深空通信如何不斷聯(lián)？探測(cè)器有副“好嗓子”，地面有雙“好耳朵”

太空中存在許多的高能輻射，無(wú)線電信號(hào)會(huì)受到干擾。那么，我們?nèi)绾闻c深空探測(cè)器保持通信呢？

1977年9月5日，空間探測(cè)器“旅行者1號(hào)”發(fā)射。從這時(shí)候起，它和地面控制中心一直保持著通信，時(shí)刻展示人類還未曾涉足的深空。但在2023年11月，人類和“旅行者1號(hào)”斷聯(lián)了。準(zhǔn)確地說(shuō)，“旅行者1號(hào)”還在向地球傳輸信號(hào)，可惜信號(hào)成了無(wú)意義的亂碼。直到今年4月底，地面團(tuán)隊(duì)和“旅行者1號(hào)”艱難地重新建立聯(lián)系。隨著人類一步步探索更遙遠(yuǎn)的太空，一個(gè)很重要的問(wèn)題逐漸浮現(xiàn)：深空通信如何不斷聯(lián)？

旅行者1號(hào)探測(cè)器遨游深空效果圖

與深空探測(cè)器聯(lián)系有多難？

1965年，在美國(guó)宇航局兼職的加州理工學(xué)院航空學(xué)博士生加里·弗蘭德羅發(fā)現(xiàn)，木星、土星、天王星和海王星將在20世紀(jì)70年代末80年代初與地球連成一條弧線。據(jù)測(cè)算，這條弧線每隔176年出現(xiàn)一次，屆時(shí)航天器飛過(guò)這條弧線上的每顆行星，都能從行星引力中獲得加速。如果能夠?qū)w行時(shí)間誤差范圍控制在數(shù)十分鐘以內(nèi)，多次引力加速就可以把探測(cè)器從地球飛抵海王星的時(shí)間從30年縮短至12年。此前，水手10號(hào)探測(cè)器曾利用引力加速飛掠金星和水星，初步驗(yàn)證了類似操作的優(yōu)勢(shì)。

航天器借助天體引力加速示意圖

為了抓住這個(gè)百年難遇的機(jī)會(huì)，1977年夏天，美國(guó)宇航局在15天內(nèi)相繼發(fā)射了兩個(gè)“姊妹”航天器——“旅行者2號(hào)”和“旅行者1號(hào)”。它們?cè)谕列歉浇胺值罁P(yáng)鑣”，隨后“旅行者1號(hào)”穿過(guò)土星環(huán)，掠過(guò)土衛(wèi)六，飛出太陽(yáng)系行星平面；“旅行者2號(hào)”則獨(dú)自繼續(xù)前往天王星和海王星。

2012年8月25日，“旅行者1號(hào)”越過(guò)日球?qū)禹?，檢測(cè)到了科學(xué)家早年預(yù)測(cè)的等離子體密度躍升現(xiàn)象。截至2024年，經(jīng)過(guò)近47年飛行，“旅行者1號(hào)”距離地球約240億千米，相當(dāng)于地球和太陽(yáng)距離的160倍。相隔如此遙遠(yuǎn)，地面團(tuán)隊(duì)接收到“旅行者1號(hào)”的無(wú)線電信號(hào)，至少需要等待22.5小時(shí)，再經(jīng)過(guò)至少同樣的時(shí)間后，“旅行者1號(hào)”才能通過(guò)深空網(wǎng)絡(luò)接收到地球信號(hào)。而且，考慮到“旅行者1號(hào)”每天都會(huì)飛行3～4光秒（接近30萬(wàn)千米）的距離，所以地球和“旅行者1號(hào)”之間通信需要等待的時(shí)間會(huì)不斷延長(zhǎng)。

旅行者1號(hào)探測(cè)器運(yùn)行效果圖

隨著“旅行者1號(hào)”離地球越來(lái)越遠(yuǎn)，與其保持有效的聯(lián)系將會(huì)越來(lái)越難。一方面，“旅行者1號(hào)”的信號(hào)傳輸與接收主要依賴無(wú)線電波，而無(wú)線電信號(hào)的強(qiáng)度與距離的平方成反比。隨著距離越來(lái)越遠(yuǎn)，無(wú)線電信號(hào)越來(lái)越弱，那么收發(fā)設(shè)備自身和宇宙背景產(chǎn)生的噪聲干擾就會(huì)越來(lái)越明顯。另一方面，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，地球上廣播、電視、手機(jī)等無(wú)線電信號(hào)干擾日益嚴(yán)重，地面團(tuán)隊(duì)將越來(lái)越難以完整地接收到“旅行者1號(hào)”的信息。

