看天線，識(shí)衛(wèi)星
——漫談衛(wèi)星天線（五）：深空探測(cè)器的“大鍋”及其測(cè)控網(wǎng)（下）

袁東

深空探測(cè)器，一旦踏上漫漫星際征途，就一去不返，漸行漸遠(yuǎn)，飛得最遠(yuǎn)的旅行者1號(hào)探測(cè)器距離地球已經(jīng)有144個(gè)地日距離（AU，1個(gè)地日距離約1.5億公里）。然而依靠特殊的天線技術(shù)，地球至今仍能夠和這些無畏的使者保持聯(lián)系。請(qǐng)看本期——深空探測(cè)器的“大鍋”及其測(cè)控網(wǎng)（下）。

三、贏在起跑線，卻未能笑到終點(diǎn)的蘇聯(lián)深空探測(cè)辛酸史

拿到了撞月、探月的多個(gè)第一，也深刻認(rèn)識(shí)到測(cè)控網(wǎng)的重要性，工欲善其事，必先利其器，蘇聯(lián)下定決心克服地球測(cè)控站的短板。

在科羅廖夫和克爾德什的提議下，1959年作為金星探測(cè)計(jì)劃的一部分，代號(hào)為“冥王星”的深空測(cè)控網(wǎng)項(xiàng)目啟動(dòng)，在不到一年的時(shí)間里，在克里米亞半島的葉夫帕托里亞建成了一座深空通信中心。

“冥王星”深空測(cè)控網(wǎng)由三個(gè)ADU-1000天線組成。每個(gè)天線有8個(gè)直徑16米的鋁制卡塞格倫天線，由退役柴電潛艇的原型耐壓殼體作為支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)基座安裝在鐵路橋桁架上，而為了承受天線和基座1500噸的巨大重量，天線的旋轉(zhuǎn)底座甚至采用了重型巡洋艦三聯(lián)裝305毫米主炮塔的炮塔座圈，帶有濃濃的北極熊后現(xiàn)代粗曠風(fēng)格。不過這些七拼八湊，其實(shí)是在和時(shí)間賽跑?。▍⒁妶D15）

圖15 8個(gè)直徑16米天線組陣，達(dá)到更大的天線孔徑

在北場(chǎng)，建造了兩個(gè)接收天線，用液氮冷卻的低噪聲參數(shù)MASER放大器接收信號(hào)，靈敏度提高了六倍，最高數(shù)據(jù)接收能力達(dá)到4Mbps/秒；距離北站8.5公里處的南站建造了一個(gè)發(fā)射機(jī)，最大發(fā)射功率80kW。“冥王星”深空測(cè)控網(wǎng)支持了所有蘇聯(lián)太空計(jì)劃，直到1978年Yevpatoria RT-70射電望遠(yuǎn)鏡建成后才轉(zhuǎn)為備用系統(tǒng)。他是1966年美國(guó)金石（Goldstone）64米深空站之前世界上最大的深空通信系統(tǒng)。說實(shí)話，三體迷最擔(dān)心的事情，其實(shí)他早干了！1962年11月19日和24日，它朝天秤座星座HD131336的方向發(fā)送了“MIR”、“LENIN”和“CCCP”！這些信息（分別為和平、列寧、蘇聯(lián)）是人類歷史上第一個(gè)向地外文明的無線電廣播，而令人感慨的是，如今，發(fā)這些信息的政體已經(jīng)不復(fù)存在……（參見圖16）

為了彌補(bǔ)陸基測(cè)控站的不足，蘇聯(lián)自1967年開始改裝和建造航天測(cè)量船，數(shù)量達(dá)到十多艘。其中“尤里·加加林”（Kosmonaut Yuri Gagarin）級(jí)（1909型）是世界上最著名、也是噸位最大的航天測(cè)控船，滿載排水量53500噸。另外還建造了核動(dòng)力的“泰坦”（Titan）級(jí)（1941型）核動(dòng)力大型情報(bào)/指揮/測(cè)控船（北約代號(hào)“白菜”）。（參見圖17）

有了深空探測(cè)的裝備，蘇聯(lián)馬不停蹄地進(jìn)行了金星、火星探測(cè)……

（一）實(shí)為地獄——?dú)埧岫纯嗟慕鹦翘綔y(cè)史

金星半徑為6051公里，和地球的6378公里非常接近，這意味著在金星地面上的重力加速度可能和地球差不多（8.87m/s2），行走跑步體感舒適，屬于星際移民加分項(xiàng)；其明亮的云層反射了70%的輻射，厚厚的云層通常被解釋為金星是一個(gè)潮濕的熱帶世界的標(biāo)志，使得金星可能具有適宜居住的氣候（盡管對(duì)金星地表水的光譜檢測(cè)產(chǎn)生了相互矛盾的結(jié)果）。金星比地球離太陽更近，在20世紀(jì)50年代早期，美國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Harold Urey計(jì)算出金星的表面溫度為53°C（127°F）。但在20世紀(jì)50年代后期，通過觀察到一個(gè)不尋常的無線電頻譜，表明金星同時(shí)存在高溫和低溫兩種情況。科學(xué)家提出各種理論進(jìn)行假設(shè)，但專業(yè)意見各不相同。看來，只有探測(cè)器降落金星實(shí)測(cè)，才能揭開厚厚云層下的真實(shí)面目！

