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深空通信如何不斷聯(lián)?探測器有副“好嗓子”,地面有雙“好耳朵”

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太空中存在許多的高能輻射,無線電信號會受到干擾。那么,我們?nèi)绾闻c深空探測器保持通信呢?

1977年9月5日,空間探測器“旅行者1號”發(fā)射。從這時候起,它和地面控制中心一直保持著通信,時刻展示人類還未曾涉足的深空。但在2023年11月,人類和“旅行者1號”斷聯(lián)了。準確地說,“旅行者1號”還在向地球傳輸信號,可惜信號成了無意義的亂碼。直到今年4月底,地面團隊和“旅行者1號”艱難地重新建立聯(lián)系。隨著人類一步步探索更遙遠的太空,一個很重要的問題逐漸浮現(xiàn):深空通信如何不斷聯(lián)?

旅行者1號探測器遨游深空效果圖

與深空探測器聯(lián)系有多難?

1965年,在美國宇航局兼職的加州理工學(xué)院航空學(xué)博士生加里·弗蘭德羅發(fā)現(xiàn),木星、土星、天王星和海王星將在20世紀70年代末80年代初與地球連成一條弧線。據(jù)測算,這條弧線每隔176年出現(xiàn)一次,屆時航天器飛過這條弧線上的每顆行星,都能從行星引力中獲得加速。如果能夠?qū)w行時間誤差范圍控制在數(shù)十分鐘以內(nèi),多次引力加速就可以把探測器從地球飛抵海王星的時間從30年縮短至12年。此前,水手10號探測器曾利用引力加速飛掠金星和水星,初步驗證了類似操作的優(yōu)勢。

航天器借助天體引力加速示意圖

為了抓住這個百年難遇的機會,1977年夏天,美國宇航局在15天內(nèi)相繼發(fā)射了兩個“姊妹”航天器——“旅行者2號”和“旅行者1號”。它們在土星附近“分道揚鑣”,隨后“旅行者1號”穿過土星環(huán),掠過土衛(wèi)六,飛出太陽系行星平面;“旅行者2號”則獨自繼續(xù)前往天王星和海王星。

2012年8月25日,“旅行者1號”越過日球?qū)禹?,檢測到了科學(xué)家早年預(yù)測的等離子體密度躍升現(xiàn)象。截至2024年,經(jīng)過近47年飛行,“旅行者1號”距離地球約240億千米,相當(dāng)于地球和太陽距離的160倍。相隔如此遙遠,地面團隊接收到“旅行者1號”的無線電信號,至少需要等待22.5小時,再經(jīng)過至少同樣的時間后,“旅行者1號”才能通過深空網(wǎng)絡(luò)接收到地球信號。而且,考慮到“旅行者1號”每天都會飛行3~4光秒(接近30萬千米)的距離,所以地球和“旅行者1號”之間通信需要等待的時間會不斷延長。

旅行者1號探測器運行效果圖

隨著“旅行者1號”離地球越來越遠,與其保持有效的聯(lián)系將會越來越難。一方面,“旅行者1號”的信號傳輸與接收主要依賴無線電波,而無線電信號的強度與距離的平方成反比。隨著距離越來越遠,無線電信號越來越弱,那么收發(fā)設(shè)備自身和宇宙背景產(chǎn)生的噪聲干擾就會越來越明顯。另一方面,近半個世紀以來,地球上廣播、電視、手機等無線電信號干擾日益嚴重,地面團隊將越來越難以完整地接收到“旅行者1號”的信息。

那么,怎樣保障深空通信穩(wěn)定呢?這需要航天器與地面團隊同心協(xié)力。

深空探測器需要“好嗓門”

首要因素就是能源供應(yīng)。

想要讓地球“聽”得清楚,深空探測器的“嗓門”就要大,也就是信號強度必須“給力”,那么需要的能量就不可低估??梢哉f,深空通信想要保持穩(wěn)定聯(lián)系,首先要保證探測器有充足的能源供應(yīng)。

人造衛(wèi)星普遍依靠太陽能帆板補充能源,但“旅行者1號”離太陽太遠,基本上無法利用太陽能。為了解決這個難題,“旅行者1號”用上了原子能——放射性同位素溫差熱電池。這是一種利用钚-238放射性衰變所產(chǎn)生的熱能直接供應(yīng)直流電的裝置。因為同位素衰變釋放的能量大小、釋放速度均與外界環(huán)境無關(guān),確?!奥眯姓?號”長期有充足的“體力”向地球“喊話”。

