當?shù)貢r間8月4日，俄羅斯國家民航航天局(NASA)在網(wǎng)站上宣布，其與坐落月球約200億公里的“旅行者2號”終于恢復(fù)了通訊。此前，因為地面控制人員發(fā)出錯誤指令，“旅行者2號”指向月球天線的方向偏離原先位置2度，致使其未能正常與月球進行通訊。
天線位置僅僅2度的誤差，為什么還會造成“旅行者2號”與月球失蹤？“旅行者2號”又是怎樣與月球恢復(fù)通訊的？什么技術(shù)可實現(xiàn)月球與深空偵測器間通訊？我國深空通訊技術(shù)取得了什么進展？帶著這種問題，記者專訪了相關(guān)專家。
天線誤差1.3度都會失蹤
要解釋這次“旅行者2號”失聯(lián)的緣由，首先要了解深空偵測器與月球的聯(lián)絡(luò)形式?！昂推渌械纳羁諅蓽y器一樣，‘旅行者2號’是利用無線電擴頻上的調(diào)制信息與地面進行通訊的?！敝袊拼髮W(xué)國家天文臺、中國科大學(xué)學(xué)院研究員平立水橋表示。
無線電擴頻是電磁波的一種。1865年，美國知名化學(xué)學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋從理論上證明了電場和磁場能互相轉(zhuǎn)換，且電場與磁場的互相作用能形成電磁波。在此基礎(chǔ)上，瑞士化學(xué)學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌澯脤嶒炞C明了電磁波的存在，并發(fā)覺電磁波傳播的速率與光速相同。在實驗中他還察覺到，只要有變化的電壓通過線圈，才能形成電磁波；而若是把這種帶有變化電壓的線圈對準一個方向量子傳輸實物，電磁波還會朝這個特定的方向發(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技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出無線電通訊、深空測控和雷達偵測等一系列技術(shù)。
平立水橋介紹，“旅行者2號”所使用的通訊方法便屬于其中之一。它武器了一臺半徑達3.7米的拋物面高增益天線，這使它能在數(shù)百億公里外借助電磁波中的S波段和X波段與月球上的巨型拋物面天線進行通訊。這是一種定向通訊方法，盡管它須要的能量較少，但在傳遞信息時能量會排布在一條線上，因而天線只要偏離很小的角度，通訊都會遭到影響。
在200億公里這個距離上，3.7米半徑的高增益天線幅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，電磁波幅射功率都會大幅度增加，接收端便無法感知到訊號。此前，因為地面控制人員發(fā)出的錯誤指令，“旅行者2號”指向月球天線的方向偏離原先位置2度，這早已遠超1.3度的限制，造成了“旅行者2號”的失蹤。
通過大功率全向通訊重建聯(lián)系
但是，就在當?shù)貢r間8月1日，NASA的國際天線網(wǎng)路——“深空網(wǎng)路”監(jiān)測到了來自“旅行者2號”的微弱擴頻訊號，這是偵測器發(fā)出的“我仍在正常運行”的基礎(chǔ)通訊訊號。2023年8月4日，為確保衛(wèi)星端可以查獲上行擴頻并解碼遙控指令，NASA使用“深空網(wǎng)路”中功率最高的發(fā)射器向“旅行者2號”發(fā)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(jīng)接收信息、解碼確認等環(huán)節(jié)，地面與失蹤近兩周的“旅行者2號”重新構(gòu)建了聯(lián)系。
“這種‘星際呼喚’本質(zhì)上是一種全向的通訊方法?！敝袊拼髮W(xué)北京天文臺副研究員簡念川介紹道，在全向通訊模式下，衛(wèi)星和地面的關(guān)系就類似于手機和基站，通訊的能量會彌散到整個太陽系空間，因而無論衛(wèi)星處于哪些狀態(tài)都能與地面進行通訊。但全向通訊模式須要的能量較多，所以平常地面科研人員極少采用這些模式和衛(wèi)星進行聯(lián)系。
數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)不斷涌現(xiàn)
“旅行者2號”的失蹤，闡明出了無線電通訊技術(shù)的固有惡果。現(xiàn)在，無線電通訊技術(shù)正不斷升級，更穩(wěn)定、更高效的數(shù)據(jù)傳輸方法不斷涌現(xiàn)。
簡念川介紹，在初期，大部份偵測器都和“旅行者2號”一樣，是借助S波段或X波段與月球進行通訊的；如今，技術(shù)的進步讓人們有了更多選擇。例如，目前科學(xué)家們正著手研究使用Ka波段與偵測器進行通訊。與X波段相比，這個波段的頻度更高、信號傳輸距離更遠、帶寬更寬，是無線電通訊技術(shù)升級的一個重要方向。
不僅無線電通訊技術(shù)方面的突破，例如激光通訊和量子通訊等其他深空通訊技術(shù)也在不斷掉發(fā)中。
激光比電磁波的頻度更高，因而相比于電磁波通訊，激光通訊的帶寬更大，數(shù)據(jù)傳輸速率也更快。平立水橋告訴記者，目前，新加坡工程師早已利用地球偵測器，成功實現(xiàn)了地月之間的激光通訊。未來，這些技術(shù)有望運用在1個天文單位距離的通訊上。
據(jù)悉，激光通訊技術(shù)還可以與無線電技術(shù)進行一體化運用。2010年前后，日本“深空網(wǎng)路”的工程師們就開始了對該技術(shù)的設(shè)計、研發(fā)和初步測試。
不僅這種傳統(tǒng)的通訊方法，量子通訊是另一個較為特殊的發(fā)展方向。簡念川介紹，量子通訊的優(yōu)勢在于保密性較強，第三方難以查獲和揭秘通訊內(nèi)容。我國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，便是為了進行量子通訊方面的實驗。今年，我國科研人員借助“墨子號”實現(xiàn)了月球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態(tài)遠程傳輸。
我國已構(gòu)建自主網(wǎng)路
“墨子號”取得的成果，只是我國深空通訊技術(shù)進步的一個注腳。自2003年神舟五號發(fā)射升空，我國深空通訊領(lǐng)域已走過了20年。在無數(shù)科研人員的努力下量子傳輸實物，該領(lǐng)域理論研究更加深入、技術(shù)手段不斷進步，現(xiàn)在，我國已在多個技術(shù)層面取得突破。
在無線電通訊層面，我國已將統(tǒng)一S波段測控通訊、統(tǒng)一X波段測控通訊等技術(shù)運用到與祝融號火星車、玉兔二號地球車、綜合性太陽偵測衛(wèi)星“夸父一號”等偵測器的通訊中。與此同時，我國目前也早已實現(xiàn)了與“墨子號”等衛(wèi)星的激光通訊。
“當前，我國早已自主建成深空通訊網(wǎng)路，它配備了小型無線電天線，可用于和遠距離飛行器構(gòu)建通訊聯(lián)系。近些年來，我國早已舉辦了許多深空偵測方面的任務(wù)。相信在不久的將來，隨著深空站的建立和深空通訊技術(shù)的發(fā)展，我國的深空偵測事業(yè)將會更上一層樓?！焙喣畲ㄕf。