1960年代起，蘇聯(lián)發(fā)射了大量的金星探測(cè)器！其中有16 艘航天器被命名為Venera（Venera 是俄語中金星的意思，Венера），以及許多未被起名的失敗任務(wù)（主要是蘇聯(lián)喜歡報(bào)喜不報(bào)憂），為了拿第一，蘇聯(lián)硬著頭皮，失敗了再發(fā)射，這些造型千奇百怪的探測(cè)器前赴后繼，從開始發(fā)射直到第一次成功的探測(cè)經(jīng)歷了6年和11次發(fā)射！（參見圖18）

圖16 RT-70項(xiàng)目中P-2500天線，直徑70米，發(fā)射功率200kW

圖17 “加加林”號(hào)裝有最大25米直徑的天線，能同時(shí)跟蹤2個(gè)航天器

圖18 博物館展出的Venera-1模型，2米直徑的可折疊傘狀拋物面天線無奈的耷拉著

Venera-1金星探測(cè)器重643.5千克，攜帶三組天線與地球通信。2.4米長(zhǎng)的全向天線在近地軌道作為TT&C天線；在離開地球附近之后安裝在太陽能電池板上的T形天線以每秒1.6比特的數(shù)據(jù)速率在分米無線電波段上傳輸TT&C信號(hào)；配置了一個(gè)2米直徑的可折疊傘狀拋物面天線，用于在922.8 MHz的頻率從金星向地球發(fā)送科學(xué)數(shù)據(jù)，這是同類天線的第三次出場(chǎng)和第一次成功使用（前兩次是蘇聯(lián)的Mars-1960A/B，不過兩次都沒能順利上天）！Venera-1于1961年2月發(fā)射，同年5月19日飛越金星。然而，在距離金星10萬公里左右，地面與探測(cè)器的無線電失聯(lián)，導(dǎo)致她沒有傳回任何數(shù)據(jù)，出師未捷身先死！不幸的事件后續(xù)接二連三出現(xiàn)，這里簡(jiǎn)要列出蘇聯(lián)金星探測(cè)的幾個(gè)里程碑：

1、Venera-4終于進(jìn)入金星大氣層：1967年6月12日發(fā)射后，同年10月18日著陸艙終于進(jìn)入金星大氣層，展開降落傘后徐徐降落，過程中將金星大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)傳回地球，但設(shè)計(jì)極限壓強(qiáng)為25個(gè)大氣壓的艙體在下降到距離金星表面為24.96公里處受不了了被壓癟，信號(hào)停止發(fā)射！Venera-5號(hào)命運(yùn)類似。Venera-6號(hào)著陸艙下降到距離金星表面10～12公里。

2、Venera-7終于在金星表面著陸：Venera-7于1970年8月17日發(fā)射，同年12月15日到達(dá)金星，這次戰(zhàn)斗民族發(fā)了點(diǎn)狠，著陸艙能承受180個(gè)大氣壓，沒有在下降過程中夭折，但降落傘受損，以每秒17米的速度撞擊地面并翻倒，幸免于難后雖工作了23分鐘，但偏離預(yù)定著陸區(qū)域且天線未對(duì)準(zhǔn)，探測(cè)效果大打折扣，艱難地回傳了大氣溫度。

3、Venera-8在金星表面首次成功登陸，工作了50多分鐘，發(fā)回了關(guān)于壓力、溫度等數(shù)據(jù)，證實(shí)了金星地獄般的惡劣大氣條件。（參見圖19）

4、Venera-9發(fā)回金星表面的第一張圖片：1975年，Venera-9的攝像機(jī)拍攝的照片被成功發(fā)回地球，堅(jiān)持工作53分鐘后香消玉殞。（參見圖20）

圖19 Venera-8著陸艙頂部是一個(gè)錐形螺旋天線

圖20 Venera-9發(fā)回金星表面的第一張圖片

圖21 Venera-13發(fā)回的金星地表第一張彩色全景圖

圖22 螺旋角的大小確定輻射圖案，會(huì)產(chǎn)生兩種不同應(yīng)用場(chǎng)景的天線

5、Venera-13發(fā)回金星地表第一張彩色圖像：Venera-13于1981年抵達(dá)金星地表，并堅(jiān)持工作了127分鐘。（參見圖21）

不能把蘇聯(lián)金星探測(cè)史當(dāng)成勵(lì)志故事，作為探測(cè)器天線的專題，終于要回歸本期主題了。其實(shí)蘇聯(lián)探測(cè)器中可以學(xué)到很多螺旋天線的知識(shí)。螺旋天線除了在《看天線，識(shí)衛(wèi)星——漫談衛(wèi)星天線（二）》中講到組陣作為L(zhǎng)波段定相天線外，其變種，錐形螺旋天線（Conical Spiral Antennas）由于圓極化、頻帶寬、增益相對(duì)較高、天線尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用作TT&C天線，并可以通過改型滿足不同場(chǎng)景的需要。（參見圖22）

錐形螺旋天線可以產(chǎn)生各種輻射方向圖，螺旋的切線與圓錐母線間的夾角稱螺旋角，螺旋角的大小在確定天線方位角上起到主要作用（另一個(gè)因素是錐體的錐角），螺旋角的角度越小，即繞線越陡，波束寬度越寬，其范圍從沿著軸發(fā)射的梨形波束到以較寬角度輻射的漏斗形波束。

通常在蘇聯(lián)的一些衛(wèi)星和探測(cè)器上能看到2～3個(gè)不同形狀的錐形天線，飛行途中通過調(diào)用不同天線波束特性的錐形螺旋天線發(fā)射和接收信號(hào)，保持和地球的聯(lián)系，確保測(cè)控正常。（參見圖23）

