科普|对话深空无线电技术有绝招

图片来源：NASA

据国外媒体报道，美国国家航空航天局（NASA）于12月初终于与好几个月杳无音信的“旅行者2号”重新建立了通信。工作人员利用设在澳大利亚堪培拉的测控天线Deep Space Station 43（DSS-43）向“旅行者2号”发送了一系列指令。

这是自2020年3月份以来，DSS-43首次向“旅行者2号”发送信息。随后，NASA报告称，“旅行者2号”回复了一个“你好”，确认其已经收到消息，并顺利执行了指令。

一般而言，科学家如何掌控飞向深空的探测器？宇宙中有哪些因素会对无线电信号造成干扰？未来是否还有其他测控方法？科技日报记者就此进行了相关采访。

传输无线电信号实现测控

“在地面上掌控深空探测器的方法，与掌控地球高轨道卫星和地月空间探测器的基本技术方法是一样的。”中国科学院国家天文台研究员平劲松介绍，一般采用可以跟踪方向的抛物面雷达在约定的无线电频段接收来自卫星或探测器发回的数据信息和应答信息，并向卫星或探测器发送带有指令编码的无线电信号。

在NASA各种深空探测任务中，科学家使用位于西班牙、美国加利福尼亚和澳大利亚的深空测控网，发射上行指令，接收下行通信应答信息，测量探测器的飞行轨迹、状态等。

其中，位于澳大利亚的DSS-43测控天线建成于1972年，其直径达76米，是全球深空测控网中最大的无线电天线之一，可以在S波段（频段为2~4吉赫）下工作，与相匹配的遥远深空探测器进行通信。

无线电有多个频段，科学家通常使用其中的S、X、Ka频段来构建深空探测器与地面的联络通道。由于地面雷达天线与探测器距离太远，相互发送的信号在路途中损失太大，在到达时信号会变得非常弱。

平劲松表示，为了保障深空测控的连续性和通信质量，科学家想了许多办法，如通常会大幅度增大雷达天线的发射功率，使用比地球卫星地面站面积大数千倍的抛物面天线聚焦辐射能量和接收信号，采用在极低温度环境中工作的接收机来提高灵敏度，使用超高稳定性的原子钟获得长时间相频特性相当稳定的电磁波信号，实现与遥远深空探测器的通信联络、测距测速测角，以及发射指令信号掌控探测器飞行状态等。

无线电和激光通信各有所长

1977年升空的“旅行者2号”航行了43年，和地球之间的距离已超过180亿千米。想要对如此遥远的深空“使者”进行测控，目前只能借助无线电通信手段。

平劲松介绍，深空探测实验中用到的激光通信技术，其最远作用距离约1亿千米，而地面无线电通信的作用距离预计最远可以达到230亿~260亿千米。如果采用类似500米口径球面射电望远镜（FAST）的巨型装置或平方公里阵列射电望远镜（SKA）接收信号，使用新型大功率雷达，同时卫星探测器使用更强的放射性同位素温差电源，无线电通信作用距离或可达到1000亿千米。

远距离传输中，无线电信号一方面会自然衰减，同时还会受到大量存在于行星际空间的等离子体的干扰。这些等离子体介质会对无线电信号产生吸收、散射、扭曲旋转、时间延迟等干扰效应。

“通常，相同功率的发射雷达在S波段的作用距离要比X波段远得多、受行星际等离子体的影响比更低频的L、UHF通信波段弱得多，因此，S波段几乎是最理想的测控深空探测器的通信频段。”平劲松介绍。

随着技术的发展，X波段和Ka波段深空通信能力也在稳步提升。在有较大探测数据下行需求时，对于太阳、火星、小行星带、木星、土星的探测而言，X波段辅助Ka波段的深空探测器对地通信测控模式逐渐流行起来。

和无线电通信相比，激光通信尽管传输距离有限，但其优势在于通信容量带宽高，能满足对地通信的超大容量需求。同时，激光测距的精度更高。以测量地月距离为例，激光测距的精度为2~3厘米，微波测距精度则是20~30厘米，两者间相差一个数量级。

“在未来月球表面探测活动中，采用激光和Ka波段无线电相结合的通信、测量、控制一体化模式，将能获得更好的测控效果。”平劲松展望道。（科技日报记者唐婷）