深空通信：讓“星際呼喚”成現(xiàn)實(shí)

　　當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月4日，美國國家航空航天局(NASA)在網(wǎng)站上宣布，其與位于地球約200億公里的“旅行者2號”終于恢復(fù)了通信。此前，由于地面控制人員發(fā)出錯(cuò)誤指令，“旅行者2號”指向地球天線的方向偏離原本位置2度，導(dǎo)致其無法正常與地球進(jìn)行通信。

　　天線位置僅僅2度的偏差，為何就會(huì)導(dǎo)致“旅行者2號”與地球失聯(lián)？“旅行者2號”又是如何與地球恢復(fù)通信的？哪些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)地球與深空探測器間通信？我國深空通信技術(shù)取得了哪些進(jìn)展？帶著這些問題，記者采訪了相關(guān)專家。

　　天線偏差1.3度就會(huì)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(jìn)行通信的。”中國科學(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·克拉克·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)家海因里希·魯?shù)婪颉ず掌澯脤?shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，并發(fā)現(xiàn)電磁波傳播的速度與光速相同。在實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)一個(gè)方向，電磁波就會(huì)朝這個(gè)特定的方向發(fā)射出去。科學(xué)家們將這一現(xiàn)象背后的原理和無線電雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出無線電通信、深空測控和雷達(dá)探測等一系列技術(shù)。

　　平勁松介紹，“旅行者2號”所使用的通信方式便屬于其中之一。它裝備了一臺直徑達(dá)3.7米的拋物面高增益天線，這使它能在數(shù)百億公里外利用電磁波中的S波段和X波段與地球上的巨型拋物面天線進(jìn)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(shí)能量會(huì)排布在一條線上，因此天線只要偏離很小的角度，通信就會(huì)受到影響。

　　在200億公里這個(gè)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度。一旦超過這個(gè)角度，電磁波輻射功率就會(huì)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(cuò)誤指令，“旅行者2號”指向地球天線的方向偏離原來位置2度，這已經(jīng)遠(yuǎn)超1.3度的限制，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(dāng)?shù)貢r(shí)間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(yùn)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(rèn)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。”中國科學(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(jī)和基站，通信的能量會(huì)彌散到整個(gè)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(jìn)行通信。但全向通信模式需要的能量較多，所以平時(shí)地面科研人員很少采用這種模式和衛(wèi)星進(jìn)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)，揭示出了無線電通信技術(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S波段或X波段與地球進(jìn)行通信的；現(xiàn)在，技術(shù)的進(jìn)步讓人們有了更多選擇。比如，目前科學(xué)家們正著手研究使用Ka波段與探測器進(jìn)行通信。與X波段相比，這個(gè)波段的頻率更高、信號傳輸距離更遠(yuǎn)、帶寬更寬，是無線電通信技術(shù)升級的一個(gè)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。平勁松告訴記者，目前，美國工程師已經(jīng)借助月球探測器，成功實(shí)現(xiàn)了地月之間的激光通信。未來，這種技術(shù)有望運(yùn)用在1個(gè)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(jìn)行一體化運(yùn)用。2010年前后，美國“深空網(wǎng)絡(luò)”的工程師們就開始了對該技術(shù)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和初步測試。

　　除了這些傳統(tǒng)的通信方式，量子通信是另一個(gè)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(qiáng)，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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，便是為了進(jìn)行量子通信方面的實(shí)驗(yàn)。去年，我國科研人員利用“墨子號”實(shí)現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)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(jìn)步的一個(gè)縮影。自2003年神舟五號發(fā)射升空，我國深空通信領(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(jìn)步，如今，我國已在多個(gè)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(yùn)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(shí)，我國目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與“墨子號”等衛(wèi)星的激光通信。

　　“當(dāng)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(yuǎn)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(huì)更上一層樓。”簡念川說。　(科技日報(bào)記者 周思同)