那么對(duì)于金星著陸任務(wù)來說，一個(gè)新問題出現(xiàn)了，如何把著陸器收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)和照片回傳地球？方法有兩種，一種是直發(fā)，將遙測(cè)信號(hào)直接發(fā)射到地球。這種方案看似簡(jiǎn)單，但需要著陸器的半定向天線對(duì)準(zhǔn)地球，卯足了勁發(fā)射信號(hào)！另一種是轉(zhuǎn)發(fā)，以金星探測(cè)器軌道艙作為中繼，將著陸艙的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)回地球，這個(gè)方案看上去更靠譜，但如何讓著陸艙的天線瞄準(zhǔn)不停繞圈的軌道艙是個(gè)難題。蘇聯(lián)科學(xué)家并沒有采用會(huì)搖頭跟蹤的定向天線鍋，而是對(duì)錐形螺旋天線挖潛，充分使用其嬗變的特性，簡(jiǎn)化著陸艙天線設(shè)計(jì)，提高可靠性（美國(guó)在后續(xù)的火星車上，采用了兩軸旋轉(zhuǎn)的定向天線）。另外考慮到著陸艙在金星也就工作幾十分鐘，但金星到地球雙向需要幾十分鐘左右的時(shí)延，著陸艙干脆就只發(fā)送，不接收了！戰(zhàn)斗民族就是這么實(shí)在?。▍⒁妶D24）

圖23 Venera-4兩種不同的錐形螺旋天線，同時(shí)也可以看到其傘狀可折疊拋物面天線

圖24 Venera-7～9三個(gè)金星著陸艙配置了三種不同的錐形螺旋天線

圖25 Vega金星/哈雷彗星探測(cè)器頭頂著陸艙，伸出兩個(gè)“彈簧手”

Venera-7金星著陸艙采用了直發(fā)的方案，天線（下圖左）的錐形螺旋天線被設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生梨形天線方向圖。她本計(jì)劃降落在金星的背陽面中間，頭頂?shù)厍騻魉托盘?hào)。不幸的是，Venera-7以大約17米/秒的速度硬著陸在金星側(cè)面，導(dǎo)致信號(hào)降至正常強(qiáng)度的3%左右，僅發(fā)送了溫度信息，就馬上被高溫和高壓吞噬了。

Venera-8金星著陸艙也采用了直發(fā)的方案，由于降落地點(diǎn)是在金星新月形區(qū)域，探測(cè)器從金星看地球，地球是在高出地平線30°左右的側(cè)面。因此她的雙線螺旋天線（上圖中）被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生漏斗形輻射方向圖，這次成功了！Venera-8的著陸艙在分米波頻帶上以1比特/秒的速度，成功傳回了關(guān)于溫度和氣壓的科學(xué)數(shù)據(jù)。

Venera-9的著陸艙（上圖右）的天線設(shè)計(jì)采用了轉(zhuǎn)發(fā)模式，其天線為四臂螺旋天線，通過調(diào)節(jié)四個(gè)相隔90°的發(fā)射單元的相位偏移，控制天線輻射方位圖，生成可變的波束跟蹤仍在繞金星飛行的探測(cè)器軌道艙，并將圖像和科學(xué)數(shù)據(jù)在兩個(gè)頻段上傳。

作為中繼的軌道艙的接收天線，蘇聯(lián)也喜歡使用樸實(shí)無華、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的螺旋天線。比如Vega金星/哈雷彗星探測(cè)器，“Vega”是俄語金星Venera和俄語哈雷彗星Gallei的字母組合，她的太陽能電池板的背面可以看到大型米波段螺旋天線，是用于軌道艙和著陸艙之間的工作在186 MHz頻點(diǎn)上的數(shù)據(jù)鏈路天線。（參見圖25）

直到今天，Venera/Vega系列探測(cè)器的著陸艙仍是絕無僅有的能夠觸及金星表面的航天器！但對(duì)金星的探測(cè)可以說是赴湯蹈火卻一場(chǎng)空，因?yàn)樽罱K發(fā)現(xiàn)金星表面的氣體主要是二氧化碳（96.5%）和氮?dú)?，根本無法呼吸，氣壓超過90個(gè)大氣壓，表面溫度更是平均超過了400攝氏度。

金星可以說是太陽系內(nèi)行星中最神圣的地方，每次都在2小時(shí)內(nèi)干掉了觸碰到其表面的蘇聯(lián)探測(cè)器。金星成為了蘇聯(lián)探測(cè)器的地獄！（參見圖26）

圖26 金星，蘇聯(lián)探測(cè)器的地獄（效果圖）

圖27 Mars 1M與Venera-1設(shè)計(jì)幾乎完全相同（像不像I am your father!）

圖28 找到直徑為2.80米的高增益拋物面天線和兩個(gè)低增益圓錐螺旋天線了嗎？

圖29 蘇聯(lián)的火星探測(cè)中了“失敗”的魔咒，直至俄羅斯也怎么樣都甩不掉

（二）火星——蘇聯(lián)深空探測(cè)科學(xué)家的夢(mèng)魘

火星是自然環(huán)境最接近地球的行星，被認(rèn)為是最適合人類移民的星球，是世界各國(guó)組織實(shí)施深空探測(cè)活動(dòng)的重點(diǎn)。1957年第一顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射后3年，蘇聯(lián)率先起征火星，1960年10月10日和14日發(fā)射的Mars-1960A/B均為Mars 1M型號(hào)，與Venera-1探測(cè)器一樣，均為科羅廖夫的OKB-1設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)幾乎完全相同。（參見圖27）

