深空通信:數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)涌現(xiàn) 讓“星際呼喚”成現(xiàn)實(shí)
深空通信:讓“星際呼喚”成現(xiàn)實(shí)
當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月4日,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在網(wǎng)站上宣布,其與位于地球約200億公里的“旅行者2號(hào)”終于恢復(fù)了通信。此前,由于地面控制人員發(fā)出錯(cuò)誤指令,“旅行者2號(hào)”指向地球天線的方向偏離原本位置2度,導(dǎo)致其無法正常與地球進(jìn)行通信。
天線位置僅僅2度的偏差,為何就會(huì)導(dǎo)致“旅行者2號(hào)”與地球失聯(lián)?“旅行者2號(hào)”又是如何與地球恢復(fù)通信的?哪些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)地球與深空探測(cè)器間通信?我國(guó)深空通信技術(shù)取得了哪些進(jìn)展?帶著這些問題,記者采訪了相關(guān)專家。
天線偏差1.3度就會(huì)失聯(lián)
要解釋此次“旅行者2號(hào)”失聯(lián)的原因,首先要了解深空探測(cè)器與地球的聯(lián)絡(luò)方式?!昂推渌械纳羁仗綔y(cè)器一樣,‘旅行者2號(hào)’是借助無線電載波上的調(diào)制信息與地面進(jìn)行通信的?!敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究員平勁松表示。
無線電載波是電磁波的一種。1865年,英國(guó)著名物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋從理論上證明了電場(chǎng)和磁場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)換,且電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互作用能產(chǎn)生電磁波。在此基礎(chǔ)上,德國(guó)物理學(xué)家海因里?!?shù)婪颉ず掌澯脤?shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在,并發(fā)現(xiàn)電磁波傳播的速度與光速相同。在實(shí)驗(yàn)中他還察覺到,只要有變化的電流通過線圈,就能產(chǎn)生電磁波;而若是把這些帶有變化電流的線圈對(duì)準(zhǔn)一個(gè)方向,電磁波就會(huì)朝這個(gè)特定的方向發(fā)射出去??茖W(xué)家們將這一現(xiàn)象背后的原理和無線電雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合,發(fā)展出無線電通信、深空測(cè)控和雷達(dá)探測(cè)等一系列技術(shù)。
平勁松介紹,“旅行者2號(hào)”所使用的通信方式便屬于其中之一。它裝備了一臺(tái)直徑達(dá)3.7米的拋物面高增益天線,這使它能在數(shù)百億公里外利用電磁波中的S波段和X波段與地球上的巨型拋物面天線進(jìn)行通信。這是一種定向通信方式,雖然它需要的能量較少,但在傳遞信息時(shí)能量會(huì)排布在一條線上,因此天線只要偏離很小的角度,通信就會(huì)受到影響。
在200億公里這個(gè)距離上,3.7米直徑的高增益天線輻射電磁波的主瓣方向束半寬最大也只有不到1.3度。一旦超過這個(gè)角度,電磁波輻射功率就會(huì)大幅度降低,接收端便難以感知到信號(hào)。此前,由于地面控制人員發(fā)出的錯(cuò)誤指令,“旅行者2號(hào)”指向地球天線的方向偏離原來位置2度,這已經(jīng)遠(yuǎn)超1.3度的限制,導(dǎo)致了“旅行者2號(hào)”的失聯(lián)。
通過大功率全向通信重建聯(lián)系
然而,就在當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月1日,NASA的國(guó)際天線網(wǎng)絡(luò)——“深空網(wǎng)絡(luò)”監(jiān)測(cè)到了來自“旅行者2號(hào)”的微弱載波信號(hào),這是探測(cè)器發(fā)出的“我仍在正常運(yùn)行”的基礎(chǔ)通信信號(hào)。2023年8月4日,為確保衛(wèi)星端可以截獲上行載波并解碼遙控指令,NASA使用“深空網(wǎng)絡(luò)”中功率最高的發(fā)射器向“旅行者2號(hào)”發(fā)送了“星際呼喚”指令,要求它對(duì)地定向并反饋操作成功的遙測(cè)信息。經(jīng)接收信息、解碼確認(rèn)等環(huán)節(jié),地面與失聯(lián)近兩周的“旅行者2號(hào)”重新建立了聯(lián)系。
