深空通信如何不斷聯(lián)？探測器有副“好嗓子”，地面有雙“好耳朵”

太空中存在許多的高能輻射，無線電信號會受到干擾。那么，我們?nèi)绾闻c深空探測器保持通信呢？

1977年9月5日，空間探測器“旅行者1號”發(fā)射。從這時候起，它和地面控制中心一直保持著通信，時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”斷聯(lián)了。準確地說，“旅行者1號”還在向地球傳輸信號，可惜信號成了無意義的亂碼。直到今年4月底，地面團隊和“旅行者1號”艱難地重新建立聯(lián)系。隨著人類一步步探索更遙遠的太空，一個很重要的問題逐漸浮現(xiàn)：深空通信如何不斷聯(lián)？

旅行者1號探測器遨游深空效果圖

與深空探測器聯(lián)系有多難？

1965年，在美國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70年代末80年代初與地球連成一條弧線。據(jù)測算，這條弧線每隔176年出現(xiàn)一次，屆時航天器飛過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器從地球飛抵海王星的時間從30年縮短至12年。此前，水手10號探測器曾利用引力加速飛掠金星和水星，初步驗證了類似操作的優(yōu)勢。

航天器借助天體引力加速示意圖

為了抓住這個百年難遇的機會，1977年夏天，美國宇航局在15天內(nèi)相繼發(fā)射了兩個“姊妹”航天器——“旅行者2號”和“旅行者1號”。它們在土星附近“分道揚鑣”，隨后“旅行者1號”穿過土星環(huán)，掠過土衛(wèi)六，飛出太陽系行星平面；“旅行者2號”則獨自繼續(xù)前往天王星和海王星。

2012年8月25日，“旅行者1號”越過日球?qū)禹敚瑱z測到了科學(xué)家早年預(yù)測的等離子體密度躍升現(xiàn)象。截至2024年，經(jīng)過近47年飛行，“旅行者1號”距離地球約240億千米，相當于地球和太陽距離的160倍。相隔如此遙遠，地面團隊接收到“旅行者1號”的無線電信號，至少需要等待22.5小時，再經(jīng)過至少同樣的時間后，“旅行者1號”才能通過深空網(wǎng)絡(luò)接收到地球信號。而且，考慮到“旅行者1號”每天都會飛行3～4光秒（接近30萬千米）的距離，所以地球和“旅行者1號”之間通信需要等待的時間會不斷延長。

旅行者1號探測器運行效果圖

隨著“旅行者1號”離地球越來越遠，與其保持有效的聯(lián)系將會越來越難。一方面，“旅行者1號”的信號傳輸與接收主要依賴無線電波，而無線電信號的強度與距離的平方成反比。隨著距離越來越遠，無線電信號越來越弱，那么收發(fā)設(shè)備自身和宇宙背景產(chǎn)生的噪聲干擾就會越來越明顯。另一方面，近半個世紀以來，地球上廣播、電視、手機等無線電信號干擾日益嚴重，地面團隊將越來越難以完整地接收到“旅行者1號”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隊同心協(xié)力。

深空探測器需要“好嗓門”

首要因素就是能源供應(yīng)。

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

人造衛(wèi)星普遍依靠太陽能帆板補充能源，但“旅行者1號”離太陽太遠，基本上無法利用太陽能。為了解決這個難題，“旅行者1號”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。因為同位素衰變釋放的能量大小、釋放速度均與外界環(huán)境無關(guān)，確?！奥眯姓?號”長期有充足的“體力”向地球“喊話”。

“旅行者1號”和“旅行者2號”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，美國宇航局已關(guān)閉了“旅行者1號”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到2027年，也就是“旅行者1號”發(fā)射50周年。屆時，“旅行者1號”仍會繼續(xù)前行，只是不能再向地球發(fā)送數(shù)據(jù)了。

旅行者系列探測器配備的“核電池”

其次是特制的高增益天線。

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

為了確?？偣β什淮蟮臒o線電信號盡量朝向地球傳播，探測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)簡單、設(shè)計靈活、波束窄、增益高、噪聲低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信。

“旅行者1號”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?！奥眯姓?號”不需要在飛行初始階段精確對準，降低了對姿態(tài)控制的要求。至于低增益天線，主要用于“旅行者1號”任務(wù)早期階段調(diào)整姿態(tài)。

旅行者1號探測器天線結(jié)構(gòu)特寫

依靠高增益天線，“旅行者1號”的信號在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)送的信號強度。其中，S波段信號主要用于發(fā)送遙測數(shù)據(jù)，X波段信號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”為了提高信號發(fā)射的天線增益，將無線電波束控制得很窄，為了將高增益天線對準地球，必須對探測器的姿態(tài)進行精確控制，否則，很容易“失之毫厘，謬以千里”，導(dǎo)致探測器與地面站斷聯(lián)。

2023年7月21日，美國宇航局向“旅行者2號”發(fā)送指令時出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致其天線從地球方向偏離了2度，地面團隊和探測器瞬間斷聯(lián)。直到8月4日，探測器根據(jù)新的指令校準天線后，終于與地面團隊恢復(fù)通信。