“旅行者1號”和“旅行者2號”均使用3塊钚同位素電池作為能源。任務(wù)之初,核電池的初始輸出約為470瓦,隨著時間推移,功率以大約6.4瓦/年的速度慢慢下降,而且熱電偶等裝置性能也在逐漸退化,供能效果逐漸不佳。此前,美國宇航局已關(guān)閉了“旅行者1號”的不少子系統(tǒng)、加熱器和科學(xué)儀器等,希望能夠?qū)⑺墓ぷ鲏勖娱L到2027年,也就是“旅行者1號”發(fā)射50周年。屆時,“旅行者1號”仍會繼續(xù)前行,只是不能再向地球發(fā)送數(shù)據(jù)了。

旅行者系列探測器配備的“核電池”

其次是特制的高增益天線。

“旅行者1號”的電源功率不大,導(dǎo)致消耗也必須“精打細算”。比如,它配備的無線電信號發(fā)射器功率只有22.4瓦,甚至還不如我們使用的手機充電器。初始無線信號功率這么低,如果不采取措施,那么“旅行者1號”發(fā)射的無線電波就會向空間四面八方均勻傳播,“分給”地球的信號無疑太少了。

為了確??偣β什淮蟮臒o線電信號盡量朝向地球傳播,探測器上安裝了卡塞格倫天線。這是一種用于微波通信的雙反射面天線,具備結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、波束窄、增益高、噪聲低等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信。

“旅行者1號”的拋物面主天線直徑為3.66米,包括X波段(約8.4GHz)的卡塞格倫天線和S波段(約2.3GHz)的正饋拋物面天線。其中,X波段的主天線增益為47dBi,兼有12W和22W兩檔功率的發(fā)射模式。在副反射面上,又安裝了一個S波段的低增益天線,主要用于向地球發(fā)射圓極化波,波束寬度90度,確?!奥眯姓?號”不需要在飛行初始階段精確對準,降低了對姿態(tài)控制的要求。至于低增益天線,主要用于“旅行者1號”任務(wù)早期階段調(diào)整姿態(tài)。

旅行者1號探測器天線結(jié)構(gòu)特寫

依靠高增益天線,“旅行者1號”的信號在S波段、X波段波束寬度分別聚攏為0.5度、2.3度,大大提高了向地球發(fā)送的信號強度。其中,S波段信號主要用于發(fā)送遙測數(shù)據(jù),X波段信號則用于傳輸高分辨率圖像和科學(xué)數(shù)據(jù)。

然后是精確姿態(tài)控制。

“旅行者1號”為了提高信號發(fā)射的天線增益,將無線電波束控制得很窄,為了將高增益天線對準地球,必須對探測器的姿態(tài)進行精確控制,否則,很容易“失之毫厘,謬以千里”,導(dǎo)致探測器與地面站斷聯(lián)。

2023年7月21日,美國宇航局向“旅行者2號”發(fā)送指令時出現(xiàn)錯誤,導(dǎo)致其天線從地球方向偏離了2度,地面團隊和探測器瞬間斷聯(lián)。直到8月4日,探測器根據(jù)新的指令校準天線后,終于與地面團隊恢復(fù)通信。

最后涉及到通信信號本身。

“旅行者1號”使用的是8.4GHz和2.3GHz通訊頻率,屬于深空通信上下行鏈路頻率分配的X波段和S頻段。之所以選擇這兩個波段,是因為相關(guān)頻段上幾乎沒有任何干擾,人為產(chǎn)生的無線電噪聲小,從而提高了信噪比,有利于保持天地?zé)o線電通信。

但是,“旅行者1號”距離地球?qū)嵲谔h,加上太空中存在許多復(fù)雜而未知的高能輻射,無線電信號還是會受到干擾。根據(jù)香農(nóng)公式,通信實際上能夠?qū)崿F(xiàn)的可靠速率取決于信號與背景噪聲的比值。這就意味著,傳輸距離越遠,可實現(xiàn)的傳輸速率就越低。

