走近美國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)

□ 謝 懿/編譯

如果你認(rèn)為和一個(gè)正在太陽(yáng)系中遨游的探測(cè)器通話是一項(xiàng)挑戰(zhàn)的話，那么你可以想象一下和30個(gè)探測(cè)器保持聯(lián)系會(huì)是什么樣的情景。美國(guó)航宇局的這些遠(yuǎn)征軍究竟是如何往家里“打電話”的呢……

50年來(lái)美國(guó)航宇局（NASA）深空測(cè)控網(wǎng)（DSN）所接收過(guò)數(shù)據(jù)的探測(cè)器名單讀起來(lái)就像是人類太陽(yáng)系無(wú)人探測(cè)的名人錄，“先驅(qū)者”號(hào)、“水手”號(hào)、 “旅行者”號(hào)、“伽利略”、“卡西尼”-“惠更斯”、“深度撞擊”、“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)等一一在列。然而，在這些探測(cè)任務(wù)所發(fā)回的驚人照片和科學(xué)結(jié)果不斷激發(fā)我們想象的同時(shí)，我們似乎卻忽略了這些數(shù)據(jù)是怎樣從太陽(yáng)系的邊緣躍然到NASA網(wǎng)站之上的。

與它的價(jià)值相比，DSN并沒(méi)有得到應(yīng)有的關(guān)注?！八窃谏羁罩羞\(yùn)轉(zhuǎn)的探測(cè)器和地面之間的生命線，”NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）DSN深空任務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目主管邁克爾·羅德里格斯說(shuō)，“沒(méi)有它，就沒(méi)有空間探測(cè)?！?/p>

深空測(cè)控網(wǎng)位于西班牙馬德里的70米天線

深空測(cè)控網(wǎng)位于澳大利亞堪培拉的70米和34米天線

DSN是同類型中唯一可以為幾十個(gè)深空探測(cè)任務(wù)同時(shí)提供服務(wù)的系統(tǒng)，而深空探測(cè)的官方定義為到地球距離超過(guò)190萬(wàn)千米的探測(cè)任務(wù)。目前DSN正支持著大約30個(gè)探測(cè)器，這其中既包括了地球軌道上的一些探測(cè)器，也包括了對(duì)近地小行星、月球、水星和金星所進(jìn)行的雷達(dá)探測(cè)。事實(shí)上，DSN位于美國(guó)加利福尼亞州金石的50萬(wàn)瓦雷達(dá)是全世界X波段（7千兆赫～12千兆赫）雷達(dá)中最強(qiáng)大的。

1991年，通過(guò)金石雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，水星極地環(huán)形山的陰影中似乎存在著本不應(yīng)存在的冰。這一雷達(dá)也可以用來(lái)跟蹤近地軌道上的太空垃圾，而有時(shí)它甚至還會(huì)充當(dāng)射電望遠(yuǎn)鏡的角色?！笆聦?shí)上DSN并不僅僅是一個(gè)通訊工具，”羅德里格斯提醒說(shuō)。

DSN的天線在經(jīng)度上以120°為間隔遍布全球，包括美國(guó)加州金石、西班牙馬德里以及澳大利亞的堪培拉。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)使得一處的天線無(wú)法再和探測(cè)器通訊的時(shí)候，另一處的天線就會(huì)轉(zhuǎn)到朝向它的位置。羅德里格斯說(shuō)：“我們可以連續(xù)監(jiān)測(cè)位于地球同步軌道以外的任何一個(gè)物體?！?/p>

當(dāng)DSN和探測(cè)器之間進(jìn)行通訊的時(shí)候，取決于探測(cè)器的距離DSN可以在幾厘米到幾米的精度范圍內(nèi)確定它的位置。因此即便DSN無(wú)法用來(lái)為探測(cè)器導(dǎo)航，但它所能提供的信息對(duì)于引導(dǎo)任務(wù)來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的。

