深空通信：讓“星際呼喚”成現(xiàn)實

周思同

當?shù)貢r間2023 年8 月4 日，美國國家航空和航天局（NASA）在其網(wǎng)站上宣布，其終于與距離地球約200億千米的旅行者2 號空間探測器恢復(fù)了通信。此前，由于地面控制人員發(fā)出錯誤指令，旅行者2 號指向地球天線的方向偏離了2°，導(dǎo)致其無法正常與地球進行通信。

天線位置僅僅2°的偏差，為何就會導(dǎo)致旅行者2號與地球失聯(lián)？

天線偏差1.3°就會失聯(lián)

要解釋此次旅行者2號失聯(lián)的原因，首先要了解深空探測器與地球的聯(lián)絡(luò)方式。

“和其他所有的深空探測器一樣，旅行者2號是借助無線電載波上的調(diào)制信息與地面進行通信的?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松表示。

無線電載波是電磁波的一種。1865年，英國著名物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋從理論上證明了電場和磁場能相互轉(zhuǎn)換，且電場與磁場的相互作用能產(chǎn)生電磁波。在此基礎(chǔ)上，德國物理學(xué)家海因里?！ず掌澯脤嶒炞C明了電磁波的存在，并發(fā)現(xiàn)電磁波傳播的速度與光速相同。在實驗中，他還察覺到，只要有變化的電流通過線圈，就能產(chǎn)生電磁波；而若是把這些帶有變化電流的線圈對準一個方向，電磁波就會朝這個特定的方向發(fā)射出去?？茖W(xué)家將這一現(xiàn)象背后的原理和無線電雷達技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出無線電通信、深空測控和雷達探測等一系列技術(shù)。

平勁松介紹，旅行者2號使用的通信方式便屬于其中之一。它裝備了一臺直徑達3.7米的拋物面高增益天線，這使它能在數(shù)百億千米外利用電磁波中的S 波段和X 波段與地球上的巨型拋物面天線進行通信。這是一種定向通信方式，雖然它需要的能量較少，但在傳遞信息時能量會排布在一條線上，因此天線只要偏離很小的角度，通信就會受到影響。

在200億千米這個距離上，3.7米直徑的高增益天線輻射電磁波的主瓣方向束半寬最大也只有不到1.3°。一旦超過這個角度，電磁波輻射功率就會大幅度降低，接收端便難以感知到信號。此前，由于地面控制人員發(fā)出的錯誤指令，旅行者2號指向地球天線的方向偏離原來位置2°，這已經(jīng)遠超1.3°的限制，導(dǎo)致了旅行者2號的失聯(lián)。

通過大功率全向通信重建聯(lián)系

然而，就在當?shù)貢r間2023年8月1日，NASA 的國際天線網(wǎng)絡(luò)——深空網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到了來自旅行者2號的微弱載波信號，這是探測器發(fā)出的“我仍在正常運行”的基礎(chǔ)通信信號。2023年8月4日，為確保衛(wèi)星端可以截獲上行載波并解碼遙控指令，NASA使用深空網(wǎng)絡(luò)中功率最高的發(fā)射器向旅行者2號發(fā)送了“星際呼喚”指令，要求它對地定向并反饋操作成功的遙測信息。經(jīng)接收信息、解碼確認等環(huán)節(jié)，地面與失聯(lián)近兩周的旅行者2號重新建立了聯(lián)系。

“這種‘星際呼喚’本質(zhì)上是一種全向的通信方式?！敝袊茖W(xué)院上海天文臺副研究員簡念川介紹道，在全向通信模式下，衛(wèi)星和地面的關(guān)系就類似于手機和基站，通信的能量會彌散到整個太陽系空間，因此無論衛(wèi)星處于什么狀態(tài)都能與地面進行通信。但全向通信模式需要的能量較多，所以平時地面科研人員很少采用這種模式和衛(wèi)星進行聯(lián)系。

數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)不斷涌現(xiàn)

旅行者2號的失聯(lián)，揭示了無線電通信技術(shù)的固有弊端。如今，無線電通信技術(shù)正不斷升級，更穩(wěn)定、更高效的數(shù)據(jù)傳輸方式不斷涌現(xiàn)。

簡念川介紹，在早期，大部分探測器都和旅行者2號一樣，是利用電磁波中的S 波段或X 波段與地球通信的；現(xiàn)在，技術(shù)的進步讓人們有了更多選擇。比如，目前科學(xué)家正著手研究使用Ka 波段與探測器進行通信。與X 波段相比，這個波段的頻率更高、信號傳輸距離更遠、帶寬更寬，是無線電通信技術(shù)升級的一個重要方向。

除了無線電通信技術(shù)方面的突破，諸如激光通信和量子通信等其他深空通信技術(shù)也在不斷開發(fā)中。

激光比電磁波的頻率更高，因此相比于電磁波通信，激光通信的帶寬更大，數(shù)據(jù)傳輸速度也更快。目前，美國工程師已經(jīng)借助月球探測器，成功實現(xiàn)了地月之間的激光通信。未來，這種技術(shù)有望運用在1個天文單位距離的通信上。

此外，激光通信技術(shù)還可以與無線電技術(shù)進行一體化運用。2010年前后，美國深空網(wǎng)絡(luò)的工程師就已經(jīng)對該技術(shù)的設(shè)計和研發(fā)進行了初步測試。

除了這些傳統(tǒng)的通信方式，量子通信是另一個較為特殊的發(fā)展方向。簡念川介紹，量子通信的優(yōu)勢在于保密性較強，第三方無法截獲和解密通信內(nèi)容。我國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星墨子號，便是為了進行量子通信方面的實驗。2022年，我國科研人員利用墨子號實現(xiàn)了地球上相距1200千米的兩個地面站之間的量子態(tài)遠程傳輸。

我國已建立自主網(wǎng)絡(luò)

墨子號取得的成果，只是我國深空通信技術(shù)進步的一個縮影。自2003年神舟五號發(fā)射升空至今，我國的深空通信領(lǐng)域已走過了20年，在無數(shù)科研人員的努力下，該領(lǐng)域理論研究愈加深入、技術(shù)手段不斷進步。如今，我國已在該領(lǐng)域的多個技術(shù)層面取得突破。

在無線電通信層面，我國已將統(tǒng)一S 波段測控通信、統(tǒng)一X 波段測控通信等技術(shù)運用到與祝融號火星車、玉兔二號月球車、綜合性太陽探測衛(wèi)星夸父一號等探測器的通信中。與此同時，我國目前也已經(jīng)實現(xiàn)了與墨子號等衛(wèi)星的激光通信。

“當前，我國已經(jīng)自主建成深空通信網(wǎng)絡(luò)，它配備了大型無線電天線，可用于和遠距離飛行器建立通信聯(lián)系。近年來，我國已經(jīng)開展了許多深空探測方面的任務(wù)。相信在不久的將來，隨著深空站的完善和深空通信技術(shù)的發(fā)展，我國的深空探測事業(yè)將會更上一層樓?！焙喣畲ㄕf。