旅行者系列探測器的信號受到宇宙深空的復(fù)雜因素干擾

1994年,當(dāng)“旅行者1號”距離地球約60億千米時,通信速率為7.2千比特/秒。2007年,當(dāng)“旅行者1號”距離地球約126億千米時,通信速率下降到1.4千比特/秒。到了今年初,“旅行者1號”與地球的通信速率只能達到160比特/秒,比20世紀90年代撥號上網(wǎng)的速度還慢。

為了減輕數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?,在相同的傳輸能力下,將更多?shù)據(jù)傳回地球,深空探測領(lǐng)域用上了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。為了盡量保存原始圖像和科學(xué)數(shù)據(jù),深空通信一般采用無損壓縮,壓縮率偏低,約為3∶1。未壓縮的“旅行者1號”圖像為800×800像素,每像素8比特灰度。其實,典型的行星或衛(wèi)星圖像中包含大量黑色,屬于無效信息,通過計算相鄰像素灰度級別之間的差別,圖像數(shù)據(jù)壓縮能夠?qū)⒁环湫托行菆D像的數(shù)據(jù)量減少60%。

受限于信號微弱、干擾等原因,地球站接收到的數(shù)據(jù)很可能出錯。如果每次發(fā)現(xiàn)錯誤后都重新傳輸,在通信延時越來越大的情況下,必然耗時耗力。因此,深空探測器采用了糾錯編碼技術(shù),通過對接收到的信號進行數(shù)學(xué)校驗,就可以檢查到出錯的數(shù)據(jù)?!奥眯姓?號”最初采用級聯(lián)格雷碼+卷積編碼的單通道遙測系統(tǒng),后來在軌升級為級聯(lián)里德-所羅門碼+卷積編碼,即以卷積碼作為內(nèi)碼、以里德-所羅門碼作為外碼的典型級聯(lián)碼方案。

所謂糾錯編碼,實際上是通過增加相關(guān)信息比特率、強化信號冗余的方式來減少信息誤碼率。使用格雷編碼算法發(fā)送1比特信息需要1比特的開銷,而里德-所羅門碼編碼方案減少到每發(fā)送5比特信息才需要1比特的開銷,信息誤碼率則由千分之五減少到百萬分之一。隨著計算處理能力提高,新的深空探測器也在逐步采用性能更加優(yōu)異的Toubo碼和LDPC碼等長碼進行信道編碼。

地面需要“好耳朵”

為了實現(xiàn)可靠的深空通信,當(dāng)然不能只靠探測器一端“使勁”,地面站也需要“發(fā)力”,兩者通力合作,天地通信鏈路才能打通。

一方面,有必要構(gòu)建覆蓋全球的深空測控網(wǎng)。

由于地球自轉(zhuǎn)會遮擋信號,極大影響通信效果,只有在全球部署一定數(shù)量的深空通訊設(shè)施,才能保證地面團隊與深空探測器不斷聯(lián)。

“旅行者1號”與地球之間的通信是通過美國宇航局的深空探測網(wǎng)實現(xiàn)的。這是一個由分布在全球的3個綜合測控通信設(shè)施構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),也是目前世界上能力最強、規(guī)模最大的深空測控通信系統(tǒng),每組設(shè)施包含1部直徑達70米的主天線、4~7部直徑34米的副天線以及1部直徑26米和1部直徑11米的中小口徑天線,能夠與航天器進行不間斷的通信。

美國宇航局深空網(wǎng)系統(tǒng)始建于1958年,經(jīng)過3年時間,建成了加州金石、澳大利亞伍墨拉和南非約翰內(nèi)斯堡共3個深空站系統(tǒng),1963年正式命名為深空網(wǎng)。1965年,美國宇航局在西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉新建了兩個深空站。1974年,美國宇航局關(guān)閉了伍墨拉和約翰內(nèi)斯堡兩處設(shè)施后,形成了目前的三站格局。這些站點由位于加州帕薩迪納的美國宇航局噴氣推進實驗室負責(zé)控制、維護與管理。