Mars 1M在天線方面值得一提的是采用直徑為2.80米的高增益拋物面天線，由7平方米的兩個(gè)太陽能電池供電；兩個(gè)低增益圓錐螺旋天線用作TT&C。（參見圖28）

上節(jié)講到蘇聯(lián)金星探測(cè)計(jì)劃跌跌撞撞的歷程，統(tǒng)計(jì)從1961年到1984年超過23年的時(shí)間里、23個(gè)Venera/Vega探測(cè)器的結(jié)果，其中有15次成功地從金星大氣層傳輸數(shù)據(jù)，而僅有11個(gè)探測(cè)器幸存到達(dá)金星地面并發(fā)回信息（數(shù)據(jù)可能由于不同的源頭和口徑有偏差），成功率不高。但蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測(cè)更糟糕！下表中羅列了全部20次發(fā)射任務(wù)，完全成功僅2次，部分成功2次。你可以體會(huì)到蘇聯(lián)/俄羅斯火星探測(cè)科學(xué)家和工程師的苦悶?。▍⒁妶D29）

火星探測(cè)有一個(gè)窗口期，此時(shí)路程最短，一旦錯(cuò)過這個(gè)窗口，就必須等待下一個(gè)，而這一等就將是漫長(zhǎng)的26個(gè)月。（參見圖30）

為了提高探測(cè)的成功率，蘇聯(lián)采取了雙保險(xiǎn)的方案，每次發(fā)射一對(duì)，甚至把月神計(jì)劃中的撞擊大法也拿出來，試圖提高成功率！到了后期，1973年那個(gè)窗口，簡(jiǎn)直是梭哈，一個(gè)批次發(fā)射四個(gè)，兩個(gè)環(huán)繞，兩個(gè)著陸，終于有了寥寥幾個(gè)成功，然而探測(cè)器著陸之后也是相當(dāng)短命，4個(gè)“成功”和“部分成功”的含金量太低！和同時(shí)期美國(guó)的大獲全勝形成鮮明的對(duì)比，蘇聯(lián)不僅僅輸?shù)袅溯d人登月，也在深空探測(cè)上完全敗下陣來。甚至在1996年和2011年，改朝換代之后的俄羅斯也再次犯下低級(jí)錯(cuò)誤，由于火箭的故障，火星探測(cè)又遭遇兩連敗。

圖30 火星探測(cè)路程最短的窗口，每26個(gè)月才有一次

圖31 金石金石，石破天驚！

圖32 距地球3萬公里，波束即可以實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋

匪夷所思的是，俄羅斯于2003年6月2日在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)用聯(lián)盟號(hào)/ Fregat運(yùn)載火箭替歐空局發(fā)射其第一個(gè)火星快車探測(cè)器，居然一次成功！而且到目前為止，火星快車依舊工作正常。似乎火星真的不歡迎北極熊！

所有失敗的火星任務(wù)中，剔除明確的8次運(yùn)載器、上面級(jí)故障，另有異常失聯(lián)8次，這當(dāng)中固然有戰(zhàn)斗民族作風(fēng)膽大粗糙，技術(shù)基礎(chǔ)不扎實(shí)，以及在太空競(jìng)賽中巨大的政治壓力下趕進(jìn)度、動(dòng)作變形的緣故，也有相當(dāng)證據(jù)表明俄羅斯深空測(cè)控網(wǎng)不給力，比如Phobos-2在進(jìn)入環(huán)繞火星軌道后失聯(lián)前最后發(fā)出的消息其實(shí)是美國(guó)人收到的。

不管怎么說，要感謝蘇聯(lián)這位值得尊敬的參賽選手，因?yàn)樗鴮?shí)引領(lǐng)了一個(gè)時(shí)代，并讓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手美國(guó)在深空探測(cè)上卯足了勁地追逐、趕超并取得全人類引以自豪的成就！

四、全球布局打好深空測(cè)控網(wǎng)基礎(chǔ)，美國(guó)9大行星探測(cè)大滿貫

在深空探測(cè)競(jìng)賽中，蘇聯(lián)在起跑階段的領(lǐng)先著實(shí)刺痛了美國(guó)！美國(guó)決定兵分兩路，在準(zhǔn)備阿波羅登月項(xiàng)目的同時(shí)，拿出一部分人力和財(cái)力進(jìn)行深空探測(cè)。1962年7月22日，NASA發(fā)射了第一顆金星探測(cè)器——水手1號(hào)（Mariner-1），未成功。1964年11月，NASA發(fā)射了第一顆火星探測(cè)器——水手3號(hào)，仍未成功，但緊急進(jìn)行整流罩改造后，同月成功發(fā)射了水手4號(hào)，并于次年7月14日抵達(dá)距離火星表面不到9800千米的地方，拍攝了21張火星照片，同時(shí)探測(cè)到火星大氣壓還不到地球的1%，終結(jié)了所有“火星人”的科幻情節(jié)。

水手4號(hào)取得了前所未有的成功！但當(dāng)時(shí)美國(guó)的深空測(cè)控網(wǎng)還比較簡(jiǎn)陋，數(shù)據(jù)傳輸限制在8.33比特/秒，這意味著來自水手4號(hào)的256×256像素的火星圖像需要數(shù)周才能傳輸完。美國(guó)下定決心要建設(shè)一張更扎實(shí)的深空測(cè)控網(wǎng)，作為深空探測(cè)的千里眼和順風(fēng)耳！

