材料百态

太空中存在许多的高能辐射，无线电信号会受到干扰。那么，我们如何与深空探测器保持通信呢？

1977年9月5日，空间探测器“旅行者1号”发射。从这时候起，它和地面控制中心一直保持着通信，时刻展示人类还未曾涉足的深空。但在2023年11月，人类和“旅行者1号”断联了。准确地说，“旅行者1号”还在向地球传输信号，可惜信号成了无意义的乱码。直到今年4月底，地面团队和“旅行者1号”艰难地重新建立联系。随着人类一步步探索更遥远的太空，一个很重要的问题逐渐浮现：深空通信如何不断联？

旅行者1号探测器遨游深空效果图

与深空探测器联系有多难？

1965年，在美国宇航局兼职的加州理工学院航空学博士生加里·弗兰德罗发现，木星、土星、天王星和海王星将在20世纪70年代末80年代初与地球连成一条弧线。据测算，这条弧线每隔176年出现一次，届时航天器飞过这条弧线上的每颗行星，都能从行星引力中获得加速。如果能够将飞行时间误差范围控制在数十分钟以内，多次引力加速就可以把探测器从地球飞抵海王星的时间从30年缩短至12年。此前，水手10号探测器曾利用引力加速飞掠金星和水星，初步验证了类似操作的优势。

航天器借助天体引力加速示意图

为了抓住这个百年难遇的机会，1977年夏天，美国宇航局在15天内相继发射了两个“姊妹”航天器——“旅行者2号”和“旅行者1号”。它们在土星附近“分道扬镳”，随后“旅行者1号”穿过土星环，掠过土卫六，飞出太阳系行星平面；“旅行者2号”则独自继续前往天王星和海王星。

2012年8月25日，“旅行者1号”越过日球层顶，检测到了科学家早年预测的等离子体密度跃升现象。截至2024年，经过近47年飞行，“旅行者1号”距离地球约240亿千米，相当于地球和太阳距离的160倍。相隔如此遥远，地面团队接收到“旅行者1号”的无线电信号，至少需要等待22.5小时，再经过至少同样的时间后，“旅行者1号”才能通过深空网络接收到地球信号。而且，考虑到“旅行者1号”每天都会飞行3～4光秒（接近30万千米）的距离，所以地球和“旅行者1号”之间通信需要等待的时间会不断延长。

旅行者1号探测器运行效果图

随着“旅行者1号”离地球越来越远，与其保持有效的联系将会越来越难。一方面，“旅行者1号”的信号传输与接收主要依赖无线电波，而无线电信号的强度与距离的平方成反比。随着距离越来越远，无线电信号越来越弱，那么收发设备自身和宇宙背景产生的噪声干扰就会越来越明显。另一方面，近半个世纪以来，地球上广播、电视、手机等无线电信号干扰日益严重，地面团队将越来越难以完整地接收到“旅行者1号”的信息。

那么，怎样保障深空通信稳定呢？这需要航天器与地面团队同心协力。

深空探测器需要“好嗓门”

首要因素就是能源供应。

想要让地球“听”得清楚，深空探测器的“嗓门”就要大，也就是信号强度必须“给力”，那么需要的能量就不可低估。可以说，深空通信想要保持稳定联系，首先要保证探测器有充足的能源供应。

人造卫星普遍依靠太阳能帆板补充能源，但“旅行者1号”离太阳太远，基本上无法利用太阳能。为了解决这个难题，“旅行者1号”用上了原子能——放射性同位素温差热电池。这是一种利用钚-238放射性衰变所产生的热能直接供应直流电的装置。因为同位素衰变释放的能量大小、释放速度均与外界环境无关，确保“旅行者1号”长期有充足的“体力”向地球“喊话”。

“旅行者1号”和“旅行者2号”均使用3块钚同位素电池作为能源。任务之初，核电池的初始输出约为470瓦，随着时间推移，功率以大约6.4瓦/年的速度慢慢下降，而且热电偶等装置性能也在逐渐退化，供能效果逐渐不佳。此前，美国宇航局已关闭了“旅行者1号”的不少子系统、加热器和科学仪器等，希望能够将它的工作寿命延长到2027年，也就是“旅行者1号”发射50周年。届时，“旅行者1号”仍会继续前行，只是不能再向地球发送数据了。

