深空通信：让“星际呼唤”成现实

当地时间8月4日，美国国家航空航天局(NASA)在网站上宣布，其与位于地球约200亿公里的“旅行者2号”终于恢复了通信。此前，由于地面控制人员发出错误指令，“旅行者2号”指向地球天线的方向偏离原本位置2度，导致其无法正常与地球进行通信。

(资料图)

天线位置仅仅2度的偏差，为何就会导致“旅行者2号”与地球失联？“旅行者2号”又是如何与地球恢复通信的？哪些技术可实现地球与深空探测器间通信？我国深空通信技术取得了哪些进展？带着这些问题，记者采访了相关专家。

天线偏差度就会失联

要解释此次“旅行者2号”失联的原因，首先要了解深空探测器与地球的联络方式。“和其他所有的深空探测器一样，‘旅行者2号’是借助无线电载波上的调制信息与地面进行通信的。”中国科学院国家天文台、中国科学院大学研究员平劲松表示。

无线电载波是电磁波的一种。1865年，英国著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦从理论上证明了电场和磁场能相互转换，且电场与磁场的相互作用能产生电磁波。在此基础上，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹用实验证明了电磁波的存在，并发现电磁波传播的速度与光速相同。在实验中他还察觉到，只要有变化的电流通过线圈，就能产生电磁波；而若是把这些带有变化电流的线圈对准一个方向，电磁波就会朝这个特定的方向发射出去。科学家们将这一现象背后的原理和无线电雷达技术相结合，发展出无线电通信、深空测控和雷达探测等一系列技术。

平劲松介绍，“旅行者2号”所使用的通信方式便属于其中之一。它装备了一台直径达米的抛物面高增益天线，这使它能在数百亿公里外利用电磁波中的S波段和X波段与地球上的巨型抛物面天线进行通信。这是一种定向通信方式，虽然它需要的能量较少，但在传递信息时能量会排布在一条线上，因此天线只要偏离很小的角度，通信就会受到影响。

在200亿公里这个距离上，米直径的高增益天线辐射电磁波的主瓣方向束半宽最大也只有不到度。一旦超过这个角度，电磁波辐射功率就会大幅度降低，接收端便难以感知到信号。此前，由于地面控制人员发出的错误指令，“旅行者2号”指向地球天线的方向偏离原来位置2度，这已经远超度的限制，导致了“旅行者2号”的失联。

通过大功率全向通信重建联系

然而，就在当地时间8月1日，NASA的国际天线网络——“深空网络”监测到了来自“旅行者2号”的微弱载波信号，这是探测器发出的“我仍在正常运行”的基础通信信号。2023年8月4日，为确保卫星端可以截获上行载波并解码遥控指令，NASA使用“深空网络”中功率最高的发射器向“旅行者2号”发送了“星际呼唤”指令，要求它对地定向并反馈操作成功的遥测信息。经接收信息、解码确认等环节，地面与失联近两周的“旅行者2号”重新建立了联系。

“这种‘星际呼唤’本质上是一种全向的通信方式。”中国科学院上海天文台副研究员简念川介绍道，在全向通信模式下，卫星和地面的关系就类似于手机和基站，通信的能量会弥散到整个太阳系空间，因此无论卫星处于什么状态都能与地面进行通信。但全向通信模式需要的能量较多，所以平时地面科研人员很少采用这种模式和卫星进行联系。

数据传输新技术不断涌现

“旅行者2号”的失联，揭示出了无线电通信技术的固有弊端。如今，无线电通信技术正不断升级，更稳定、更高效的数据传输方式不断涌现。

简念川介绍，在早期，大部分探测器都和“旅行者2号”一样，是利用S波段或X波段与地球进行通信的；现在，技术的进步让人们有了更多选择。比如，目前科学家们正着手研究使用Ka波段与探测器进行通信。与X波段相比，这个波段的频率更高、信号传输距离更远、带宽更宽，是无线电通信技术升级的一个重要方向。

除了无线电通信技术方面的突破，诸如激光通信和量子通信等其他深空通信技术也在不断开发中。

激光比电磁波的频率更高，因此相比于电磁波通信，激光通信的带宽更大，数据传输速度也更快。平劲松告诉记者，目前，美国工程师已经借助月球探测器，成功实现了地月之间的激光通信。未来，这种技术有望运用在1个天文单位距离的通信上。

此外，激光通信技术还可以与无线电技术进行一体化运用。2010年前后，美国“深空网络”的工程师们就开始了对该技术的设计、研发和初步测试。

除了这些传统的通信方式，量子通信是另一个较为特殊的发展方向。简念川介绍，量子通信的优势在于保密性较强，第三方无法截获和解密通信内容。我国发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，便是为了进行量子通信方面的实验。去年，我国科研人员利用“墨子号”实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输。

我国已建立自主网络

“墨子号”取得的成果，只是我国深空通信技术进步的一个缩影。自2003年神舟五号发射升空，我国深空通信领域已走过了20年。在无数科研人员的努力下，该领域理论研究愈加深入、技术手段不断进步，如今，我国已在多个技术层面取得突破。

在无线电通信层面，我国已将统一S波段测控通信、统一X波段测控通信等技术运用到与祝融号火星车、玉兔二号月球车、综合性太阳探测卫星“夸父一号”等探测器的通信中。与此同时，我国目前也已经实现了与“墨子号”等卫星的激光通信。

“当前，我国已经自主建成深空通信网络，它配备了大型无线电天线，可用于和远距离飞行器建立通信联系。近年来，我国已经开展了许多深空探测方面的任务。相信在不久的将来，随着深空站的完善和深空通信技术的发展，我国的深空探测事业将会更上一层楼。”简念川说。　(科技日报记者 周思同)

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