誰在捕捉來自太空的聲音

在中國東北和西部邊陲的土地上，在南美洲的巴塔哥尼亞高原上，一面面巨大的深空天線，正向著浩瀚無垠的深空、向著遙遠(yuǎn)未知的火星接力工作，日夜探索……

從手動對接到自主快速交會對接，從載人飛行到空間站全面建成，從“嫦娥”奔月到“祝融”探火，中國的航天事業(yè)不斷刷新紀(jì)錄，中國人探索太空的腳步邁得更大、更遠(yuǎn)。這一切的背后，是誰在日復(fù)一日地遙望星河，捕捉那些來自太空的聲音，編織起連通天地的對話……

“北京明白”“雷達(dá)跟蹤正?！薄斑b測信號正常”……這一聲聲讓航天員安心的口令，隨著我國一次次航天發(fā)射，漸漸被人們所熟知。

這些口令代表的，是飛行器或衛(wèi)星的發(fā)射，是航天器上天后的地面控制，是來自空間站的直播信號，是航天員返回地球的導(dǎo)航。在這些口令及時(shí)發(fā)出、準(zhǔn)確傳輸?shù)谋澈?，是航天系統(tǒng)中看似無形，卻又無處不在的關(guān)鍵角色——航天測控通信系統(tǒng)。

深空測控網(wǎng)：護(hù)衛(wèi)天問一號平安

2021年5月，我國天問一號探測器成功著陸火星，時(shí)至今日，它仍在環(huán)繞火星的軌道上為我們探索著星際奧秘。天問一號距離地球最遠(yuǎn)時(shí)可超過4億公里，也是目前我國深空測控系統(tǒng)達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。在如此遙遠(yuǎn)的深空還能與地球上的我們傳遞信息，靠的就是散布在廣袤大地上的深空測控天線系統(tǒng)。

從搭乘火箭上天到著陸火星，漫長旅途中天問一號并不孤獨(dú)。地球一直在自轉(zhuǎn)，要想一直盯緊高速飛行的天問一號，需要在全球布下多個(gè)深空站。如果把天問一號比作風(fēng)箏，那深空測控系統(tǒng)就是人手中緊握的那根風(fēng)箏線，而測控人就被稱作“牧星人”。

為盡可能多地覆蓋測控范圍， 中國電子科技集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國電科”）首席專家柴霖介紹說：“我們利用我國陸地面積的東西縱深，建立了全亞洲口徑最大、接收靈敏度最高、連續(xù)波發(fā)射功率最強(qiáng)、作用距離最遠(yuǎn)的測控系統(tǒng)——佳木斯66米深空測控站，還有喀什3 5米深空天線組陣系統(tǒng)，以及我國首個(gè)海外深空測控站——阿根廷35米深空站?！比笳緦?shí)時(shí)保駕護(hù)航，無死角捕獲飛行器的位置和狀態(tài)，測控覆蓋率高達(dá)90% 以上。

2021年2月，深空測控站接收到天問一號火星探測器傳回地面的首幅圖像。圖像里，火星阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑，以及最長的峽谷——水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。

聲像傳輸只是開胃菜，各個(gè)深空測控站組成一張看不見的深空測控網(wǎng)，確保天問一號的位置、速度和狀態(tài)正常，將一條條命令及時(shí)準(zhǔn)確地送達(dá)上億公里之外的探測器，精準(zhǔn)執(zhí)行著陸巡視器與環(huán)繞器分離、火星著陸等任務(wù)所需的遠(yuǎn)程控制；高性能接收探測器獲得的火星圖像、火星形態(tài)結(jié)構(gòu)等科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收探測器發(fā)回地球的遙測信息，全程掌控任務(wù)設(shè)備狀態(tài)，為任務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

在這樣的通力合作下，上億公里之外的探測器才能準(zhǔn)確完成各項(xiàng)指令，深空測控系統(tǒng)為天問一號任務(wù)的圓滿完成提供了堅(jiān)實(shí)的測控保障。

天地傳輸速率達(dá)到5G 水平，難度好比針尖對針尖。

國際空間站目前的傳輸速率最高大概是6 0 0 米/秒，而中國空間站的傳輸速率能達(dá)到1 2 0 0 米/ 秒，相當(dāng)于國際空間站的2 倍，保證了直播畫面的清晰度和流暢性。

在地面上，人們和基站的相對速度很小，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也相對固定；而空間站在太空中高速運(yùn)動，一天繞地球十幾圈，地面設(shè)備如果去跟蹤和捕捉這個(gè)目標(biāo)，同時(shí)還要進(jìn)行對準(zhǔn)工作，相當(dāng)于在極其遠(yuǎn)的距離下，讓針尖對準(zhǔn)針尖。不僅如此，以前我們的航天器在繞飛地球過程中，還存在飛到我們地面監(jiān)測站監(jiān)控盲區(qū)的情況，現(xiàn)在通過中繼衛(wèi)星，也可以保證百分之百的跟蹤和監(jiān)測。