DSN偶爾也會(huì)扮演探測(cè)任務(wù)“救星”的角色。當(dāng)伽利略木星探測(cè)器上的高增益天線無(wú)法完全打開(kāi)的時(shí)候，DSN重新配置了地面上的設(shè)備以此來(lái)使用“伽利略”上的低增益天線。這使得“伽利略”探測(cè)任務(wù)中80%的科學(xué)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

此外，在發(fā)射之后的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)歐洲空間局（ESA）的惠更斯探測(cè)器和NASA的卡西尼探測(cè)器之間存在通訊問(wèn)題，而前者要依賴后者來(lái)向地球發(fā)送數(shù)據(jù)。 “為此我們重新調(diào)配了探測(cè)網(wǎng)中的天線來(lái)捕捉‘惠更斯’的信號(hào)，獲得了更多的信息，”羅德里格斯解釋說(shuō)。

管理問(wèn)題

2006年6月，DSN的管理者發(fā)現(xiàn)他們自己一反常態(tài)地成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。檢修D(zhuǎn)SN核心設(shè)備之一的、馬德里70米天線的工程師發(fā)現(xiàn)，在支持 1,900噸天線的承座上存在裂縫。

更換承座意味著維護(hù)時(shí)間的翻倍，這將使得它在2007年1月之前都無(wú)法投入使用?！爱?dāng)時(shí)很多探測(cè)任務(wù)都計(jì)劃要使用這一天線，”羅德里格斯回憶說(shuō)，“但突然間被告知不能用了，他們不得不重新做出安排，著實(shí)造成了不小的恐慌?！?/p>

這一事件也使得人們開(kāi)始更多的關(guān)注正在被老化的硬件、延長(zhǎng)的探測(cè)任務(wù)以及不斷增加的新探測(cè)器壓得喘不過(guò)氣的DSN。就在工程師發(fā)現(xiàn)馬德里的天線存在問(wèn)題之前幾個(gè)月，做為美國(guó)國(guó)會(huì)調(diào)查機(jī)構(gòu)的政府問(wèn)責(zé)辦公室公布了一份報(bào)告，報(bào)告要求對(duì)DSN滿足日益增長(zhǎng)需求的能力予以關(guān)注。

報(bào)告中寫(xiě)道，DSN正在老化，而且可能會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的問(wèn)題，最后也許會(huì)在需求不斷上升的情況下崩潰。由此造成的科學(xué)數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)是難以承受的。

日落時(shí)分的金石70米天線

1958年金石方圓數(shù)千米范圍之內(nèi)唯一的建筑就是這個(gè)廢棄的礦井

馬德里天線更換承座危及到了當(dāng)時(shí)剛到達(dá)火星并且正處于精細(xì)軌道調(diào)整階段的環(huán)火星巡邏者。與此同時(shí)，卡西尼探測(cè)器也正在發(fā)回土星及其衛(wèi)星的大量探測(cè)數(shù)據(jù)。由于火星和土星在天空中的距離不到30°，因此這兩個(gè)探測(cè)項(xiàng)目的管理者都希望在同一時(shí)間使用DSN中的同一個(gè)天線。

做為補(bǔ)救，DSN“部署”了多個(gè)34米的天線，通過(guò)綜合它們所獲得的信號(hào)來(lái)達(dá)到原先大型天線所能達(dá)到的高傳輸率。一些探測(cè)任務(wù)不得不為此降低它們的信號(hào)傳輸率以此來(lái)適應(yīng)34米的天線。而對(duì)于“卡西尼”的科學(xué)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們不得不為此來(lái)決定哪些觀測(cè)數(shù)據(jù)要優(yōu)先發(fā)回地球，而哪些數(shù)據(jù)將就此永遠(yuǎn)消失在太空中。

