环绕器位于椭圆轨道的近火弧段，与火星车距离较近时才能通信，所以在环绕器再绕一大圈这两天时间里完全无法使用，只能等环绕器绕回来制动进入中继轨道，再绕到中继轨道的近火弧段后才能使用。在这之后每个火星日可通信一次，每次8至10分钟，速度约40Kb/s，总共可传输约20Mbit的数据，即2.5兆字节，相当于一幅清晰度还不错的图片的数据量。
　　与UHF天线不同，不管是在近火还是远火弧段，用X波段天线都能与环绕器通信，但却存在一个难点：环绕器在中继轨道一天就能绕火星三圈，会在火星天空中快速移动，尤其在近火弧段移动得更快，X波段天线必须不断调整角度，保持对准环绕器才能通信。考虑到供电的限制，火星车每3个火星日才向环绕器发送一次数据，每次可发送50Mbit，也就是6.25兆字节，相当于一幅彩色高清大图。
　　天问一号的各个轨道
　　数据传到环绕器后，再与地球通信的条件就好得多了，环绕器电力充沛，配备了多种天线，可以方便地与地球通信，下传速率可达4Mbit/s，即512 KB/s，虽然不如大家平时用的宽带网速快，但考虑到这是在4亿公里外通信，已经相当不错了。
　　据官方报道，5月18日，火星车与环绕器成功建立了通信链路，并传回了遥测数据，这表明火星车已经通过UHF和X波段天线与环绕器建立了联系。不过由于通信带宽和时间有限，与传送图片相比，更重要是应该是与火星车状态有关的数据，大家喜闻乐见的图片和视频的优先级未必很高，而图片传回来后还需要处理，什么时候能与公众见面，还得看官方的考虑，因此又拖了一天，到5月19号首图才与大家见面。
　　祝融号5月19日传回自拍图，太阳翼成功展开，X波段天线清晰可见
　　说到这儿，肯定会有很多网友会疑惑：虽然我也知道从火星传照片很难，但为什么美国的毅力号能够在3分钟内传回照片呢？说到这里，咱们不得不承认，虽然我国经此一役，在探火星领域已经稳居第二，但与第一名美国相比，更存在着全方位的差距，尤其是在通信能力方面。毅力号为什么能落地三分钟就发图？
　　前面已经分析过，祝融号之所以迟迟传不了数据，是在等环绕器绕一大圈回来，因为我们在火星只有这一个环绕器。相比之下美国的家底可谓厚实：美国自1964年以来已经向火星发射了20多个探测器，其中火星奥德赛号、火星勘测轨道器（MRO）、梅文（MAVEN）号仍在火星轨道上工作。此外洞察号在着陆前还释放了两个小型立方星：瓦力和伊娃。
　　这样一来，毅力号与地球通信的中断站就有了多种选择，而这些中继站早已待命，不需要像天问一号那样去变轨。而且由于中继站数量多，每天的通信频率也会比较高，不会像祝融号那样一天只能用一次UHF，三天才能用一次X波段那样抠抠缩缩。
　　美国的MRO火星侦察轨道器
　　另外，毅力号并不像天问一号那样是环绕器和着陆器的组合体，它在由地球飞向火星的过程中就具备与地球直接通信的能力，因此装备了7台天线，包括3个UHF天线、3个X波段低增益天线和1个中增益天线，在登陆时使用的隔热罩和下降级（天空起重机）上都有天线，因此人们能够看到天空起重起拍下的毅力号被吊放的影像。
　　毅力号火星车上只有UHF天线，不需要进行指向。由于火星上空的美国探测器众多，而它装备的110瓦核电池可以全天候发电，而美国的深空网络又是全世界最先进的，传输速度很快，所以毅力号完成通信非常从容，在着陆后三分钟就传回图像也就不奇怪了。
　　毅力号着陆三分钟后发回首张照片
　　讲到这里，大家大概能了解我国在火星探测方面与美国的现实差距了：美国早已砸下数十亿美元，在火星建成了完善的基础设施。后来发射的探测器和火星车可以很方便地利用这些设施，而不需要背负很多的负担。相反我国在火星是一穷二白，天问一号和祝融号没什么可借助的对象，需要自力更生。
　　很多人诟病质疑我们迟迟不发照片，是因为只看到了单次任务，却忽视了美国在火星和深空领域持续几十年的巨额投入。技术的追赶可以毕其功于一役，比如天问一号一次就实现了绕落巡，完成了美国30多年才走完的历程，但资金和人力的持续投入可不是一朝一夕能完成的。好在我国在火星已经开始起步了，并且起点很高，一步就压过了俄罗斯和欧洲，相信随着后续任务的不断开展，终将能在遥远的火星打出一片自己的天地。
　　#祝融号传回火星着陆照片#