美國(guó)深空測(cè)控通信網(wǎng)簡(jiǎn)稱深空網(wǎng)，即DSN(Deep Space Network)。由于地球的自轉(zhuǎn)，單個(gè)測(cè)控站的連續(xù)跟蹤能力有限(8h～10.5h)，在一個(gè)國(guó)家或組織的地域內(nèi)難以做到不間斷連續(xù)跟蹤測(cè)量。美國(guó)財(cái)大氣粗，霸氣側(cè)漏，從1966年到1972年在美國(guó)加州的金石(Goldstone)、西班牙的馬德里和澳大利亞的堪培拉分別建造了64米天線，比原有26米天線靈敏度提高了六倍以上，跟蹤范圍增加了一倍多。1966年3月，金石站新裝備的64米DSS-14天線重新建立了與水手4的聯(lián)系，把上次沒傳送的16和17兩張照片成功斷點(diǎn)下傳，創(chuàng)造奇跡！（參見圖31）

圖33 水手1/2號(hào)是美版金星探測(cè)器

圖34 水手1/2號(hào)的天線和科學(xué)儀器結(jié)構(gòu)圖

圖35 在潔凈室測(cè)試的水手3號(hào)探測(cè)器上可以看到頂部的全向天線、定向天線有改動(dòng)

它們以接近120°的經(jīng)度間隔均勻地分布在地球上，通過這三個(gè)深空聯(lián)合體的交互配合，可以將無覆蓋區(qū)域壓制到南大西洋等個(gè)別區(qū)域。（參見圖32）

（一）水手系列探測(cè)器小試牛刀初露鋒芒

水手任務(wù)是1960年代和70年代的太空計(jì)劃，其目的是訪問內(nèi)太陽系和地球以外的三個(gè)行星：水星、金星和火星。（參見圖33）

水手1號(hào)因?yàn)檫\(yùn)載器問題發(fā)射失敗，作為其備用星，水手2號(hào)在1962年8月27日發(fā)射升空，當(dāng)年12月成功飛掠金星，用紅外線和微波輻射儀，證實(shí)了金星表面被厚厚的二氧化碳云層覆蓋及其高溫地表，反駁了之前認(rèn)為金星上存在海洋的理論。（參見圖34）

水手1/2號(hào)的天線系統(tǒng)很大程度上是從突擊者（Ranger）探測(cè)器繼承而來，采用四個(gè)天線來滿足各種飛行中的通信要求。

1、指令天線系統(tǒng)由安裝在太陽能電池板背面的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線和安裝在太陽能電池板前側(cè)的偶極天線組成，用作入軌前后的通信，工作頻段890MHz。

2、探測(cè)器在中途機(jī)動(dòng)之前，由位于探測(cè)器頂端的全向天線負(fù)責(zé)和地面站進(jìn)行通信，工作頻段960MHz。

3、在中途機(jī)動(dòng)后并且在航天器的姿態(tài)得到糾正之后，位于探測(cè)器六角形結(jié)構(gòu)底部的1.2米直徑拋物面高增益定向天線開始工作，由金屬絲網(wǎng)作為反射面，整個(gè)天線重量控制在5公斤以下；和Ranger 6/7一樣，采用旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線饋源發(fā)射960 MHz右旋圓極化波。

在有了初步探測(cè)結(jié)果之后，美國(guó)并沒有像蘇聯(lián)一樣死磕價(jià)值不大的金星，而是迅速研發(fā)了水手3/4號(hào)轉(zhuǎn)戰(zhàn)火星探測(cè)任務(wù)，搶奪另一個(gè)“第一”。

圖36 水手3/4號(hào)的低增益天線在進(jìn)行測(cè)試

圖37 帶了雙攝像頭的水手10古靈精怪，為了防止被太陽烤焦，穿了厚厚隔熱衣

圖38 遠(yuǎn)看一口鍋，近看是S/X雙頻大鍋頂了個(gè)S頻段的小天線。

由于火星的距離比金星遠(yuǎn)了近一倍，水手3/4號(hào)的天線較上一代探測(cè)器有兩個(gè)方面的改動(dòng)，一是高增益定向天線出現(xiàn)了一張新面孔，反射器是一個(gè)橢圓形拋物面，長(zhǎng)軸為1.17米，短軸為0.53米，饋源由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線構(gòu)成，由玻璃纖維支撐桁架進(jìn)行固定，發(fā)射右旋圓極化，但頻段提升到S波段提高增益。（參見圖35）

二是啟用S波段低增益天線替代之前的全向L波段天線，該天線為長(zhǎng)2.1米、直徑0.10米的鋁制圓波導(dǎo)棍，在末端是一個(gè)帶反射器的十字形波導(dǎo)縫隙右旋極化波發(fā)射天線。（參見圖36）

水手3號(hào)的太陽能帆板因整流罩緣故未能打開，導(dǎo)致探測(cè)器失效，NASA在3周內(nèi)對(duì)該問題作了緊急處理，水手4號(hào)作為其姐妹探測(cè)器于1964年11月28日成功發(fā)射，到達(dá)火星后第一次拍攝了火星寫真。

搞定火星之后，NASA騰出手用水手探測(cè)器再次造訪了金星（水手5）、火星（水手6/7/8/9），賦予其更多的科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