——王鈞慧 中國電子科技集團(tuán)第十研究所

深空天線組陣：傾聽4億公里外的聲音

我國邁向深空的腳步越走越遠(yuǎn)，僅靠單個(gè)大口徑測控天線，已經(jīng)不能滿足深空測控任務(wù)對測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

星際空間廣袤無垠，從月球的38萬公里到火星的4億公里，信號衰減了約100萬分之一，能夠接收到的信號微乎其微。克服遠(yuǎn)距離障礙，從嘈雜噪聲中提取極其微弱的有用信號，建立與探測器的電波聯(lián)系，是科研工作者必須攻克的難題。

“通過縝密論證，我們決定采用多個(gè)地面天線聯(lián)合工作的方案，通過信號處理，使它們構(gòu)成一個(gè)整體，從而形成具有更優(yōu)異性能的天線組陣系統(tǒng)?！敝袊娍剖紫瘜＜夜⒒④娬f。

千錘百煉方能成鋼。經(jīng)過多年攻關(guān)，中國電科研制出4×35米天線組陣深空測控系統(tǒng)并投入使用，將這個(gè)艱巨的任務(wù)變成了現(xiàn)實(shí)。以單天線作用距離4億公里計(jì)算，合成后的系統(tǒng)作用距離超過8億公里，且性能不會下降，為未來我國走向更深遠(yuǎn)的太空提供了雄厚的測控技術(shù)儲備。

2012年，天鏈一號3顆中繼星全部發(fā)射完成，我國成為世界上第二個(gè)擁有對中、低軌航天器全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。

2019年，天鏈二號01星成功發(fā)射，這是我國第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的首發(fā)星。

2021年，通過3顆中繼衛(wèi)星和空間站核心艙的中繼天線，我國的天地測控覆蓋率達(dá)90% 以上。

2022年，空間站三艙組合體建成，天地測控覆蓋率接近100%，陸基、?；⑻旎灰惑w測控網(wǎng)絡(luò)形成。

其中，陸基是指地面建站，跟蹤弧段很短，主要用于保證發(fā)射鏈和返回鏈的穩(wěn)定測量。我國現(xiàn)有地面站共11個(gè)。

?；侵笢y量船，用于對海洋區(qū)域的機(jī)動測控。我國建造了遠(yuǎn)望1—7號共7艘測量船，目前4艘在用。

天基是指中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，相當(dāng)于赤道上的地面站，一個(gè)站就可以看到半個(gè)地球，測控覆蓋面相當(dāng)大。我國現(xiàn)已發(fā)射8顆測控衛(wèi)星，目前1顆退役，7顆在用。

全方位立體布局，中國探測高度不斷刷新

在每一次的航天發(fā)射任務(wù)中，陸、海、天全方位系統(tǒng)布局，地面雷達(dá)、地面測控站、海上測量船及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，用無形的電波張開了一張100% 覆蓋的測控通信之網(wǎng)。

沿著距離軸丈量我國深空測控網(wǎng)的作用距離，月球探測38萬公里，圖塔蒂斯小行星光學(xué)成像700萬公里，火星探測4億公里，但深空探測不止于火星。載人登月、月球科研站、木星以及遠(yuǎn)天體的探測……我國測控通信技術(shù)走入了更遠(yuǎn)的深空，也走向了全面發(fā)展的新階段，促使中國人邁向星辰大海的腳步不斷延伸。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。幾十年間，一代又一代牧星人刻苦攻關(guān)，從第一代測控體制到如今的第三代綜合化測控體制，從軟件到硬件，從基礎(chǔ)元器件到整機(jī)到系統(tǒng)的100% 國產(chǎn)化自主可控，從人工操作到自動運(yùn)行，我們的深空測控一步步實(shí)現(xiàn)了讓“玉兔”在月球背面通過“鵲橋”與地面測控站互致問候，讓天問一號探測器環(huán)繞火星，讓祝融號在火星表面款款而行。

星空浩渺無垠，探索永無止境。面向未來，中國還將在地月光通信、上行天線組陣、下行天線組陣等尖端技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)深耕，繼續(xù)深入探討如何對深空大天線與光通信鏈路進(jìn)行融合設(shè)計(jì)、如何更加高效地匯聚大口徑的天線資源，共同接收來自遙遠(yuǎn)深空的信號……

本文內(nèi)容來自《坐標(biāo)中國之中國深度 探進(jìn)深空》科普主題片