天線陣

不過(guò)現(xiàn)在天線陣已經(jīng)不再是一種應(yīng)急的措施了，它使得任務(wù)的管理者可以更好地與探測(cè)器之間建立聯(lián)系。這樣一來(lái)，對(duì)于相同的信號(hào)強(qiáng)度就可以擁有更大的通訊帶寬，也意味著更高的數(shù)據(jù)傳輸率。它相當(dāng)于綜合了許多小天線，使它們像一個(gè)大天線一樣工作。按照羅德里格斯的說(shuō)法，預(yù)計(jì)于2011年發(fā)射的“朱諾”木星探測(cè)器就可能會(huì)使用天線陣。目前正前往冥王星的“新地平線”探測(cè)器可能也會(huì)使用它。

而斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡則是使用天線陣的常客?！半m然‘斯皮策’距離我們并不是很遠(yuǎn)，但是它正在不斷遠(yuǎn)離地球，而且它上面的發(fā)射器功率也不是很大，”羅德里格斯解釋說(shuō)。事實(shí)上，“斯皮策”的運(yùn)轉(zhuǎn)方式為我們提供了一個(gè)一窺探測(cè)任務(wù)管理者、探測(cè)器以及DSN之間如何相互作用的絕佳機(jī)會(huì)。

2003年8月25日“斯皮策”被發(fā)射到了一條尾隨地球的獨(dú)特軌道上?！八蛊げ摺比蝿?wù)主管查爾斯·斯科特說(shuō)：“在相同的軌道上‘斯皮策’會(huì)尾隨著地球一起繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而與此同時(shí)它也在慢慢遠(yuǎn)離地球?！彼x開(kāi)地球的速度大約為每年1800萬(wàn)千米。

之所以選擇這樣的軌道是為了使得“斯皮策”的太陽(yáng)能電池板可以一直對(duì)著太陽(yáng)，這樣一來(lái)也可以保護(hù)望遠(yuǎn)鏡免受陽(yáng)光的直接照射。而在與之相反的另一側(cè)，“斯皮策”則是完全暴露在太空中的，沒(méi)有任何保護(hù)。由于要進(jìn)行紅外觀測(cè)，它上面的望遠(yuǎn)鏡也被冷卻到了-248℃。

“斯皮策”發(fā)射時(shí)攜帶了360升液態(tài)氦制冷劑?！八蛊げ摺表?xiàng)目科學(xué)家邁克爾·沃納說(shuō)：“我們已經(jīng)打破了所有使用制冷劑探測(cè)器的最長(zhǎng)壽命紀(jì)錄?！逼渲械拿卦E就是“斯皮策”的軌道。即使不使用制冷劑，“斯皮策”自身的溫度就可以使得它上面搭載的儀器在兩個(gè)紅外波段上進(jìn)行不間斷的觀測(cè)。

但是由于它處于尾隨地球的軌道上，因此它也有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)?！拔覀兒茈y在想要的數(shù)據(jù)傳輸率下和探測(cè)器之間建立通訊，”斯科特說(shuō)，“當(dāng)‘斯皮策’越飛越遠(yuǎn)的時(shí)候，數(shù)據(jù)的傳送速率就會(huì)不斷降低?！?/p>

先驅(qū)者深空測(cè)控站天線是深空測(cè)控網(wǎng)中的第一個(gè)，1985年被定為美國(guó)國(guó)家歷史標(biāo)志

“斯皮策”望遠(yuǎn)鏡會(huì)把高增益天線對(duì)準(zhǔn)地球用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收指令

由于“斯皮策”上的液氦制冷劑會(huì)緩慢地蒸發(fā)，因此科學(xué)家們想盡量使得“斯皮策”處于最高效的工作狀態(tài)，這樣就可以在2009年4月底制冷劑耗盡之前完成絕大部分的觀測(cè)。

“我們必須盡可能的高效，”斯科特說(shuō)，而“斯皮策”在紅外波段的表現(xiàn)也相當(dāng)不錯(cuò)。從總體來(lái)看，到目前為止觀測(cè)、指向目標(biāo)以及校準(zhǔn)儀器所花的時(shí)間占了總時(shí)間的90.64%。