“這種‘星際呼喚’本質(zhì)上是一種全向的通信方式?!敝袊?guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員簡(jiǎn)念川介紹道,在全向通信模式下,衛(wèi)星和地面的關(guān)系就類似于手機(jī)和基站,通信的能量會(huì)彌散到整個(gè)太陽系空間,因此無論衛(wèi)星處于什么狀態(tài)都能與地面進(jìn)行通信。但全向通信模式需要的能量較多,所以平時(shí)地面科研人員很少采用這種模式和衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)系。
數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)不斷涌現(xiàn)
“旅行者2號(hào)”的失聯(lián),揭示出了無線電通信技術(shù)的固有弊端。如今,無線電通信技術(shù)正不斷升級(jí),更穩(wěn)定、更高效的數(shù)據(jù)傳輸方式不斷涌現(xiàn)。
簡(jiǎn)念川介紹,在早期,大部分探測(cè)器都和“旅行者2號(hào)”一樣,是利用S波段或X波段與地球進(jìn)行通信的;現(xiàn)在,技術(shù)的進(jìn)步讓人們有了更多選擇。比如,目前科學(xué)家們正著手研究使用Ka波段與探測(cè)器進(jìn)行通信。與X波段相比,這個(gè)波段的頻率更高、信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)、帶寬更寬,是無線電通信技術(shù)升級(jí)的一個(gè)重要方向。
除了無線電通信技術(shù)方面的突破,諸如激光通信和量子通信等其他深空通信技術(shù)也在不斷開發(fā)中。
激光比電磁波的頻率更高,因此相比于電磁波通信,激光通信的帶寬更大,數(shù)據(jù)傳輸速度也更快。平勁松告訴記者,目前,美國(guó)工程師已經(jīng)借助月球探測(cè)器,成功實(shí)現(xiàn)了地月之間的激光通信。未來,這種技術(shù)有望運(yùn)用在1個(gè)天文單位距離的通信上。
此外,激光通信技術(shù)還可以與無線電技術(shù)進(jìn)行一體化運(yùn)用。2010年前后,美國(guó)“深空網(wǎng)絡(luò)”的工程師們就開始了對(duì)該技術(shù)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和初步測(cè)試。
除了這些傳統(tǒng)的通信方式,量子通信是另一個(gè)較為特殊的發(fā)展方向。簡(jiǎn)念川介紹,量子通信的優(yōu)勢(shì)在于保密性較強(qiáng),第三方無法截獲和解密通信內(nèi)容。我國(guó)發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”,便是為了進(jìn)行量子通信方面的實(shí)驗(yàn)。去年,我國(guó)科研人員利用“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸。
我國(guó)已建立自主網(wǎng)絡(luò)
“墨子號(hào)”取得的成果,只是我國(guó)深空通信技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)縮影。自2003年神舟五號(hào)發(fā)射升空,我國(guó)深空通信領(lǐng)域已走過了20年。在無數(shù)科研人員的努力下,該領(lǐng)域理論研究愈加深入、技術(shù)手段不斷進(jìn)步,如今,我國(guó)已在多個(gè)技術(shù)層面取得突破。
在無線電通信層面,我國(guó)已將統(tǒng)一S波段測(cè)控通信、統(tǒng)一X波段測(cè)控通信等技術(shù)運(yùn)用到與祝融號(hào)火星車、玉兔二號(hào)月球車、綜合性太陽探測(cè)衛(wèi)星“夸父一號(hào)”等探測(cè)器的通信中。與此同時(shí),我國(guó)目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與“墨子號(hào)”等衛(wèi)星的激光通信。
“當(dāng)前,我國(guó)已經(jīng)自主建成深空通信網(wǎng)絡(luò),它配備了大型無線電天線,可用于和遠(yuǎn)距離飛行器建立通信聯(lián)系。近年來,我國(guó)已經(jīng)開展了許多深空探測(cè)方面的任務(wù)。相信在不久的將來,隨著深空站的完善和深空通信技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)的深空探測(cè)事業(yè)將會(huì)更上一層樓?!焙?jiǎn)念川說?!?科技日?qǐng)?bào)記者 周思同)
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