遙遠(yuǎn)的回聲

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(kù)或者上海佘山去旅游，可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)看到壯觀的巨型拋物面天線在遙望天空，那是我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的地面站，擔(dān)負(fù)著和遙遠(yuǎn)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(huì)成為斷線的風(fēng)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(gè)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(cè)數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、廣播信號(hào)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(wú)線電信號(hào)，然后通過(guò)信道發(fā)送出去，對(duì)方接收到后，解調(diào)、解碼還原讀取信息。在這個(gè)過(guò)程中，可能會(huì)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(hù)我們免受輻射傷害。但大氣層同時(shí)也會(huì)阻礙信號(hào)的傳輸，例如大氣層中的水蒸氣，會(huì)吸收部分頻率的無(wú)線電，高空的電離層則又會(huì)反射某些頻率的無(wú)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(wú)線電環(huán)境其實(shí)很嘈雜，從手機(jī)到路由器甚至微波爐都會(huì)發(fā)出無(wú)線電。宇宙中還有很多能發(fā)出無(wú)線電的天體和自然現(xiàn)象，例如宇宙背景輻射、太陽(yáng)和行星磁場(chǎng)活動(dòng)等，都會(huì)帶來(lái)干擾，需要避開(kāi)或者設(shè)法排除，就像在嘈雜的環(huán)境中和人說(shuō)話一樣。

再有就是航天器距離遙遠(yuǎn)，比你的手機(jī)和路由器、信號(hào)基站之間的距離要遠(yuǎn)得多，而且航天器信號(hào)發(fā)送功率也遠(yuǎn)小于手機(jī)基站，所以信號(hào)也自然弱得多，因此，需要用巨大的天線聚焦增強(qiáng)信號(hào)，也需要非常靈敏的接收器來(lái)檢測(cè)。地球和航天器都在不停運(yùn)動(dòng)，這也會(huì)影響信號(hào)的傳輸——可能會(huì)因?yàn)楹教炱黠w到地球背面而失聯(lián)，或者是沒(méi)互相對(duì)準(zhǔn)而影響傳輸。這些原因限制了通信速度，同時(shí)也影響信號(hào)的穩(wěn)定性，容易漏傳或者出錯(cuò)，需要額外重復(fù)和復(fù)雜的編碼與算法進(jìn)行糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)壓縮來(lái)確保能夠完成任務(wù)，還要能夠精確測(cè)量航天器移動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響，從而了解航天器運(yùn)動(dòng)和軌道情況，這是非常復(fù)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(lái)自通信衛(wèi)星的信號(hào)，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(hào)的能量，大約在納瓦特級(jí)別，也就是十億分之一瓦，這聽(tīng)起來(lái)非常微弱。實(shí)際上這和真正的深空通信相比，簡(jiǎn)直太清晰了。

因?yàn)樯羁蘸教炱鞯木嚯x比地球靜止軌道遠(yuǎn)很多，光是月球就比靜止軌道遠(yuǎn)11倍左右，信號(hào)強(qiáng)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(hào)發(fā)送功率，通常是深空探測(cè)器的10倍以上。于是就需要直徑幾十米的巨型天線來(lái)滿足聚焦增強(qiáng)信號(hào)的需求，它們既能聚焦增強(qiáng)航天器下行信號(hào)，也能像探照燈一樣，讓地面上行的信號(hào)定向發(fā)送，避免四散開(kāi)來(lái)浪費(fèi)掉，從而增強(qiáng)航天器接收到的地面信號(hào)強(qiáng)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(duì)信號(hào)的增強(qiáng)稱作增益。拋物面反射天線，屬于高增益天線，也因?yàn)槎ㄏ蛐孕枰ハ鄬?duì)準(zhǔn)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(guò)帶寬速度會(huì)低得多。有些航天器使用相控陣天線來(lái)擴(kuò)大全方向通信速度，例如馬斯克的“星鏈”通信衛(wèi)星、“信使號(hào)”水星探測(cè)器等，但聚焦能力還是不如拋物面天線。由于天線越大，信號(hào)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(kāi)，有的則是環(huán)形展開(kāi)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(lái)了額外的故障風(fēng)險(xiǎn)，“伽利略號(hào)”木星探測(cè)器，就出現(xiàn)了無(wú)法展開(kāi)增益天線的故障，只能用低帶寬的低增益天線發(fā)送科學(xué)數(shù)據(jù)。

那深空通信究竟有多難？美國(guó)航空航天局從信號(hào)強(qiáng)度、噪波干擾帶來(lái)的信號(hào)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(wàn)倍、木星難四億倍。“伽利略號(hào)”從木星傳回的信號(hào)，到地球通過(guò)70米天線聚焦后，也只有十萬(wàn)億分之一瓦特！人類第一個(gè)冥王星探測(cè)器“新視野號(hào)”，信號(hào)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(hào)，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(zhǎng)時(shí)間才能傳完任務(wù)數(shù)據(jù)，可見(jiàn)深空通信的艱難。有人想，能不能通過(guò)太陽(yáng)放大信號(hào)？很可惜，因?yàn)樘?yáng)本身不但會(huì)遮擋信號(hào)，還會(huì)散發(fā)出很多干擾，所以當(dāng)太陽(yáng)擋在地球和火星之間時(shí)，探測(cè)器會(huì)有十幾天的失聯(lián)時(shí)間。那到底怎樣才能讓深空通信速度更快呢？

首先，可以增強(qiáng)航天器的信號(hào)發(fā)送功率，例如使用核反應(yīng)堆發(fā)電，并使用更強(qiáng)的信號(hào)發(fā)射器、更大的天線、更高信號(hào)頻率，使得信號(hào)能量更高，波束也更細(xì)、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(wú)線電微波信號(hào)，激光本身可用頻率范圍高，相當(dāng)于路更寬，同時(shí)發(fā)散也小得多。能量高度定向集中，對(duì)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(xué)望遠(yuǎn)鏡而不是天線來(lái)收發(fā)信號(hào)，已經(jīng)是未來(lái)太空通信的寵兒。我國(guó)的“墨子號(hào)”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(shí)和故事，未來(lái)航天通信科技的進(jìn)步，能讓我們更清晰、更詳細(xì)地從遠(yuǎn)方探測(cè)器的窺視中，了解神奇的宇宙。