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深空通信:數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)涌現(xiàn) 讓“星際呼喚”成現(xiàn)實

發(fā)布時間:2023-08-15 16:35:00來源: 科技日報

  深空通信:讓“星際呼喚”成現(xiàn)實

  當?shù)貢r間8月4日,美國國家航空航天局(NASA)在網(wǎng)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(fù)了通信。此前,由于地面控制人員發(fā)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(dǎo)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(dǎo)致“旅行者2號”與地球失聯(lián)?“旅行者2號”又是如何與地球恢復(fù)通信的?哪些技術(shù)可實現(xiàn)地球與深空探測器間通信?我國深空通信技術(shù)取得了哪些進展?帶著這些問題,記者采訪了相關(guān)專家。

  天線偏差1.3度就會失聯(lián)

  要解釋此次“旅行者2號”失聯(lián)的原因,首先要了解深空探測器與地球的聯(lián)絡(luò)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(diào)制信息與地面進行通信的?!敝袊茖W(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院大學(xué)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(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相互轉(zhuǎn)換,且電場與磁場的相互作用能產(chǎn)生電磁波。在此基礎(chǔ)上,德國物理學(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)現(xiàn)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(chǎn)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(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)展出無線電通信、深空測控和雷達探測等一系列技術(shù)。

  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(shù)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(fā)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(jīng)遠超1.3度的限制,導(dǎo)致了“旅行者2號”的失聯(lián)。

  通過大功率全向通信重建聯(lián)系

  然而,就在當?shù)貢r間8月1日,NASA的國際天線網(wǎng)絡(luò)——“深空網(wǎng)絡(luò)”監(jiān)測到了來自“旅行者2號”的微弱載波信號,這是探測器發(fā)出的“我仍在正常運行”的基礎(chǔ)通信信號。2023年8月4日,為確保衛(wèi)星端可以截獲上行載波并解碼遙控指令,NASA使用“深空網(wǎng)絡(luò)”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),地面與失聯(lián)近兩周的“旅行者2號”重新建立了聯(lián)系。

  “這種‘星際呼喚’本質(zhì)上是一種全向的通信方式。”中國科學(xué)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(wèi)星和地面的關(guān)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(wèi)星處于什么狀態(tài)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(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”的失聯(lián),揭示出了無線電通信技術(shù)的固有弊端。如今,無線電通信技術(shù)正不斷升級,更穩(wěn)定、更高效的數(shù)據(jù)傳輸方式不斷涌現(xiàn)。

  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(xiàn)在,技術(shù)的進步讓人們有了更多選擇。比如,目前科學(xué)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(shù)升級的一個重要方向。

  除了無線電通信技術(shù)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(shù)也在不斷開發(fā)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(shù)據(jù)傳輸速度也更快。平勁松告訴記者,目前,美國工程師已經(jīng)借助月球探測器,成功實現(xiàn)了地月之間的激光通信。未來,這種技術(shù)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(shù)還可以與無線電技術(shù)進行一體化運用。2010年前后,美國“深空網(wǎng)絡(luò)”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。

  除了這些傳統(tǒng)的通信方式,量子通信是另一個較為特殊的發(fā)展方向。簡念川介紹,量子通信的優(yōu)勢在于保密性較強,第三方無法截獲和解密通信內(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信方面的實驗。去年,我國科研人員利用“墨子號”實現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態(tài)遠程傳輸。

  我國已建立自主網(wǎng)絡(luò)

  “墨子號”取得的成果,只是我國深空通信技術(shù)進步的一個縮影。自2003年神舟五號發(fā)射升空,我國深空通信領(lǐng)域已走過了20年。在無數(shù)科研人員的努力下,該領(lǐng)域理論研究愈加深入、技術(shù)手段不斷進步,如今,我國已在多個技術(shù)層面取得突破。

  在無線電通信層面,我國已將統(tǒng)一S波段測控通信、統(tǒng)一X波段測控通信等技術(shù)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(wèi)星“夸父一號”等探測器的通信中。與此同時,我國目前也已經(jīng)實現(xiàn)了與“墨子號”等衛(wèi)星的激光通信。

  “當前,我國已經(jīng)自主建成深空通信網(wǎng)絡(luò),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(lián)系。近年來,我國已經(jīng)開展了許多深空探測方面的任務(wù)。相信在不久的將來,隨著深空站的完善和深空通信技術(shù)的發(fā)展,我國的深空探測事業(yè)將會更上一層樓?!焙喣畲ㄕf?!?科技日報記者 周思同)

(責編:陳濛濛)

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