旅行者系列探测器配备的“核电池”

其次是特制的高增益天线。

“旅行者1号”的电源功率不大，导致消耗也必须“精打细算”。比如，它配备的无线电信号发射器功率只有22.4瓦，甚至还不如我们使用的手机充电器。初始无线信号功率这么低，如果不采取措施，那么“旅行者1号”发射的无线电波就会向空间四面八方均匀传播，“分给”地球的信号无疑太少了。

为了确保总功率不大的无线电信号尽量朝向地球传播，探测器上安装了卡塞格伦天线。这是一种用于微波通信的双反射面天线，具备结构简单、设计灵活、波束窄、增益高、噪声低等优势，被广泛应用于卫星通信。

“旅行者1号”的抛物面主天线直径为3.66米，包括X波段（约8.4GHz）的卡塞格伦天线和S波段（约2.3GHz）的正馈抛物面天线。其中，X波段的主天线增益为47dBi，兼有12W和22W两档功率的发射模式。在副反射面上，又安装了一个S波段的低增益天线，主要用于向地球发射圆极化波，波束宽度90度，确保“旅行者1号”不需要在飞行初始阶段精确对准，降低了对姿态控制的要求。至于低增益天线，主要用于“旅行者1号”任务早期阶段调整姿态。

旅行者1号探测器天线结构特写

依靠高增益天线，“旅行者1号”的信号在S波段、X波段波束宽度分别聚拢为0.5度、2.3度，大大提高了向地球发送的信号强度。其中，S波段信号主要用于发送遥测数据，X波段信号则用于传输高分辨率图像和科学数据。

然后是精确姿态控制。

“旅行者1号”为了提高信号发射的天线增益，将无线电波束控制得很窄，为了将高增益天线对准地球，必须对探测器的姿态进行精确控制，否则，很容易“失之毫厘，谬以千里”，导致探测器与地面站断联。

2023年7月21日，美国宇航局向“旅行者2号”发送指令时出现错误，导致其天线从地球方向偏离了2度，地面团队和探测器瞬间断联。直到8月4日，探测器根据新的指令校准天线后，终于与地面团队恢复通信。

最后涉及到通信信号本身。

“旅行者1号”使用的是8.4GHz和2.3GHz通讯频率，属于深空通信上下行链路频率分配的X波段和S频段。之所以选择这两个波段，是因为相关频段上几乎没有任何干扰，人为产生的无线电噪声小，从而提高了信噪比，有利于保持天地无线电通信。

但是，“旅行者1号”距离地球实在太远，加上太空中存在许多复杂而未知的高能辐射，无线电信号还是会受到干扰。根据香农公式，通信实际上能够实现的可靠速率取决于信号与背景噪声的比值。这就意味着，传输距离越远，可实现的传输速率就越低。

旅行者系列探测器的信号受到宇宙深空的复杂因素干扰

1994年，当“旅行者1号”距离地球约60亿千米时，通信速率为7.2千比特/秒。2007年，当“旅行者1号”距离地球约126亿千米时，通信速率下降到1.4千比特/秒。到了今年初，“旅行者1号”与地球的通信速率只能达到160比特/秒，比20世纪90年代拨号上网的速度还慢。

为了减轻数据传输的压力，在相同的传输能力下，将更多数据传回地球，深空探测领域用上了数据压缩技术。为了尽量保存原始图像和科学数据，深空通信一般采用无损压缩，压缩率偏低，约为3∶1。未压缩的“旅行者1号”图像为800×800像素，每像素8比特灰度。其实，典型的行星或卫星图像中包含大量黑色，属于无效信息，通过计算相邻像素灰度级别之间的差别，图像数据压缩能够将一幅典型行星图像的数据量减少60%。

受限于信号微弱、干扰等原因，地球站接收到的数据很可能出错。如果每次发现错误后都重新传输，在通信延时越来越大的情况下，必然耗时耗力。因此，深空探测器采用了纠错编码技术，通过对接收到的信号进行数学校验，就可以检查到出错的数据。“旅行者1号”最初采用级联格雷码+卷积编码的单通道遥测系统，后来在轨升级为级联里德-所罗门码+卷积编码，即以卷积码作为内码、以里德-所罗门码作为外码的典型级联码方案。