“而高效的一部分則來(lái)自于數(shù)據(jù)的高速下行傳輸，”斯科特解釋說(shuō)，“我們通常采用的下行傳輸速率為每秒2.2兆。當(dāng)然隨著‘斯皮策’在不斷遠(yuǎn)離地球，我們不得不采用更大口徑的天線才能做到這一點(diǎn)。”

在發(fā)射的時(shí)候，單個(gè)34米的天線就能接收“斯皮策”的數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)在則必須要用70米的天線。在DSN中只有3個(gè)這么大的天線，而當(dāng)馬德里的天線出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，就無(wú)法保證它們隨時(shí)都可以使用了。因此斯科特開(kāi)始使用天線陣，綜合多個(gè)小天線所獲得的信號(hào)來(lái)達(dá)到一個(gè)大天線的效果?！伴_(kāi)始的時(shí)候我們采用2個(gè) 34米的天線，現(xiàn)在我們則要用4個(gè)，”他說(shuō)。為了在2009年10月依然能維持目前的“斯皮策”數(shù)據(jù)傳輸率，DSN就需要1個(gè)70米的天線和1個(gè)30米的天線組成的天線陣。

與“斯皮策”的舞蹈

安排“斯皮策”和DSN的通訊是一件非常復(fù)雜的事情，通常由任務(wù)主管來(lái)負(fù)責(zé)。在這個(gè)過(guò)程中，地面會(huì)向探測(cè)器以及星上儀器發(fā)送一系列指令，然后探測(cè)器會(huì)向地面發(fā)送信號(hào)并且開(kāi)始下載數(shù)據(jù)。

許多類似“卡西尼”這樣的探測(cè)任務(wù)在與地球可進(jìn)行通訊的情況下，要求DSN一刻不離地緊盯著探測(cè)器，而這通常要持續(xù)許多個(gè)小時(shí)。但是對(duì)于“斯皮策”來(lái)說(shuō)大約每天只需要兩次90分鐘的通訊即可。在每次和地面的通訊過(guò)程中，“斯皮策”會(huì)把它的高增益X波段天線對(duì)準(zhǔn)地球，然后等待地面的指令，之后就會(huì)在接下去的20-60分鐘里向地面?zhèn)鬏斢^測(cè)數(shù)據(jù)。“斯皮策”上2千兆的內(nèi)存可以儲(chǔ)存3次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

當(dāng)“斯皮策”向地面發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，地面也會(huì)向它發(fā)出新的指令。為此“斯皮策”的控制人員會(huì)花上5周的時(shí)間來(lái)編寫(xiě)和測(cè)試這些指令。“我們總是試圖‘喂飽’它，”斯科特說(shuō)。

這些指令包括了下一次觀測(cè)的安排、儀器的校準(zhǔn)以及通訊的時(shí)間，并且還會(huì)告訴它刪除先前已經(jīng)發(fā)回地面的數(shù)據(jù)以及發(fā)送那么沒(méi)有接收到的數(shù)據(jù)。

斯科特說(shuō)，我們沒(méi)有很多時(shí)間來(lái)一下子把所有的事情都做了。而且一旦“斯皮策”完成了下行的數(shù)據(jù)傳輸，它就會(huì)繼續(xù)觀測(cè)而不理會(huì)控制小組的上行指令是否到位，除非控制小組直接對(duì)其進(jìn)行干預(yù)?！斑@就像跳舞，”他說(shuō)，“你必須隨著你的舞伴一起移動(dòng)，并且隨時(shí)準(zhǔn)備接住你的舞伴。你不得不在這些通訊的過(guò)程中全神貫注，這也正是‘斯皮策’難以操縱管理的原因?！?/p>

然而，斯科特認(rèn)為這樣的高交互式通訊會(huì)越來(lái)越普遍?！斑@使得我們可以靈活性地完成不同的觀測(cè)，”他說(shuō)，“我們是第一批采用這一通訊方式的探測(cè)任務(wù)之一，并且我認(rèn)為這在未來(lái)5年～10年里會(huì)變得越來(lái)越普遍?！?/p>

