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，其與位于地球約200億公里的“旅行者2號”終于恢復了通信。此前，由于地面控制人員發出錯誤指令，“旅行者2號”指向地球天線的方向偏離原本位置2度，導致其無法正常與地球進行通信。

　　天線位置僅僅2度的偏差，為何就會導致“旅行者2號”與地球失聯？“旅行者2號”又是如何與地球恢復通信的？哪些技術可實現地球與深空探測器間通信？我國深空通信技術取得了哪些進展？帶著這些問題，記者采訪了相關專家。

　　天線偏差1.3度就會失聯

　　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制信息與地面進行通信的。”中國科學院國家天文臺、中國科學院大學研究員平勁松表示。

　　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·麥克斯韋從理論上證明了電場和磁場能相互轉換，且電場與磁場的相互作用能產生電磁波。在此基礎上，德國物理學家海因里希·魯道夫·赫茲用實驗證明了電磁波的存在，并發現電磁波傳播的速度與光速相同。在實驗中他還察覺到，只要有變化的電流通過線圈，就能產生電磁波；而若是把這些帶有變化電流的線圈對準一個方向，電磁波就會朝這個特定的方向發射出去。科學家們將這一現象背后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系列技術。

　　平勁松介紹，“旅行者2號”所使用的通信方式便屬于其中之一。它裝備了一臺直徑達3.7米的拋物面高增益天線，這使它能在數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，但在傳遞信息時能量會排布在一條線上，因此天線只要偏離很小的角度，通信就會受到影響。

　　在200億公里這個距離上，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。一旦超過這個角度，電磁波輻射功率就會大幅度降低，接收端便難以感知到信號。此前，由于地面控制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度的限制，導致了“旅行者2號”的失聯。

　　通過大功率全向通信重建聯系

　　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，為確保衛星端可以截獲上行載波并解碼遙控指令，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，要求它對地定向并反饋操作成功的遙測信息。經接收信息、解碼確認等環節，地面與失聯近兩周的“旅行者2號”重新建立了聯系。

　　“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臺副研究員簡念川介紹道，在全向通信模式下，衛星和地面的關系就類似于手機和基站，通信的能量會彌散到整個太陽系空間，因此無論衛星處于什么狀態都能與地面進行通信。但全向通信模式需要的能量較多，所以平時地面科研人員很少采用這種模式和衛星進行聯系。

　　數據傳輸新技術不斷涌現

　　“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、更高效的數據傳輸方式不斷涌現。

　　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波段與地球進行通信的；現在，技術的進步讓人們有了更多選擇。比如，目前科學家們正著手研究使用Ka波段與探測器進行通信。與X波段相比，這個波段的頻率更高、信號傳輸距離更遠、帶寬更寬，是無線電通信技術升級的一個重要方向。

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

　　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，數據傳輸速度也更快。平勁松告訴記者，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個天文單位距離的通信上。

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

　　除了這些傳統的通信方式，量子通信是另一個較為特殊的發展方向。簡念川介紹，量子通信的優勢在于保密性較強，第三方無法截獲和解密通信內容。我國發射全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，便是為了進行量子通信方面的實驗。去年，我國科研人員利用“墨子號”實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸。

　　我國已建立自主網絡

　　“墨子號”取得的成果，只是我國深空通信技術進步的一個縮影。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，我國已在多個技術層面取得突破。

　　在無線電通信層面，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祝融號火星車、玉兔二號月球車、綜合性太陽探測衛星“夸父一號”等探測器的通信中。與此同時，我國目前也已經實現了與“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，可用于和遠距離飛行器建立通信聯系。近年來，我國已經開展了許多深空探測方面的任務。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將會更上一層樓。”簡念川說。　(科技日報記者 周思同)