所谓纠错编码，实际上是通过增加相关信息比特率、强化信号冗余的方式来减少信息误码率。使用格雷编码算法发送1比特信息需要1比特的开销，而里德-所罗门码编码方案减少到每发送5比特信息才需要1比特的开销，信息误码率则由千分之五减少到百万分之一。随着计算处理能力提高，新的深空探测器也在逐步采用性能更加优异的Toubo码和LDPC码等长码进行信道编码。

地面需要“好耳朵”

为了实现可靠的深空通信，当然不能只靠探测器一端“使劲”，地面站也需要“发力”，两者通力合作，天地通信链路才能打通。

一方面，有必要构建覆盖全球的深空测控网。

由于地球自转会遮挡信号，极大影响通信效果，只有在全球部署一定数量的深空通讯设施，才能保证地面团队与深空探测器不断联。

“旅行者1号”与地球之间的通信是通过美国宇航局的深空探测网实现的。这是一个由分布在全球的3个综合测控通信设施构成的网络，也是目前世界上能力最强、规模最大的深空测控通信系统，每组设施包含1部直径达70米的主天线、4~7部直径34米的副天线以及1部直径26米和1部直径11米的中小口径天线，能够与航天器进行不间断的通信。

美国宇航局深空网系统始建于1958年，经过3年时间，建成了加州金石、澳大利亚伍墨拉和南非约翰内斯堡共3个深空站系统，1963年正式命名为深空网。1965年，美国宇航局在西班牙马德里和澳大利亚堪培拉新建了两个深空站。1974年，美国宇航局关闭了伍墨拉和约翰内斯堡两处设施后，形成了目前的三站格局。这些站点由位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室负责控制、维护与管理。

美国加州沙漠中的金石雷达站

除了美国外，其他国家和组织也在积极建设深空网络。比如，欧空局建成了包含澳大利亚新诺舍站、西班牙塞弗雷罗斯站和阿根廷马拉圭站的深空网，由位于德国达姆施塔特的欧洲空间操作中心进行远程操作控制。我国在佳木斯（国土最东部）、喀什（国土最西部）和萨帕拉（阿根廷西部）部署深空站，实现超过92%的天域覆盖有效通信。俄罗斯、日本、印度等国也研制并建设了深空测控设备,但暂未组成完整的深空测控网，其中俄罗斯使用的一些地面设施和特殊船只是从苏联继承下来的。

国外深空通信地面站

另一方面，需要配置功能强大的地面设备。

专门用于深空航天器测控和数据传输的地面设施一般配有大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度接收系统、信号处理系统以及高精度高稳定度的时间频率系统，能对距离地球至少数百万千米的深空航天器进行测控。

深空探测网络的大口径天线

在深空通信地面设备中，最引人注目的是硕大的天线。用于和“旅行者1号”通信的是直径70米的全可动抛物面高增益反射天线。该天线是在“旅行者”计划实施后从64米直径天线升级而来的，通过移走原天线的旧金属面板和结构支架，安装全新的外部支撑结构和精密面板，并将面板表面调整到亚毫米级精度。此外，该天线还引入了全息对齐技术，用来准确聚焦X频段射频信号。据统计，70米口径天线的面积达到3850平方米，相当于10个篮球场，总重量达2500多吨，增益到达了2000多万倍的数量级。

经过直径70米天线聚焦放大后，“旅行者1号”的信号强度只有通常手机可接收的最弱信号的十万分之一。为了接收如此微弱的信号，需要将天线的接收组件冷却到接近绝对零度，利用超导效应，实现超高灵敏度、极低噪音。随后，设备再对接收到的信号进行放大，才能还原出原始信号。

除了接受信号必须“卯足劲”外，向深空探测器发信号也要“竭尽全力”。以美国宇航局位于澳大利亚堪培拉通信站的70米直径天线为例，为了“照顾”“旅行者1号”的信号接收装置，地面站“下足血本”，S波段发射输出功率达到400千瓦。尽管如此，地面以2.1GHz的频率向“旅行者1号”发送的指令速率也仅能达到16比特/秒，可见深空通信是一件多么高难度的事。

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