深空通信：让“星际呼唤”成现实
发布时间：2023-08-15 10:55:54
来源：科技日报
当地时间8月4日，美国国家航空航天局（NASA）在网站上宣布，其与位于地球约200亿公里的“旅行者2号”终于恢复了通信。此前，由于地面控制人员发出错误指令，“旅行者2号”指向地球天线的方向偏离原本位置2度，导致其无法正常与地球进行通信。
天线位置仅仅2度的偏差，为何就会导致“旅行者2号”与地球失联？“旅行者2号”又是如何与地球恢复通信的？哪些技术可实现地球与深空探测器间通信？我国深空通信技术取得了哪些进展？带着这些问题，记者采访了相关专家。
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天线偏差1.3度就会失联
要解释此次“旅行者2号”失联的原因，首先要了解深空探测器与地球的联络方式。“和其他所有的深空探测器一样，‘旅行者2号’是借助无线电载波上的调制信息与地面进行通信的。”中国科学院国家天文台、中国科学院大学研究员平劲松表示。
无线电载波是电磁波的一种。1865年，英国著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦从理论上证明了电场和磁场能相互转换，且电场与磁场的相互作用能产生电磁波。在此基础上，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证明了电磁波的存在，并发现电磁波传播的速度与光速相同。在实验中他还察觉到，只要有变化的电流通过线圈，就能产生电磁波；而若是把这些带有变化电流的线圈对准一个方向，电磁波就会朝这个特定的方向发射出去。科学家们将这一现象背后的原理和无线电雷达技术相结合，发展出无线电通信、深空测控和雷达探测等一系列技术。
平劲松介绍，“旅行者2号”所使用的通信方式便属于其中之一。它装备了一台直径达3.7米的抛物面高增益天线，这使它能在数百亿公里外利用电磁波中的S波段和X波段与地球上的巨型抛物面天线进行通信。这是一种定向通信方式，虽然它需要的能量较少，但在传递信息时能量会排布在一条线上，因此天线只要偏离很小的角度，通信就会受到影响。
在200亿公里这个距离上，3.7米直径的高增益天线辐射电磁波的主瓣方向束半宽最大也只有不到1.3度。一旦超过这个角度，电磁波辐射功率就会大幅度降低，接收端便难以感知到信号。此前，由于地面控制人员发出的错误指令，“旅行者2号”指向地球天线的方向偏离原来位置2度，这已经远超1.3度的限制，导致了“旅行者2号”的失联。
通过大功率全向通信重建联系
然而，就在当地时间8月1日，NASA的国际天线网络——“深空网络”监测到了来自“旅行者2号”的微弱载波信号，这是探测器发出的“我仍在正常运行”的基础通信信号。2023年8月4日，为确保卫星端可以截获上行载波并解码遥控指令，NASA使用“深空网络”中功率最高的发射器向“旅行者2号”发送了“星际呼唤”指令，要求它对地定向并反馈操作成功的遥测信息。经接收信息、解码确认等环节，地面与失联近两周的“旅行者2号”重新建立了联系。
“这种‘星际呼唤’本质上是一种全向的通信方式。”中国科学院上海天文台副研究员简念川介绍道，在全向通信模式下，卫星和地面的关系就类似于手机和基站，通信的能量会弥散到整个太阳系空间，因此无论卫星处于什么状态都能与地面进行通信。但全向通信模式需要的能量较多，所以平时地面科研人员很少采用这种模式和卫星进行联系。
数据传输新技术不断涌现
“旅行者2号”的失联，揭示出了无线电通信技术的固有弊端。如今，无线电通信技术正不断升级，更稳定、更高效的数据传输方式不断涌现。
简念川介绍，在早期，大部分探测器都和“旅行者2号”一样，是利用S波段或X波段与地球进行通信的；现在，技术的进步让人们有了更多选择。比如，目前科学家们正着手研究使用Ka波段与探测器进行通信。与X波段相比，这个波段的频率更高、信号传输距离更远、带宽更宽，是无线电通信技术升级的一个重要方向。
除了无线电通信技术方面的突破，诸如激光通信和量子通信等其他深空通信技术也在不断开发中。
激光比电磁波的频率更高，因此相比于电磁波通信，激光通信的带宽更大，数据传输速度也更快。平劲松告诉记者，目前，美国工程师已经借助月球探测器，成功实现了地月之间的激光通信。未来，这种技术有望运用在1个天文单位距离的通信上。
此外，激光通信技术还可以与无线电技术进行一体化运用。2010年前后，美国“深空网络”的工程师们就开始了对该技术的设计、研发和初步测试。
除了这些传统的通信方式，量子通信是另一个较为特殊的发展方向。简念川介绍，量子通信的优势在于保密性较强，第三方无法截获和解密通信内容。我国发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，便是为了进行量子通信方面的实验。去年，我国科研人员利用“墨子号”实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输。
我国已建立自主网络
“墨子号”取得的成果，只是我国深空通信技术进步的一个缩影。自2003年神舟五号发射升空，我国深空通信领域已走过了20年。在无数科研人员的努力下，该领域理论研究愈加深入、技术手段不断进步，如今，我国已在多个技术层面取得突破。
在无线电通信层面，我国已将统一S波段测控通信、统一X波段测控通信等技术运用到与祝融号火星车、玉兔二号月球车、综合性太阳探测卫星“夸父一号”等探测器的通信中。与此同时，我国目前也已经实现了与“墨子号”等卫星的激光通信。
“当前，我国已经自主建成深空通信网络，它配备了大型无线电天线，可用于和远距离飞行器建立通信联系。近年来，我国已经开展了许多深空探测方面的任务。相信在不久的将来，随着深空站的完善和深空通信技术的发展，我国的深空探测事业将会更上一层楼。”简念川说。（周思同）
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