周思同

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2023 年8 月4 日，美國(guó)國(guó)家航空和航天局（NASA）在其網(wǎng)站上宣布，其終于與距離地球約200億千米的旅行者2 號(hào)空間探測(cè)器恢復(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(hào)指向地球天線的方向偏離了2°，導(dǎo)致其無(wú)法正常與地球進(jìn)行通信。

天線位置僅僅2°的偏差，為何就會(huì)導(dǎo)致旅行者2號(hào)與地球失聯(lián)？

天線偏差1.3°就會(huì)失聯(lián)

要解釋此次旅行者2號(hào)失聯(lián)的原因，首先要了解深空探測(cè)器與地球的聯(lián)絡(luò)方式。

“和其他所有的深空探測(cè)器一樣，旅行者2號(hào)是借助無(wú)線電載波上的調(diào)制信息與地面進(jìn)行通信的?！敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松表示。

無(wú)線電載波是電磁波的一種。1865年，英國(guó)著名物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋從理論上證明了電場(chǎng)和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)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(chǔ)上，德國(guó)物理學(xué)家海因里?！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(jué)到，只要有變化的電流通過(guò)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(duì)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?？茖W(xué)家將這一現(xiàn)象背后的原理和無(wú)線電雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出無(wú)線電通信、深空測(cè)控和雷達(dá)探測(cè)等一系列技術(shù)。

平勁松介紹，旅行者2號(hào)使用的通信方式便屬于其中之一。它裝備了一臺(tái)直徑達(dá)3.7米的拋物面高增益天線，這使它能在數(shù)百億千米外利用電磁波中的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200億千米這個(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°。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(hào)。此前，由于地面控制人員發(fā)出的錯(cuò)誤指令，旅行者2號(hào)指向地球天線的方向偏離原來(lái)位置2°，這已經(jīng)遠(yuǎn)超1.3°的限制，導(dǎo)致了旅行者2號(hào)的失聯(lián)。

通過(guò)大功率全向通信重建聯(lián)系

然而，就在當(dāng)?shù)貢r(shí)間2023年8月1日，NASA 的國(guó)際天線網(wǎng)絡(luò)——深空網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)到了來(lái)自旅行者2號(hào)的微弱載波信號(hào)，這是探測(cè)器發(fā)出的“我仍在正常運(yùn)行”的基礎(chǔ)通信信號(hào)。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(hào)發(fā)送了“星際呼喚”指令，要求它對(duì)地定向并反饋操作成功的遙測(cè)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(hào)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?！敝袊?guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員簡(jiǎn)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(yáng)系空間，因此無(wú)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(hào)的失聯(lián)，揭示了無(wú)線電通信技術(shù)的固有弊端。如今，無(wú)線電通信技術(shù)正不斷升級(jí)，更穩(wěn)定、更高效的數(shù)據(jù)傳輸方式不斷涌現(xiàn)。

簡(jiǎn)念川介紹，在早期，大部分探測(cè)器都和旅行者2號(hào)一樣，是利用電磁波中的S 波段或X 波段與地球通信的；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)家正著手研究使用Ka 波段與探測(cè)器進(jìn)行通信。與X 波段相比，這個(gè)波段的頻率更高、信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)、帶寬更寬，是無(wú)線電通信技術(shù)升級(jí)的一個(gè)重要方向。

除了無(wú)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(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(shù)據(jù)傳輸速度也更快。目前，美國(guó)工程師已經(jīng)借助月球探測(cè)器，成功實(shí)現(xiàn)了地月之間的激光通信。未來(lái)，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(wú)線電技術(shù)進(jìn)行一體化運(yùn)用。2010年前后，美國(guó)深空網(wǎng)絡(luò)的工程師就已經(jīng)對(duì)該技術(shù)的設(shè)計(jì)和研發(fā)進(jìn)行了初步測(cè)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(jiǎn)念川介紹，量子通信的優(yōu)勢(shì)在于保密性較強(qiáng)，第三方無(wú)法截獲和解密通信內(nèi)容。我國(guó)發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)，便是為了進(jìn)行量子通信方面的實(shí)驗(yàn)。2022年，我國(guó)科研人員利用墨子號(hào)實(shí)現(xiàn)了地球上相距1200千米的兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸。

我國(guó)已建立自主網(wǎng)絡(luò)

墨子號(hào)取得的成果，只是我國(guó)深空通信技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)縮影。自2003年神舟五號(hào)發(fā)射升空至今，我國(guó)的深空通信領(lǐng)域已走過(guò)了20年，在無(wú)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(guó)已在該領(lǐng)域的多個(gè)技術(shù)層面取得突破。

在無(wú)線電通信層面，我國(guó)已將統(tǒng)一S 波段測(cè)控通信、統(tǒng)一X 波段測(cè)控通信等技術(shù)運(yùn)用到與祝融號(hào)火星車、玉兔二號(hào)月球車、綜合性太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星夸父一號(hào)等探測(cè)器的通信中。與此同時(shí)，我國(guó)目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與墨子號(hào)等衛(wèi)星的激光通信。

“當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)自主建成深空通信網(wǎng)絡(luò)，它配備了大型無(wú)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(lái)，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了許多深空探測(cè)方面的任務(wù)。相信在不久的將來(lái)，隨著深空站的完善和深空通信技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的深空探測(cè)事業(yè)將會(huì)更上一層樓?！焙?jiǎn)念川說(shuō)。