在航空航天領(lǐng)域，通信可是非常非常重要的。如果你到北京密云水庫或者上海佘山去旅游，可能會遠遠看到壯觀的巨型拋物面天線在遙望天空，那是我國深空測控網(wǎng)絡(luò)的地面站，擔負著和遙遠太空中的航天器保持聯(lián)系，并且控制它們的重任。有了這些龐然大物，天上的飛船和空間站才不會成為斷線的風箏。那么，我們是如何遙控航天器并且接受從太空傳回的信息呢？

在講述航天通信特別是深空通信前，要先講清楚幾個基礎(chǔ)概念：

航天通信分上行鏈路和下行鏈路。上行，指地面上傳信息到航天器，例如遙控指令；下行，則是航天器發(fā)送信息到地面，例如航天器自身狀況的遙測數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、廣播信號等。

而通信的基本步驟，是把信息編碼并調(diào)制到載體上，例如用中文寫在紙上或者轉(zhuǎn)換成無線電信號，然后通過信道發(fā)送出去，對方接收到后，解調(diào)、解碼還原讀取信息。在這個過程中，可能會受到各種干擾，影響信息的傳輸。

例如我們的地球有稠密的大氣層，提供我們呼吸的空氣并且保護我們免受輻射傷害。但大氣層同時也會阻礙信號的傳輸，例如大氣層中的水蒸氣，會吸收部分頻率的無線電，高空的電離層則又會反射某些頻率的無線電。所以，要和太空通信，必須選擇能有效穿透大氣層的頻率。

然后，生活中的無線電環(huán)境其實很嘈雜，從手機到路由器甚至微波爐都會發(fā)出無線電。宇宙中還有很多能發(fā)出無線電的天體和自然現(xiàn)象，例如宇宙背景輻射、太陽和行星磁場活動等，都會帶來干擾，需要避開或者設(shè)法排除，就像在嘈雜的環(huán)境中和人說話一樣。

再有就是航天器距離遙遠，比你的手機和路由器、信號基站之間的距離要遠得多，而且航天器信號發(fā)送功率也遠小于手機基站，所以信號也自然弱得多，因此，需要用巨大的天線聚焦增強信號，也需要非常靈敏的接收器來檢測。地球和航天器都在不停運動，這也會影響信號的傳輸——可能會因為航天器飛到地球背面而失聯(lián)，或者是沒互相對準而影響傳輸。這些原因限制了通信速度，同時也影響信號的穩(wěn)定性，容易漏傳或者出錯，需要額外重復和復雜的編碼與算法進行糾錯和數(shù)據(jù)壓縮來確保能夠完成任務(wù)，還要能夠精確測量航天器移動對信號的影響，從而了解航天器運動和軌道情況，這是非常復雜的高科技系統(tǒng)工程。

大眾最熟悉的航天通信可能是衛(wèi)星電視，衛(wèi)星電視通常依靠直徑1米左右的拋物面天線聚焦接收來自通信衛(wèi)星的信號，這些通信衛(wèi)星懸停在海拔35，786千米高的地球靜止軌道，這最早是著名科幻作家阿瑟·克拉克提出的，于是又叫克拉克軌道。地面接收到的靜止軌道衛(wèi)星電視信號的能量，大約在納瓦特級別，也就是十億分之一瓦，這聽起來非常微弱。實際上這和真正的深空通信相比，簡直太清晰了。

因為深空航天器的距離比地球靜止軌道遠很多，光是月球就比靜止軌道遠11倍左右，信號強度則是按平方衰減，掉得很快，而且商業(yè)通信衛(wèi)星的信號發(fā)送功率，通常是深空探測器的10倍以上。于是就需要直徑幾十米的巨型天線來滿足聚焦增強信號的需求，它們既能聚焦增強航天器下行信號，也能像探照燈一樣，讓地面上行的信號定向發(fā)送，避免四散開來浪費掉，從而增強航天器接收到的地面信號強度。同樣的，航天器通常也有拋物面天線執(zhí)行類似功能，天線對信號的增強稱作增益。拋物面反射天線，屬于高增益天線，也因為定向性需要互相對準才行，為了避免失聯(lián)，航天器還有全方向的低增益天線，以便在不佳條件下保持通信，不過帶寬速度會低得多。有些航天器使用相控陣天線來擴大全方向通信速度，例如馬斯克的“星鏈”通信衛(wèi)星、“信使號”水星探測器等，但聚焦能力還是不如拋物面天線。由于天線越大，信號就越好、帶寬速度就越高，而火箭整流罩空間有限，于是人們就發(fā)明了折疊式航天器天線。折疊式反射天線有很多類型，有的像傘一樣打開，有的則是環(huán)形展開的桁架網(wǎng)，目前最大的航天折疊天線的直徑能做到驚人的120～150米，應(yīng)用于很多航天器例如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等。但這也帶來了額外的故障風險，“伽利略號”木星探測器，就出現(xiàn)了無法展開增益天線的故障，只能用低帶寬的低增益天線發(fā)送科學數(shù)據(jù)。

那深空通信究竟有多難？美國航空航天局從信號強度、噪波干擾帶來的信號損失等原因估算：相比地球靜止軌道，月球要難一百倍、火星難五千六百萬倍、木星難四億倍。“伽利略號”從木星傳回的信號，到地球通過70米天線聚焦后，也只有十萬億分之一瓦特！人類第一個冥王星探測器“新視野號”，信號發(fā)送功率為12.6瓦，在45天文單位也就是67億千米外發(fā)回的信號，用地面70米直徑拋物面天線接收的下行帶寬為0.8kb，需要很長時間才能傳完任務(wù)數(shù)據(jù)，可見深空通信的艱難。有人想，能不能通過太陽放大信號？很可惜，因為太陽本身不但會遮擋信號，還會散發(fā)出很多干擾，所以當太陽擋在地球和火星之間時，探測器會有十幾天的失聯(lián)時間。那到底怎樣才能讓深空通信速度更快呢？

首先，可以增強航天器的信號發(fā)送功率，例如使用核反應(yīng)堆發(fā)電，并使用更強的信號發(fā)射器、更大的天線、更高信號頻率，使得信號能量更高，波束也更細、發(fā)散更小。接收端也用更大的天線，更靈敏的接收器、更安靜的環(huán)境，就能有效提升帶寬。

另一種就是改用激光取代無線電微波信號，激光本身可用頻率范圍高，相當于路更寬，同時發(fā)散也小得多。能量高度定向集中，對帶寬提升非常巨大，能輕松有10倍以上的提升。激光通信依靠光學望遠鏡而不是天線來收發(fā)信號，已經(jīng)是未來太空通信的寵兒。我國的“墨子號”衛(wèi)星就用激光通信發(fā)送量子加密信息。

航天通信還有很多有趣的知識和故事，未來航天通信科技的進步，能讓我們更清晰、更詳細地從遠方探測器的窺視中，了解神奇的宇宙。