那么，怎樣保障深空通信穩(wěn)定呢？這需要航天器與地面團(tuán)隊(duì)同心協(xié)力。

深空探測(cè)器需要“好嗓門”

首要因素就是能源供應(yīng)。

想要讓地球“聽”得清楚，深空探測(cè)器的“嗓門”就要大，也就是信號(hào)強(qiáng)度必須“給力”，那么需要的能量就不可低估。可以說(shuō)，深空通信想要保持穩(wěn)定聯(lián)系，首先要保證探測(cè)器有充足的能源供應(yīng)。

人造衛(wèi)星普遍依靠太陽(yáng)能帆板補(bǔ)充能源，但“旅行者1號(hào)”離太陽(yáng)太遠(yuǎn)，基本上無(wú)法利用太陽(yáng)能。為了解決這個(gè)難題，“旅行者1號(hào)”用上了原子能——放射性同位素溫差熱電池。這是一種利用钚-238放射性衰變所產(chǎn)生的熱能直接供應(yīng)直流電的裝置。因?yàn)橥凰厮プ冡尫诺哪芰看笮?、釋放速度均與外界環(huán)境無(wú)關(guān)，確?！奥眯姓?號(hào)”長(zhǎng)期有充足的“體力”向地球“喊話”。

“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”均使用3塊钚同位素電池作為能源。任務(wù)之初，核電池的初始輸出約為470瓦，隨著時(shí)間推移，功率以大約6.4瓦/年的速度慢慢下降，而且熱電偶等裝置性能也在逐漸退化，供能效果逐漸不佳。此前，美國(guó)宇航局已關(guān)閉了“旅行者1號(hào)”的不少子系統(tǒng)、加熱器和科學(xué)儀器等，希望能夠?qū)⑺墓ぷ鲏勖娱L(zhǎng)到2027年，也就是“旅行者1號(hào)”發(fā)射50周年。屆時(shí)，“旅行者1號(hào)”仍會(huì)繼續(xù)前行，只是不能再向地球發(fā)送數(shù)據(jù)了。

旅行者系列探測(cè)器配備的“核電池”

其次是特制的高增益天線。

“旅行者1號(hào)”的電源功率不大，導(dǎo)致消耗也必須“精打細(xì)算”。比如，它配備的無(wú)線電信號(hào)發(fā)射器功率只有22.4瓦，甚至還不如我們使用的手機(jī)充電器。初始無(wú)線信號(hào)功率這么低，如果不采取措施，那么“旅行者1號(hào)”發(fā)射的無(wú)線電波就會(huì)向空間四面八方均勻傳播，“分給”地球的信號(hào)無(wú)疑太少了。

為了確?？偣β什淮蟮臒o(wú)線電信號(hào)盡量朝向地球傳播，探測(cè)器上安裝了卡塞格倫天線。這是一種用于微波通信的雙反射面天線，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、波束窄、增益高、噪聲低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信。

“旅行者1號(hào)”的拋物面主天線直徑為3.66米，包括X波段（約8.4GHz）的卡塞格倫天線和S波段（約2.3GHz）的正饋拋物面天線。其中，X波段的主天線增益為47dBi，兼有12W和22W兩檔功率的發(fā)射模式。在副反射面上，又安裝了一個(gè)S波段的低增益天線，主要用于向地球發(fā)射圓極化波，波束寬度90度，確保“旅行者1號(hào)”不需要在飛行初始階段精確對(duì)準(zhǔn)，降低了對(duì)姿態(tài)控制的要求。至于低增益天線，主要用于“旅行者1號(hào)”任務(wù)早期階段調(diào)整姿態(tài)。

旅行者1號(hào)探測(cè)器天線結(jié)構(gòu)特寫

依靠高增益天線，“旅行者1號(hào)”的信號(hào)在S波段、X波段波束寬度分別聚攏為0.5度、2.3度，大大提高了向地球發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度。其中，S波段信號(hào)主要用于發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)，X波段信號(hào)則用于傳輸高分辨率圖像和科學(xué)數(shù)據(jù)。

然后是精確姿態(tài)控制。

“旅行者1號(hào)”為了提高信號(hào)發(fā)射的天線增益，將無(wú)線電波束控制得很窄，為了將高增益天線對(duì)準(zhǔn)地球，必須對(duì)探測(cè)器的姿態(tài)進(jìn)行精確控制，否則，很容易“失之毫厘，謬以千里”，導(dǎo)致探測(cè)器與地面站斷聯(lián)。

