深空通信：讓“星際呼喚”成現實

　　當地時間8月4日，美國國家航空航天局(NASA)在網站上宣布，其與(yu) 位於(yu) 地球約200億(yi) 公裏的“旅行者2號”終於(yu) 恢複了通信。此前，由於(yu) 地麵控製人員發出錯誤指令，“旅行者2號”指向地球天線的方向偏離原本位置2度，導致其無法正常與(yu) 地球進行通信。

　　天線位置僅(jin) 僅(jin) 2度的偏差，為(wei) 何就會(hui) 導致“旅行者2號”與(yu) 地球失聯？“旅行者2號”又是如何與(yu) 地球恢複通信的？哪些技術可實現地球與(yu) 深空探測器間通信？我國深空通信技術取得了哪些進展？帶著這些問題，記者采訪了相關(guan) 專(zhuan) 家。

　　天線偏差1.3度就會(hui) 失聯

　　要解釋此次“旅行者2號”失聯的原因，首先要了解深空探測器與(yu) 地球的聯絡方式。“和其他所有的深空探測器一樣，‘旅行者2號’是借助無線電載波上的調製信息與(yu) 地麵進行通信的。”中國科學院國家天文台、中國科學院大學研究員平勁鬆表示。

　　無線電載波是電磁波的一種。1865年，英國著名物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋從(cong) 理論上證明了電場和磁場能相互轉換，且電場與(yu) 磁場的相互作用能產(chan) 生電磁波。在此基礎上，德國物理學家海因裏希·魯道夫·赫茲(zi) 用實驗證明了電磁波的存在，並發現電磁波傳(chuan) 播的速度與(yu) 光速相同。在實驗中他還察覺到，隻要有變化的電流通過線圈，就能產(chan) 生電磁波；而若是把這些帶有變化電流的線圈對準一個(ge) 方向，電磁波就會(hui) 朝這個(ge) 特定的方向發射出去。科學家們(men) 將這一現象背後的原理和無線電雷達技術相結合，發展出無線電通信、深空測控和雷達探測等一係列技術。

　　平勁鬆介紹，“旅行者2號”所使用的通信方式便屬於(yu) 其中之一。它裝備了一台直徑達3.7米的拋物麵高增益天線，這使它能在數百億(yi) 公裏外利用電磁波中的S波段和X波段與(yu) 地球上的巨型拋物麵天線進行通信。這是一種定向通信方式，雖然它需要的能量較少，但在傳(chuan) 遞信息時能量會(hui) 排布在一條線上，因此天線隻要偏離很小的角度，通信就會(hui) 受到影響。

　　在200億(yi) 公裏這個(ge) 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隻有不到1.3度。一旦超過這個(ge) 角度，電磁波輻射功率就會(hui) 大幅度降低，接收端便難以感知到信號。此前，由於(yu) 地麵控製人員發出的錯誤指令，“旅行者2號”指向地球天線的方向偏離原來位置2度，這已經遠超1.3度的限製，導致了“旅行者2號”的失聯。

　　通過大功率全向通信重建聯係

　　然而，就在當地時間8月1日，NASA的國際天線網絡——“深空網絡”監測到了來自“旅行者2號”的微弱載波信號，這是探測器發出的“我仍在正常運行”的基礎通信信號。2023年8月4日，為(wei) 確保衛星端可以截獲上行載波並解碼遙控指令，NASA使用“深空網絡”中功率最高的發射器向“旅行者2號”發送了“星際呼喚”指令，要求它對地定向並反饋操作成功的遙測信息。經接收信息、解碼確認等環節，地麵與(yu) 失聯近兩(liang) 周的“旅行者2號”重新建立了聯係。

　　“這種‘星際呼喚’本質上是一種全向的通信方式。”中國科學院上海天文台副研究員簡念川介紹道，在全向通信模式下，衛星和地麵的關(guan) 係就類似於(yu) 手機和基站，通信的能量會(hui) 彌散到整個(ge) 太陽係空間，因此無論衛星處於(yu) 什麽(me) 狀態都能與(yu) 地麵進行通信。但全向通信模式需要的能量較多，所以平時地麵科研人員很少采用這種模式和衛星進行聯係。

　　數據傳(chuan) 輸新技術不斷湧現

　　“旅行者2號”的失聯，揭示出了無線電通信技術的固有弊端。如今，無線電通信技術正不斷升級，更穩定、更高效的數據傳(chuan) 輸方式不斷湧現。

　　簡念川介紹，在早期，大部分探測器都和“旅行者2號”一樣，是利用S波段或X波段與(yu) 地球進行通信的；現在，技術的進步讓人們(men) 有了更多選擇。比如，目前科學家們(men) 正著手研究使用Ka波段與(yu) 探測器進行通信。與(yu) X波段相比，這個(ge) 波段的頻率更高、信號傳(chuan) 輸距離更遠、帶寬更寬，是無線電通信技術升級的一個(ge) 重要方向。

　　除了無線電通信技術方麵的突破，諸如激光通信和量子通信等其他深空通信技術也在不斷開發中。

　　激光比電磁波的頻率更高，因此相比於(yu) 電磁波通信，激光通信的帶寬更大，數據傳(chuan) 輸速度也更快。平勁鬆告訴記者，目前，美國工程師已經借助月球探測器，成功實現了地月之間的激光通信。未來，這種技術有望運用在1個(ge) 天文單位距離的通信上。

　　此外，激光通信技術還可以與(yu) 無線電技術進行一體(ti) 化運用。2010年前後，美國“深空網絡”的工程師們(men) 就開始了對該技術的設計、研發和初步測試。

　　除了這些傳(chuan) 統的通信方式，量子通信是另一個(ge) 較為(wei) 特殊的發展方向。簡念川介紹，量子通信的優(you) 勢在於(yu) 保密性較強，第三方無法截獲和解密通信內(nei) 容。我國發射全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，便是為(wei) 了進行量子通信方麵的實驗。去年，我國科研人員利用“墨子號”實現了地球上相距1200公裏兩(liang) 個(ge) 地麵站之間的量子態遠程傳(chuan) 輸。

　　我國已建立自主網絡

　　“墨子號”取得的成果，隻是我國深空通信技術進步的一個(ge) 縮影。自2003年神舟五號發射升空，我國深空通信領域已走過了20年。在無數科研人員的努力下，該領域理論研究愈加深入、技術手段不斷進步，如今，我國已在多個(ge) 技術層麵取得突破。

　　在無線電通信層麵，我國已將統一S波段測控通信、統一X波段測控通信等技術運用到與(yu) 祝融號火星車、玉兔二號月球車、綜合性太陽探測衛星“誇父一號”等探測器的通信中。與(yu) 此同時，我國目前也已經實現了與(yu) “墨子號”等衛星的激光通信。

　　“當前，我國已經自主建成深空通信網絡，它配備了大型無線電天線，可用於(yu) 和遠距離飛行器建立通信聯係。近年來，我國已經開展了許多深空探測方麵的任務。相信在不久的將來，隨著深空站的完善和深空通信技術的發展，我國的深空探測事業(ye) 將會(hui) 更上一層樓。”簡念川說。　(科技日報記者 周思同)