要完成內(nèi)行星探測(cè)大滿貫，只剩下最難啃的水星，由于減速需要巨大的ΔV，做了大量隔熱改造的水手10號(hào)第一次使用一顆行星（金星）引力輔助減速到達(dá)另一顆行星（水星），順便又觀測(cè)了一次金星，成為第一個(gè)探測(cè)兩顆行星的探測(cè)器。同時(shí)她也是第一個(gè)使用太陽風(fēng)作用在太陽能電池板上，積少成多輔助航向修正的航天器。（參見圖37）

排除掉中間個(gè)別小問題，如水手7號(hào)電池氣體泄漏導(dǎo)致的短暫遙測(cè)信號(hào)丟失、水手10號(hào)掉油漆導(dǎo)致姿態(tài)失穩(wěn)、水手10號(hào)星載計(jì)算機(jī)偶爾無故重啟之外，項(xiàng)目整體如果和蘇聯(lián)比起來，可以說是順風(fēng)順?biāo)?，拿下多個(gè)“第一”。沒有比較，真沒有傷害。

（二）旅行者號(hào)的外行星探測(cè)歷程

美國(guó)人下一步的雄心是把木星、土星、天王星、海王星這4顆外行星一網(wǎng)打盡，恰好在這個(gè)時(shí)候遇到了176年一遇的機(jī)會(huì)，這4顆行星的幾何排列會(huì)幫助深空探測(cè)器一路“化緣”借天體引力加速，完成不可能在這么短時(shí)間內(nèi)完成的探測(cè)任務(wù)。NASA設(shè)計(jì)了旅行者號(hào)兩姐妹：姐姐旅行者1號(hào)定位為“快”，主要探測(cè)木星及土星，因此比她的妹妹還要晚發(fā)射，利用更快速的軌道到達(dá)木星及土星；妹妹旅行者2號(hào)，求“穩(wěn)”，被設(shè)計(jì)可以利用一個(gè)不尋常的路線來探測(cè)4顆外行星，完成史詩般的“行星之旅計(jì)劃（Planetary Grand Tour，它是NASA在60年代末、70年代初所發(fā)展的計(jì)劃）”。現(xiàn)在要解決的問題是超遠(yuǎn)距離的深空測(cè)控和通信，這個(gè)距離比內(nèi)行星要大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

鋪墊工作其實(shí)在之前提到的水手10號(hào)上已經(jīng)啟動(dòng)，1973年的水手10號(hào)進(jìn)行了X波段試驗(yàn)。采用8GHz的X波段，同樣的收、發(fā)天線尺寸和S波段相比可以增加11.32dB的增益，換句話講可以讓10米直徑的天線發(fā)揮出36.8米的效果，優(yōu)勢(shì)顯著。

水手10號(hào)探測(cè)器采用X波段與普通S波段相干下行鏈路把測(cè)距誤差下降了80%，同時(shí)還利用X波段進(jìn)行更高精度的空間科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)，證明了X波段鏈路的可行性。因此旅行者號(hào)的主天線采用了S/X雙頻天線，而且是大鍋頂小鍋，一個(gè)頂三個(gè)。（參見圖38）

圖39 旅行者號(hào)的拋物面主天線的結(jié)構(gòu)

旅行者號(hào)的拋物面主天線直徑3.66米，引入了一個(gè)頻率選擇副反射面（A frequency selective subreflector，F(xiàn)SS），這個(gè)副反射面反射高頻段X頻段信號(hào)，但對(duì)低頻段S波段暢通無阻，因此是同時(shí)作為X波段的卡塞格倫天線和S波段的正饋拋物面天線，S波段的饋源安裝在副反射面后。其中X波段的主天線增益為47dB，兼有12和22瓦兩檔功率的發(fā)射模式。另外設(shè)計(jì)者又巧妙的在副反射面上裝上了一個(gè)S波段的低增益天線，一舉三得。低增益天線直接向地球發(fā)射圓極化波，波束寬度90度，在初始飛行階段不需要精確對(duì)準(zhǔn)，降低探測(cè)器姿態(tài)控制要求。（參見圖39）

神奇的頻率選擇副反射面是Nomex蜂窩芯夾層為結(jié)構(gòu)，兩面包覆Kevlar材料，鋁制偶極子無源諧振單元整齊排列，鑲嵌在內(nèi)外表面，形成對(duì)X頻段電波的反射，原理就像你家微波爐的面板，網(wǎng)孔形狀就能把2.4G的微波予以反射隔絕。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，旅行者號(hào)的這款FSS在S波段透射損耗＜0.1 dB，在X波段反射損耗在0.1和0.2 dB之間。（參見圖40）

隨著旅途不斷的延伸，NASA的科學(xué)家使出了各種招數(shù)，旅行者號(hào)和地面的DSN不斷接受硬件和軟件的改造以適應(yīng)漸行漸遠(yuǎn)的距離，保持通信并高速下載獲取的照片和科學(xué)數(shù)據(jù)：

1、采用天線組陣技術(shù)：

1974年9月，金石使用兩個(gè)26米天線和64米天線進(jìn)行組陣接收水手10號(hào)的信號(hào)，達(dá)到了117 kbps的速度，驗(yàn)證了天線組陣技術(shù)的可行性，為旅行者號(hào)的地面信號(hào)接收能力拓展做好了技術(shù)儲(chǔ)備。

1980年8月中旬，64米和34米的天線組陣應(yīng)用于旅行者1號(hào)，陣列增益與單獨(dú)的64米天線相比增加了0.62dB（約15%）；當(dāng)旅行者2號(hào)于1981年8月到達(dá)土星時(shí)，陣列增益與單獨(dú)的64米天線相比增加了0.8dB（約20%），這是雙天線組陣迄今為止最好的工作成績(jī)。