最后涉及到通信信號本身。

“旅行者1號”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。之所以選擇這兩個波段，是因為相關(guān)頻段上幾乎沒有任何干擾，人為產(chǎn)生的無線電噪聲小，從而提高了信噪比，有利于保持天地無線電通信。

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

旅行者系列探測器的信號受到宇宙深空的復(fù)雜因素干擾

1994年，當“旅行者1號”距離地球約60億千米時，通信速率為7.2千比特/秒。2007年，當“旅行者1號”距離地球約126億千米時，通信速率下降到1.4千比特/秒。到了今年初，“旅行者1號”與地球的通信速率只能達到160比特/秒，比20世紀90年代撥號上網(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損壓縮，壓縮率偏低，約為3∶1。未壓縮的“旅行者1號”圖像為800×800像素，每像素8比特灰度。其實，典型的行星或衛(wèi)星圖像中包含大量黑色，屬于無效信息，通過計算相鄰像素灰度級別之間的差別，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%。

受限于信號微弱、干擾等原因，地球站接收到的數(shù)據(jù)很可能出錯。如果每次發(fā)現(xiàn)錯誤后都重新傳輸，在通信延時越來越大的情況下，必然耗時耗力。因此，深空探測器采用了糾錯編碼技術(shù)，通過對接收到的信號進行數(shù)學(xué)校驗，就可以檢查到出錯的數(shù)據(jù)。“旅行者1號”最初采用級聯(lián)格雷碼+卷積編碼的單通道遙測系統(tǒng)，后來在軌升級為級聯(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聯(lián)碼方案。

所謂糾錯編碼，實際上是通過增加相關(guān)信息比特率、強化信號冗余的方式來減少信息誤碼率。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分之一。隨著計算處理能力提高，新的深空探測器也在逐步采用性能更加優(yōu)異的Toubo碼和LDPC碼等長碼進行信道編碼。

地面需要“好耳朵”

為了實現(xiàn)可靠的深空通信，當然不能只靠探測器一端“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控網(wǎng)。

由于地球自轉(zhuǎn)會遮擋信號，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，才能保證地面團隊與深空探測器不斷聯(lián)。

“旅行者1號”與地球之間的通信是通過美國宇航局的深空探測網(wǎng)實現(xiàn)的。這是一個由分布在全球的3個綜合測控通信設(shè)施構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，也是目前世界上能力最強、規(guī)模最大的深空測控通信系統(tǒng)，每組設(shè)施包含1部直徑達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，能夠與航天器進行不間斷的通信。

美國宇航局深空網(wǎng)系統(tǒng)始建于1958年，經(jīng)過3年時間，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個深空站系統(tǒng)，1963年正式命名為深空網(wǎng)。1965年，美國宇航局在西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉新建了兩個深空站。1974年，美國宇航局關(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。這些站點由位于加州帕薩迪納的美國宇航局噴氣推進實驗室負責控制、維護與管理。

美國加州沙漠中的金石雷達站

除了美國外，其他國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)，由位于德國達姆施塔特的歐洲空間操作中心進行遠程操作控制。我國在佳木斯（國土最東部）、喀什（國土最西部）和薩帕拉（阿根廷西部）部署深空站，實現(xiàn)超過92%的天域覆蓋有效通信。俄羅斯、日本、印度等國也研制并建設(shè)了深空測控設(shè)備,但暫未組成完整的深空測控網(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)繼承下來的。

國外深空通信地面站

另一方面，需要配置功能強大的地面設(shè)備。

專門用于深空航天器測控和數(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、極高靈敏度接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度的時間頻率系統(tǒng)，能對距離地球至少數(shù)百萬千米的深空航天器進行測控。

深空探測網(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”通信的是直徑70米的全可動拋物面高增益反射天線。該天線是在“旅行者”計劃實施后從64米直徑天線升級而來的，通過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)整到亞毫米級精度。此外，該天線還引入了全息對齊技術(shù)，用來準確聚焦X頻段射頻信號。據(jù)統(tǒng)計，70米口徑天線的面積達到3850平方米，相當于10個籃球場，總重量達2500多噸，增益到達了2000多萬倍的數(shù)量級。

經(jīng)過直徑70米天線聚焦放大后，“旅行者1號”的信號強度只有通常手機可接收的最弱信號的十萬分之一。為了接收如此微弱的信號，需要將天線的接收組件冷卻到接近絕對零度，利用超導(dǎo)效應(yīng)，實現(xiàn)超高靈敏度、極低噪音。隨后，設(shè)備再對接收到的信號進行放大，才能還原出原始信號。

除了接受信號必須“卯足勁”外，向深空探測器發(fā)信號也要“竭盡全力”。以美國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”的信號接收裝置，地面站“下足血本”，S波段發(fā)射輸出功率達到400千瓦。盡管如此，地面以2.1GHz的頻率向“旅行者1號”發(fā)送的指令速率也僅能達到16比特/秒，可見深空通信是一件多么高難度的事。