DSN也在促進(jìn)著自身的變化。根據(jù)JPL的馬克·約翰斯頓的估計(jì)，到2030年DSN所要支持的探測(cè)任務(wù)數(shù)量會(huì)達(dá)到現(xiàn)在3倍，而數(shù)據(jù)量則會(huì)超過(guò)現(xiàn)在的100倍以上。做出這一預(yù)期的原因之一是很多計(jì)劃中的探測(cè)任務(wù)都將采用由多顆探測(cè)器組成的“星座”集群。

為了跟上發(fā)展的步伐，DSN也在研究更大型的陣列。與采用一系列相對(duì)較大型的天線不同，新的深空測(cè)控網(wǎng)將采用400面12米的中型天線。研究顯示三個(gè)這樣沿經(jīng)度以120°為間隔分布的陣列可以把目前的空間通訊能力提高10倍。

無(wú)論DSN的未來(lái)會(huì)是什么樣子，它無(wú)疑是我們唯一真正的行星際橋梁。與它保持著聯(lián)系的“旅行者”號(hào)已經(jīng)飛到了太陽(yáng)系的邊緣?！拔乙恢敝杂谶@一空間探測(cè)中不可或缺的通訊工具，”邁克爾·羅德里格斯說(shuō)，“每當(dāng)和人們談起它的時(shí)候都會(huì)提醒我它是多么的獨(dú)一無(wú)二?！?/p>

相關(guān)鏈接

美國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)的簡(jiǎn)史

1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“人造衛(wèi)星”1號(hào)。做為回應(yīng)，美國(guó)在1958年1月31日發(fā)射了由加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）設(shè)計(jì)制造的人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者”1號(hào)。

但是當(dāng)時(shí)JPL的主任生于新西蘭的威廉·皮克林已經(jīng)把目光放到了地球軌道以外。他想把小型探測(cè)器送往月球，但是能與這樣一個(gè)距離超過(guò)“探險(xiǎn)者”1,000倍以上的探測(cè)器建立通訊的系統(tǒng)當(dāng)時(shí)并不存在。

而探測(cè)器和地球之間的無(wú)線電聯(lián)系又是非常重要的。除了能發(fā)回科學(xué)數(shù)據(jù)以外，它還能告訴我們探測(cè)器的速度、加速度以及探測(cè)器上各個(gè)系統(tǒng)的“健康”狀況。

任何一個(gè)想要和月球探測(cè)器之間建立通訊的跟蹤站都要避開(kāi)無(wú)線電干擾。1958年3月，JPL選中了位于沙漠之中的金石。當(dāng)時(shí)一個(gè)被廢棄的礦井是那里數(shù)千米范圍之內(nèi)唯一的建筑。

金石跟蹤站有一架直徑26米的天線，它是深空測(cè)控網(wǎng)中的第一個(gè)天線。它剛好在1958年12月6日“先驅(qū)者”3號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射之前投入使用。不過(guò)“先驅(qū)者”3號(hào)最終并沒(méi)有飛掠月球，但是它發(fā)回了有關(guān)地球輻射帶的數(shù)據(jù)。之后，這架天線便以“先驅(qū)者”的名字命名，成為“先驅(qū)者深空測(cè)控站”。

1959年3月3日發(fā)射的“先驅(qū)者”4號(hào)從距離月球6.02萬(wàn)千米的地方飛過(guò)，并且進(jìn)入了一條太陽(yáng)軌道。先驅(qū)者深空測(cè)控站一直跟蹤這個(gè)探測(cè)器到了距離地球65.5萬(wàn)千米的地方，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)空間通訊的紀(jì)錄。

1985年，美國(guó)內(nèi)政部將先驅(qū)者深空測(cè)控站定為了國(guó)家歷史標(biāo)志。

（插頁(yè)完）