2、天線改造：

在1982年～1988年期間，DSN將64米天線的直徑擴(kuò)展為70米，而且同時(shí)支持X波段以及S波段來作為上行和下行傳輸?shù)妮d波，大大增加了探測(cè)能力，從而可以支持旅行者2號(hào)與海王星相遇活動(dòng)中的跟蹤與控制任務(wù)。（參見圖41）

3、采用壓縮技術(shù)：

為了更高效的傳送數(shù)據(jù)，1986年“旅行者”號(hào)探測(cè)器遭遇天王星時(shí)，NASA首次將數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)用于深空應(yīng)用中，壓縮率為2.5:1。

圖40 頻率選擇副反射面的表面貼滿十字形的陣子反射X頻段電波

圖41 DSN金石64米站改造成為70米

圖42 位于新墨西哥州國(guó)家射電天文臺(tái)豪華的天線陣列

圖43 “麥哲倫”號(hào)金星探測(cè)器。直徑為3.7米的主天線一物兩用

4、啟用新的編碼技術(shù)：

旅行者2號(hào)在探測(cè)天王星時(shí)，啟用(7，1/2)卷積碼和(275，223)RS碼級(jí)連，信噪比門限下降至2.53dB，比無編碼的PSK調(diào)制改善增益7.97 dB。

5、采用異地天線組陣技術(shù)：

旅行者2號(hào)在抵近海王星時(shí)，位于美國(guó)加州金石的70米天線及2個(gè)34米天線，與相距1000多公里、位于新墨西哥州國(guó)家射電天文臺(tái)（National Radio Astronomy Observatory，NRAO）的27個(gè)直徑25米超大規(guī)模陣列天線實(shí)現(xiàn)組陣，完成了高質(zhì)量的信號(hào)接收任務(wù)。（參見圖42）

五、后旅行者號(hào)的深空探測(cè)器時(shí)代

水手系列、先驅(qū)者系列、海盜1/2號(hào)的火星登陸以及旅行者號(hào)在冷戰(zhàn)的太空競(jìng)賽中拿下了無數(shù)第一，完成了對(duì)太陽及各大行星的“泛讀”，求得了深空探測(cè)的極限，隨后發(fā)達(dá)國(guó)家獨(dú)立或者合作開啟了對(duì)各大行星的“精讀”模式，不過美國(guó)依然是領(lǐng)頭羊。

1989年5月5日美國(guó)發(fā)射“麥哲倫”號(hào)金星探測(cè)器。擁有直徑為3.66米的主天線，是旅行者者項(xiàng)目3/4號(hào)取消遺留下來的，不過在此次任務(wù)中既用做深空通信用天線，也當(dāng)成雷達(dá)，而且是合成孔徑雷達(dá)的天線，以不低于300米的分辨率測(cè)繪金星，這樣高的精度是以往探測(cè)金星的航天器所未曾達(dá)到的。（參見圖43）

1989年發(fā)射的伽利略號(hào)木星探測(cè)器是美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)合作的項(xiàng)目，也采用了旅行者號(hào)同樣的三合一天線設(shè)計(jì)，只不過拋物面改為了可展開的傘面，直徑達(dá)到了驚人的4.8米，由2臺(tái)放射性同位素?zé)犭娕及l(fā)電，可提供0～480瓦的電力。不過，陰差陽錯(cuò)，這個(gè)傘在太空因?yàn)闈?rùn)滑劑干燥沒有正常打開，只能靠頂部的低增益天線臨時(shí)替補(bǔ)，傳輸功率僅為高增益天線的萬分之一。怎么辦？項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依靠DSN的天線組陣技術(shù)，臨時(shí)啟用更強(qiáng)自糾錯(cuò)能力的卷積碼和R-S碼級(jí)聯(lián)降低信噪比門限，以整數(shù)余弦變換（ICT）壓縮算法實(shí)現(xiàn)高達(dá)20：1的圖像壓縮比（有損，也是無奈之舉），挽救了整個(gè)探測(cè)任務(wù)。

伽利略號(hào)木星探測(cè)器在1994年7月近距離觀察到了蘇梅克-列維九號(hào)彗星罕見的撞擊木星現(xiàn)象，這是人們首次直接觀測(cè)太陽系的天體撞擊事件。另外傳回的數(shù)據(jù)表明，在木衛(wèi)二的表層下可能有海洋?！澳拘l(wèi)二上有水”的猜想期待著進(jìn)一步的探索?。▍⒁妶D44）

受到伽利略號(hào)成功的鼓舞，美國(guó)和歐洲等17國(guó)進(jìn)一步合作，又研制了一個(gè)飛向土星的太空探測(cè)器，并且為了紀(jì)念法國(guó)天文學(xué)家多米尼克·卡西尼當(dāng)年發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)的環(huán)縫，就把這顆太空探測(cè)器取名為“卡西尼號(hào)”。“卡西尼號(hào)”還攜帶了一個(gè)專門用于探測(cè)土星最大衛(wèi)星土衛(wèi)六的探測(cè)器，取名為“惠更斯號(hào)”。S波段演進(jìn)到X波段通信的效果是非常顯著的，科學(xué)家從1980年開始研究和開發(fā)啟用更高的Ka波段（32 GHz），可以較S波段提升22.9dB增益，卡西尼號(hào)是這個(gè)研究的受益者，她的高增益主天線可以在S/X/Ku/Ka四個(gè)無線電頻段進(jìn)行信號(hào)收發(fā)?？ㄎ髂崽?hào)同樣是核能驅(qū)動(dòng)，2017年，任務(wù)結(jié)束之后進(jìn)入土星大氣成為一顆亮麗的流星?。▍⒁妶D45）