2023年7月21日，美國(guó)宇航局向“旅行者2號(hào)”發(fā)送指令時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致其天線從地球方向偏離了2度，地面團(tuán)隊(duì)和探測(cè)器瞬間斷聯(lián)。直到8月4日，探測(cè)器根據(jù)新的指令校準(zhǔn)天線后，終于與地面團(tuán)隊(duì)恢復(fù)通信。

最后涉及到通信信號(hào)本身。

“旅行者1號(hào)”使用的是8.4GHz和2.3GHz通訊頻率，屬于深空通信上下行鏈路頻率分配的X波段和S頻段。之所以選擇這兩個(gè)波段，是因?yàn)橄嚓P(guān)頻段上幾乎沒(méi)有任何干擾，人為產(chǎn)生的無(wú)線電噪聲小，從而提高了信噪比，有利于保持天地?zé)o線電通信。

但是，“旅行者1號(hào)”距離地球?qū)嵲谔h(yuǎn)，加上太空中存在許多復(fù)雜而未知的高能輻射，無(wú)線電信號(hào)還是會(huì)受到干擾。根據(jù)香農(nóng)公式，通信實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)的可靠速率取決于信號(hào)與背景噪聲的比值。這就意味著，傳輸距離越遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)的傳輸速率就越低。

旅行者系列探測(cè)器的信號(hào)受到宇宙深空的復(fù)雜因素干擾

1994年，當(dāng)“旅行者1號(hào)”距離地球約60億千米時(shí)，通信速率為7.2千比特/秒。2007年，當(dāng)“旅行者1號(hào)”距離地球約126億千米時(shí)，通信速率下降到1.4千比特/秒。到了今年初，“旅行者1號(hào)”與地球的通信速率只能達(dá)到160比特/秒，比20世紀(jì)90年代撥號(hào)上網(wǎng)的速度還慢。

為了減輕數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?，在相同的傳輸能力下，將更多?shù)據(jù)傳回地球，深空探測(cè)領(lǐng)域用上了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。為了盡量保存原始圖像和科學(xué)數(shù)據(jù)，深空通信一般采用無(wú)損壓縮，壓縮率偏低，約為3∶1。未壓縮的“旅行者1號(hào)”圖像為800×800像素，每像素8比特灰度。其實(shí)，典型的行星或衛(wèi)星圖像中包含大量黑色，屬于無(wú)效信息，通過(guò)計(jì)算相鄰像素灰度級(jí)別之間的差別，圖像數(shù)據(jù)壓縮能夠?qū)⒁环湫托行菆D像的數(shù)據(jù)量減少60%。

受限于信號(hào)微弱、干擾等原因，地球站接收到的數(shù)據(jù)很可能出錯(cuò)。如果每次發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后都重新傳輸，在通信延時(shí)越來(lái)越大的情況下，必然耗時(shí)耗力。因此，深空探測(cè)器采用了糾錯(cuò)編碼技術(shù)，通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)校驗(yàn)，就可以檢查到出錯(cuò)的數(shù)據(jù)?！奥眯姓?號(hào)”最初采用級(jí)聯(lián)格雷碼+卷積編碼的單通道遙測(cè)系統(tǒng)，后來(lái)在軌升級(jí)為級(jí)聯(lián)里德-所羅門碼+卷積編碼，即以卷積碼作為內(nèi)碼、以里德-所羅門碼作為外碼的典型級(jí)聯(lián)碼方案。

所謂糾錯(cuò)編碼，實(shí)際上是通過(guò)增加相關(guān)信息比特率、強(qiáng)化信號(hào)冗余的方式來(lái)減少信息誤碼率。使用格雷編碼算法發(fā)送1比特信息需要1比特的開銷，而里德-所羅門碼編碼方案減少到每發(fā)送5比特信息才需要1比特的開銷，信息誤碼率則由千分之五減少到百萬(wàn)分之一。隨著計(jì)算處理能力提高，新的深空探測(cè)器也在逐步采用性能更加優(yōu)異的Toubo碼和LDPC碼等長(zhǎng)碼進(jìn)行信道編碼。

地面需要“好耳朵”

為了實(shí)現(xiàn)可靠的深空通信，當(dāng)然不能只靠探測(cè)器一端“使勁”，地面站也需要“發(fā)力”，兩者通力合作，天地通信鏈路才能打通。

一方面，有必要構(gòu)建覆蓋全球的深空測(cè)控網(wǎng)。

由于地球自轉(zhuǎn)會(huì)遮擋信號(hào)，極大影響通信效果，只有在全球部署一定數(shù)量的深空通訊設(shè)施，才能保證地面團(tuán)隊(duì)與深空探測(cè)器不斷聯(lián)。