美國加州沙漠中的金石雷達站

除了美國外,其他國家和組織也在積極建設(shè)深空網(wǎng)絡(luò)。比如,歐空局建成了包含澳大利亞新諾舍站、西班牙塞弗雷羅斯站和阿根廷馬拉圭站的深空網(wǎng),由位于德國達姆施塔特的歐洲空間操作中心進行遠程操作控制。我國在佳木斯(國土最東部)、喀什(國土最西部)和薩帕拉(阿根廷西部)部署深空站,實現(xiàn)超過92%的天域覆蓋有效通信。俄羅斯、日本、印度等國也研制并建設(shè)了深空測控設(shè)備,但暫未組成完整的深空測控網(wǎng),其中俄羅斯使用的一些地面設(shè)施和特殊船只是從蘇聯(lián)繼承下來的。

國外深空通信地面站

另一方面,需要配置功能強大的地面設(shè)備。

專門用于深空航天器測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡孛嬖O(shè)施一般配有大口徑拋物面天線、大功率發(fā)射機、極高靈敏度接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)以及高精度高穩(wěn)定度的時間頻率系統(tǒng),能對距離地球至少數(shù)百萬千米的深空航天器進行測控。

深空探測網(wǎng)絡(luò)的大口徑天線

在深空通信地面設(shè)備中,最引人注目的是碩大的天線。用于和“旅行者1號”通信的是直徑70米的全可動拋物面高增益反射天線。該天線是在“旅行者”計劃實施后從64米直徑天線升級而來的,通過移走原天線的舊金屬面板和結(jié)構(gòu)支架,安裝全新的外部支撐結(jié)構(gòu)和精密面板,并將面板表面調(diào)整到亞毫米級精度。此外,該天線還引入了全息對齊技術(shù),用來準確聚焦X頻段射頻信號。據(jù)統(tǒng)計,70米口徑天線的面積達到3850平方米,相當(dāng)于10個籃球場,總重量達2500多噸,增益到達了2000多萬倍的數(shù)量級。

經(jīng)過直徑70米天線聚焦放大后,“旅行者1號”的信號強度只有通常手機可接收的最弱信號的十萬分之一。為了接收如此微弱的信號,需要將天線的接收組件冷卻到接近絕對零度,利用超導(dǎo)效應(yīng),實現(xiàn)超高靈敏度、極低噪音。隨后,設(shè)備再對接收到的信號進行放大,才能還原出原始信號。

除了接受信號必須“卯足勁”外,向深空探測器發(fā)信號也要“竭盡全力”。以美國宇航局位于澳大利亞堪培拉通信站的70米直徑天線為例,為了“照顧”“旅行者1號”的信號接收裝置,地面站“下足血本”,S波段發(fā)射輸出功率達到400千瓦。盡管如此,地面以2.1GHz的頻率向“旅行者1號”發(fā)送的指令速率也僅能達到16比特/秒,可見深空通信是一件多么高難度的事。

評論
科普中國●yling
進士級
通過對深空通訊各項資料的整合,我們認識到了深空通信對我國航天航空事業(yè)發(fā)展的重要意義。同時,深空通信也是一門多學(xué)科知識的融合,需要研究者精通多方面知識體系。
2024-09-11
新風(fēng)科普????
學(xué)士級
在深空探測的世界里,保持與探測器的通信就像是一場與宇宙的對話,而這場對話的順暢與否,取決于探測器的“嗓子”和地面的“耳朵”。探測器的通信系統(tǒng)必須具備強大的信號發(fā)射能力,以確保信號能夠穿越浩瀚的宇宙空間,而地面的接收系統(tǒng)則需要極高的靈敏度,以便捕捉到這些微弱的信號。隨著技術(shù)的發(fā)展,我們不僅依賴傳統(tǒng)的無線電波,還在探索激光通信和量子通信等新技術(shù),以期實現(xiàn)更快速、更穩(wěn)定的星際通信。這些進步,讓我們能夠更好地聆聽來自深空的回聲,也讓深空探測的每一步都更加穩(wěn)健。
2024-09-11
科普科普知識的搖籃!
太師級
深空通信需要探測器和地面站的共同努力,通過優(yōu)化能源供應(yīng)、高增益天線、精確姿態(tài)控制、優(yōu)化通信信號、數(shù)據(jù)壓縮和糾錯編碼、全球深空測控網(wǎng)以及強大的地面設(shè)備,才能實現(xiàn)與深空探測器的穩(wěn)定通信。
2024-09-11