圖44 伽利略號(hào)借鑒了旅行者號(hào)的三合一天線設(shè)計(jì)，拋物面天線改為了可展開的傘面（實(shí)際未展開）

圖45 卡西尼號(hào)的主天線可以在S/X/Ku/Ka四個(gè)無線電頻段進(jìn)行信號(hào)收發(fā)

另外值得注意的是在天線下方的主饋源邊上，還有一些小喇叭，這其實(shí)是卡西尼號(hào)攜帶的Ku波段合成孔徑雷達(dá)的饋源，一共分為4組20個(gè)小喇叭，專門用來探測(cè)不少人提出的“最合適人類移居的星球”——“泰坦”（土衛(wèi)六），確認(rèn)了泰坦有一個(gè)由純液態(tài)甲烷組成的巨大“海洋”。（參見圖46）

惠更斯號(hào)探測(cè)儀原本通過卡西尼號(hào)做中繼，向地球回傳信息，但歐洲工程師犯下低級(jí)錯(cuò)誤，卡西尼和惠更斯號(hào)探測(cè)器之間出現(xiàn)通訊障礙，這次又是深空測(cè)控網(wǎng)救場(chǎng)，做了調(diào)整直接捕捉惠更斯號(hào)發(fā)出的微弱信號(hào)，獲得了50%的照片，再一次挽救了任務(wù)。

NASA另外于2006年1月19日發(fā)射了“新視野”號(hào)探測(cè)器，其主要任務(wù)是探測(cè)冥王星及其最大的衛(wèi)星“卡戎”（冥衛(wèi)一）和探測(cè)位于柯伊柏帶的小行星群。但該探測(cè)器還在趕路時(shí)，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)就開除了冥王星的“行星”資格，此次探測(cè)任務(wù)的意義無形中也被“降級(jí)”。

“新視野”重478.4公斤，整個(gè)外形有點(diǎn)像三角鋼琴頂了一口大鍋。此次去冥王星的路途非常遙遠(yuǎn)，天線設(shè)計(jì)也頗為講究。高增益天線拋物面盤的直徑為2.1米，高增益波束僅0.3度寬，即便在遙遠(yuǎn)的36倍日地距離下也可以達(dá)到600bit/ s的回傳速率，但要求航天器準(zhǔn)確地指向地球，這對(duì)于姿態(tài)調(diào)整來說是件辛苦的工作，要不斷地跟蹤、指令控制和指令引導(dǎo)，而且往往要消耗寶貴的推進(jìn)劑。因此“新視野”號(hào)帶了中增益和低增益天線分別在不同階段使用。其中低增益全向天線在大約1倍日地距離下工作，為初始任務(wù)階段調(diào)試提供通信；30厘米碟形天線的中增益天線波束寬度4度，只要探測(cè)器粗粗指向地球都能滿足通信需求，簡(jiǎn)化了任務(wù)。（參見圖47、48）

結(jié)束語

本節(jié)在介紹深空探測(cè)器天線的同時(shí)，順道對(duì)人類深空探測(cè)史進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。事實(shí)上，目前的深空探測(cè)已經(jīng)由行星延伸到小行星，科學(xué)任務(wù)由著陸、地表漫游取樣分析拓展到將樣品帶回地球，這方面美國(guó)、日本、歐洲暫時(shí)領(lǐng)先。

圖46 卡西尼號(hào)的“多用途”天線

圖47 新視野號(hào)的結(jié)構(gòu)圖

圖48 目前新視野號(hào)正在奔往柯伊柏帶小行星群

圖49 佳木斯深空站的工作人員（來源 |科學(xué)大院）

飛向深空的探測(cè)器取得令全人類自豪的成績(jī)，但不能忘了在地面默默無聞工作的深空測(cè)控網(wǎng)，可以說深空測(cè)控網(wǎng)能看到多遠(yuǎn)、聽的多清、算到多準(zhǔn)，決定了深空探測(cè)器能夠走到多遠(yuǎn)！唯有他給力的測(cè)控，搭建起與探測(cè)器天線之間可靠的信息橋梁，才能讓我們獲知更多地外的奧秘！

視線轉(zhuǎn)到中國(guó)，我國(guó)的深空探測(cè)起步較晚，投入不多，也嘗到過俄羅斯火箭不靠譜的痛苦，但還是步履扎實(shí)往前走。新增了上海65米射電望遠(yuǎn)鏡和佳木斯66米、喀什35米、阿根廷35米三個(gè)深空測(cè)控站。其中最大的佳木斯深空站波束寬度為0.04度，其深空探測(cè)作用距離達(dá)到4億公里，為嫦娥1～3號(hào)探月任務(wù)保駕護(hù)航，協(xié)助攻克了“繞、落、回”前兩個(gè)難關(guān)?。▍⒁妶D49）

據(jù)悉嫦娥四號(hào)將在2018年12月8日凌晨發(fā)射，此次任務(wù)將實(shí)現(xiàn)人類首次在月球背面登陸，任務(wù)相關(guān)的“鵲橋”中繼星也已發(fā)射成功。衷心祝愿此次任務(wù)成功，讓我國(guó)在深空探測(cè)上能夠越走越遠(yuǎn)！（全文完）SATNET