深空通信：讓“星際呼喚”成現實(shí)

　　當地時(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(xiàn)的方向偏離原本位置2度，導致其無(wú)法正常與地球進(jìn)行通信。

　　天線(xiàn)位置僅僅2度的偏差，為何就會(huì )導致“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通信的？哪些技術(shù)可實(shí)現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(zhù)這些問(wèn)題，記者采訪(fǎng)了相關(guān)專(zhuān)家。

　　天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電載波上的調制信息與地面進(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(wú)線(xiàn)電載波是電磁波的一種。1865年，英國著(zhù)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(chǎng)和磁場(chǎng)能相互轉換，且電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互作用能產(chǎn)生電磁波。在此基礎上，德國物理學(xué)家海因里希·魯道夫·赫茲用實(shí)驗證明了電磁波的存在，并發(fā)現電磁波傳播的速度與光速相同。在實(shí)驗中他還察覺(jué)到，只要有變化的電流通過(guò)線(xiàn)圈，就能產(chǎn)生電磁波；而若是把這些帶有變化電流的線(xiàn)圈對準一個(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)家們將這一現象背后的原理和無(wú)線(xiàn)電雷達技術(shù)相結合，發(fā)展出無(wú)線(xiàn)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”所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(xiàn)，這使它能在數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(xiàn)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(xiàn)上，因此天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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)出的錯誤指令，“旅行者2號”指向地球天線(xiàn)的方向偏離原來(lái)位置2度，這已經(jīng)遠超1.3度的限制，導致了“旅行者2號”的失聯(lián)。

　　通過(guò)大功率全向通信重建聯(lián)系

　　然而，就在當地時(shí)間8月1日，NASA的國際天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )——“深空網(wǎng)絡(luò )”監測到了來(lái)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”的基礎通信信號。2023年8月4日，為確保衛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，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(jiǎn)念川介紹道，在全向通信模式下，衛星和地面的關(guān)系就類(lèi)似于手機和基站，通信的能量會(huì )彌散到整個(gè)太陽(yáng)系空間，因此無(wú)論衛星處于什么狀態(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星進(jìn)行聯(lián)系。

　　數據傳輸新技術(shù)不斷涌現

　　“旅行者2號”的失聯(lián)，揭示出了無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)的固有弊端。如今，無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)正不斷升級，更穩定、更高效的數據傳輸方式不斷涌現。

　　簡(jiǎn)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(zhù)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、帶寬更寬，是無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)升級的一個(gè)重要方向。

　　除了無(wú)線(xiàn)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(kāi)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，數據傳輸速度也更快。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)現了地月之間的激光通信。未來(lái)，這種技術(shù)有望運用在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(wú)線(xiàn)電技術(shù)進(jìn)行一體化運用。2010年前后，美國“深空網(wǎng)絡(luò )”的工程師們就開(kāi)始了對該技術(shù)的設計、研發(fā)和初步測試。

　　除了這些傳統的通信方式，量子通信是另一個(gè)較為特殊的發(fā)展方向。簡(jiǎn)念川介紹，量子通信的優(yōu)勢在于保密性較強，第三方無(wú)法截獲和解密通信內容。我國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”，便是為了進(jìn)行量子通信方面的實(shí)驗。去年，我國科研人員利用“墨子號”實(shí)現了地球上相距1200公里兩個(gè)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(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(guò)了20年。在無(wú)數科研人員的努力下，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(wú)線(xiàn)電通信層面，我國已將統一S波段測控通信、統一X波段測控通信等技術(shù)運用到與祝融號火星車(chē)、玉兔二號月球車(chē)、綜合性太陽(yáng)探測衛星“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)現了與“墨子號”等衛星的激光通信。

　　“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(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)，可用于和遠距離飛行器建立通信聯(lián)系。近年來(lái)，我國已經(jīng)開(kāi)展了許多深空探測方面的任務(wù)。相信在不久的將來(lái)，隨著(zhù)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(jiǎn)念川說(shuō)。　(科技日報記者 周思同)