對(duì)話遠(yuǎn)在天邊的“旅行者2號(hào)”無(wú)線電技術(shù)有絕招
本報(bào)記者 唐 婷
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）日前終于與好幾個(gè)月杳無(wú)音信的“旅行者2號(hào)”重新建立了通信。工作人員利用設(shè)在澳大利亞堪培拉的測(cè)控天線Deep Space Station 43（DSS-43）向“旅行者2號(hào)”發(fā)送了一系列指令。
這是自今年3月份以來(lái)，DSS-43首次向“旅行者2號(hào)”發(fā)送信息。隨后，NASA報(bào)告稱，“旅行者2號(hào)”回復(fù)了一個(gè)“你好”，確認(rèn)其已經(jīng)收到消息，并順利執(zhí)行了指令。
一般而言，科學(xué)家如何掌控飛向深空的探測(cè)器？宇宙中有哪些因素會(huì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)造成干擾？未來(lái)是否還有其他測(cè)控方法？科技日?qǐng)?bào)記者就此進(jìn)行了相關(guān)采訪。
傳輸無(wú)線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)控
“在地面上掌控深空探測(cè)器的方法，與掌控地球高軌道衛(wèi)星和地月空間探測(cè)器的基本技術(shù)方法是一樣的。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松介紹，一般采用可以跟蹤方向的拋物面雷達(dá)在約定的無(wú)線電頻段接收來(lái)自衛(wèi)星或探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)信息和應(yīng)答信息，并向衛(wèi)星或探測(cè)器發(fā)送帶有指令編碼的無(wú)線電信號(hào)。
在NASA各種深空探測(cè)任務(wù)中，科學(xué)家使用位于西班牙、美國(guó)加利福尼亞和澳大利亞的深空測(cè)控網(wǎng)，發(fā)射上行指令，接收下行通信應(yīng)答信息，測(cè)量探測(cè)器的飛行軌跡、狀態(tài)等。
其中，位于澳大利亞的DSS-43測(cè)控天線建成于1972年，其直徑達(dá)76米，是全球深空測(cè)控網(wǎng)中最大的無(wú)線電天線之一，可以在S波段（頻段為2—4吉赫）下工作，與相匹配的遙遠(yuǎn)深空探測(cè)器進(jìn)行通信。
無(wú)線電有多個(gè)頻段，科學(xué)家通常使用其中的S、X、Ka頻段來(lái)構(gòu)建深空探測(cè)器與地面的聯(lián)絡(luò)通道。由于地面雷達(dá)天線與探測(cè)器距離太遠(yuǎn)，相互發(fā)送的信號(hào)在路途中損失太大，在到達(dá)時(shí)信號(hào)會(huì)變得非常弱。
平勁松表示，為了保障深空測(cè)控的連續(xù)性和通信質(zhì)量，科學(xué)家想了許多辦法，如通常會(huì)大幅度增大雷達(dá)天線的發(fā)射功率，使用比地球衛(wèi)星地面站面積大數(shù)千倍的拋物面天線聚焦輻射能量和接收信號(hào)，采用在極低溫度環(huán)境中工作的接收機(jī)來(lái)提高靈敏度，使用超高穩(wěn)定性的原子鐘獲得長(zhǎng)時(shí)間相頻特性相當(dāng)穩(wěn)定的電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與遙遠(yuǎn)深空探測(cè)器的通信聯(lián)絡(luò)、測(cè)距測(cè)速測(cè)角，以及發(fā)射指令信號(hào)掌控探測(cè)器飛行狀態(tài)等。
無(wú)線電和激光通信各有所長(zhǎng)
1977年升空的“旅行者2號(hào)”航行了43年，和地球之間的距離已超過(guò)180億千米。想要對(duì)如此遙遠(yuǎn)的深空“使者”進(jìn)行測(cè)控，目前只能借助無(wú)線電通信手段。
平勁松介紹，深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)中用到的激光通信技術(shù)，其最遠(yuǎn)作用距離約1億千米，而地面無(wú)線電通信的作用距離預(yù)計(jì)最遠(yuǎn)可以達(dá)到230億—260億千米。如果采用類似500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的巨型裝置或平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）接收信號(hào)，使用新型大功率雷達(dá)，同時(shí)衛(wèi)星探測(cè)器使用更強(qiáng)的放射性同位素溫差電源，無(wú)線電通信作用距離或可達(dá)到1000億千米。
遠(yuǎn)距離傳輸中，無(wú)線電信號(hào)一方面會(huì)自然衰減，同時(shí)還會(huì)受到大量存在于行星際空間的等離子體的干擾。這些等離子體介質(zhì)會(huì)對(duì)無(wú)線電信號(hào)產(chǎn)生吸收、散射、扭曲旋轉(zhuǎn)、時(shí)間延遲等干擾效應(yīng)。
“通常，相同功率的發(fā)射雷達(dá)在S波段的作用距離要比X波段遠(yuǎn)得多、受行星際等離子體的影響比更低頻的L、UHF通信波段弱得多，因此，S波段幾乎是最理想的測(cè)控深空探測(cè)器的通信頻段。”平勁松介紹。
隨著技術(shù)的發(fā)展，X波段和Ka波段深空通信能力也在穩(wěn)步提升。在有較大探測(cè)數(shù)據(jù)下行需求時(shí)，對(duì)于太陽(yáng)、火星、小行星帶、木星、土星的探測(cè)而言，X波段輔助Ka波段的深空探測(cè)器對(duì)地通信測(cè)控模式逐漸流行起來(lái)。
和無(wú)線電通信相比，激光通信盡管傳輸距離有限，但其優(yōu)勢(shì)在于通信容量帶寬高，能滿足對(duì)地通信的超大容量需求。同時(shí)，激光測(cè)距的精度更高。以測(cè)量地月距離為例，激光測(cè)距的精度為2—3厘米，微波測(cè)距精度則是20—30厘米，兩者間相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。
“在未來(lái)月球表面探測(cè)活動(dòng)中，采用激光和Ka波段無(wú)線電相結(jié)合的通信、測(cè)量、控制一體化模式，將能獲得更好的測(cè)控效果。”平勁松展望道。