“旅行者1號(hào)”與地球之間的通信是通過(guò)美國(guó)宇航局的深空探測(cè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。這是一個(gè)由分布在全球的3個(gè)綜合測(cè)控通信設(shè)施構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，也是目前世界上能力最強(qiáng)、規(guī)模最大的深空測(cè)控通信系統(tǒng)，每組設(shè)施包含1部直徑達(dá)70米的主天線、4~7部直徑34米的副天線以及1部直徑26米和1部直徑11米的中小口徑天線，能夠與航天器進(jìn)行不間斷的通信。

美國(guó)宇航局深空網(wǎng)系統(tǒng)始建于1958年，經(jīng)過(guò)3年時(shí)間，建成了加州金石、澳大利亞伍墨拉和南非約翰內(nèi)斯堡共3個(gè)深空站系統(tǒng)，1963年正式命名為深空網(wǎng)。1965年，美國(guó)宇航局在西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉新建了兩個(gè)深空站。1974年，美國(guó)宇航局關(guān)閉了伍墨拉和約翰內(nèi)斯堡兩處設(shè)施后，形成了目前的三站格局。這些站點(diǎn)由位于加州帕薩迪納的美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)控制、維護(hù)與管理。

美國(guó)加州沙漠中的金石雷達(dá)站

除了美國(guó)外，其他國(guó)家和組織也在積極建設(shè)深空網(wǎng)絡(luò)。比如，歐空局建成了包含澳大利亞新諾舍站、西班牙塞弗雷羅斯站和阿根廷馬拉圭站的深空網(wǎng)，由位于德國(guó)達(dá)姆施塔特的歐洲空間操作中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。我國(guó)在佳木斯（國(guó)土最東部）、喀什（國(guó)土最西部）和薩帕拉（阿根廷西部）部署深空站，實(shí)現(xiàn)超過(guò)92%的天域覆蓋有效通信。俄羅斯、日本、印度等國(guó)也研制并建設(shè)了深空測(cè)控設(shè)備,但暫未組成完整的深空測(cè)控網(wǎng)，其中俄羅斯使用的一些地面設(shè)施和特殊船只是從蘇聯(lián)繼承下來(lái)的。

國(guó)外深空通信地面站

另一方面，需要配置功能強(qiáng)大的地面設(shè)備。

專門用于深空航天器測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡孛嬖O(shè)施一般配有大口徑拋物面天線、大功率發(fā)射機(jī)、極高靈敏度接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度的時(shí)間頻率系統(tǒng)，能對(duì)距離地球至少數(shù)百萬(wàn)千米的深空航天器進(jìn)行測(cè)控。

深空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的大口徑天線

在深空通信地面設(shè)備中，最引人注目的是碩大的天線。用于和“旅行者1號(hào)”通信的是直徑70米的全可動(dòng)拋物面高增益反射天線。該天線是在“旅行者”計(jì)劃實(shí)施后從64米直徑天線升級(jí)而來(lái)的，通過(guò)移走原天線的舊金屬面板和結(jié)構(gòu)支架，安裝全新的外部支撐結(jié)構(gòu)和精密面板，并將面板表面調(diào)整到亞毫米級(jí)精度。此外，該天線還引入了全息對(duì)齊技術(shù)，用來(lái)準(zhǔn)確聚焦X頻段射頻信號(hào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70米口徑天線的面積達(dá)到3850平方米，相當(dāng)于10個(gè)籃球場(chǎng)，總重量達(dá)2500多噸，增益到達(dá)了2000多萬(wàn)倍的數(shù)量級(jí)。

經(jīng)過(guò)直徑70米天線聚焦放大后，“旅行者1號(hào)”的信號(hào)強(qiáng)度只有通常手機(jī)可接收的最弱信號(hào)的十萬(wàn)分之一。為了接收如此微弱的信號(hào)，需要將天線的接收組件冷卻到接近絕對(duì)零度，利用超導(dǎo)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超高靈敏度、極低噪音。隨后，設(shè)備再對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，才能還原出原始信號(hào)。

除了接受信號(hào)必須“卯足勁”外，向深空探測(cè)器發(fā)信號(hào)也要“竭盡全力”。以美國(guó)宇航局位于澳大利亞堪培拉通信站的70米直徑天線為例，為了“照顧”“旅行者1號(hào)”的信號(hào)接收裝置，地面站“下足血本”，S波段發(fā)射輸出功率達(dá)到400千瓦。盡管如此，地面以2.1GHz的頻率向“旅行者1號(hào)”發(fā)送的指令速率也僅能達(dá)到16比特/秒，可見(jiàn)深空通信是一件多么高難度的事。