地球與月亮背面的天鏈

王瓊

衡量深空測(cè)控通信能力的三把標(biāo)尺

具體來說，測(cè)控通信包括跟蹤測(cè)量、遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。跟蹤測(cè)量是指觀測(cè)和計(jì)算航天器的移動(dòng)軌跡，遙測(cè)是指監(jiān)視航天器的狀態(tài)，遙控是指向航天器發(fā)送控制指令以達(dá)到想要的狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸是指在天地間傳遞語音、圖像、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)等各類信息。因此，測(cè)控通信能力通常體現(xiàn)在夠得著、看得全、測(cè)得準(zhǔn)三個(gè)方面。

位于智利阿卡塔馬沙漠的阿卡塔馬大型毫米波天線陣，由64臺(tái)口徑為12米的天線組成（圖片由美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)NRAO、聯(lián)合大學(xué)有限公司AUI和歐洲天文研究組織ESO提供）

?美國(guó)戈?duì)柕滤诡D70米深空測(cè)控天線（圖片由美國(guó)宇航局NASA提供）

夠得著

夠得著，即天地間通信要有足夠的信號(hào)強(qiáng)度。在宇宙這樣的自由空間中，無線電信號(hào)功率隨距離的平方成反比，損耗很大，這就使得到達(dá)深空探測(cè)器和地面的信號(hào)非常微弱。比如火星比地球同步軌道的路徑損耗增加81dB（分貝），也就是說如果其他條件相同的話，在地面上接收到來自火星的信號(hào)強(qiáng)度僅為地球同步軌道的8×10-9。

為了解決遠(yuǎn)距離通信問題，人們采取了很多技術(shù)措施。其中很重要的一種方法是加大天線的口徑，這相當(dāng)于我們用更大的喇叭來喊話，或者用更大的耳廓來捕捉微弱聲音。目前加大地面天線口徑尺寸已趨于極限，迄今為止最大的測(cè)控天線口徑是70米，重達(dá)3000噸，而這也帶來了機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂等一系列問題。因此，今后的主要突破方向，不再是繼續(xù)加大單個(gè)天線口徑，而是采用天線組陣技術(shù)，利用多個(gè)天線組成天線陣列，通過電磁波的疊加實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，達(dá)到更大的等效天線口徑，提高捕獲微弱信號(hào)的能力。這相當(dāng)于把多股風(fēng)箏線絞在一起，比起把一股線制作得很粗更加經(jīng)濟(jì)有效。

其他的方法還包括：提高通信信號(hào)頻率，比如對(duì)于相同的天線和發(fā)射功率，采用Ka頻段（26.5～40GHz）能夠獲得比X頻段（8～12GHz）多11.6dB（分貝）的信號(hào)增益，但也隨之帶來了受地球氣象條件影響大等缺點(diǎn);增加信號(hào)的發(fā)射功率，相當(dāng)于提高喊話聲音，需要攻克大功率發(fā)射器件等難題;提高信息接收的靈敏度，相當(dāng)于讓耳蝸更加靈敏，可以采用超導(dǎo)、低溫制冷等技術(shù)來降低系統(tǒng)噪聲;采用性能更優(yōu)的信道編碼，相當(dāng)于采用特殊的喊話方式，使得聲音能夠變得更響亮清晰，等等。

看得全

看得全，即測(cè)控通信支持要盡可能多地覆蓋航天器飛行的全過程，以提高航天器安全性和對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸量，主要通過測(cè)控站、船的布局來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于近地航天器來說，各航天大國(guó)都建立了功能齊備的近地航天測(cè)控網(wǎng)。此外，為進(jìn)一步提高測(cè)控覆蓋率，解決地面設(shè)站多、分布廣、投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，研究人員提出了跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS），利用高軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)功能，完成對(duì)中低地球軌道航天器的天基測(cè)控和高速信息傳輸。

對(duì)于深空探測(cè)器來說，影響測(cè)控覆蓋率的因素主要是由于地球自轉(zhuǎn)而使測(cè)控站不能連續(xù)觀測(cè)目標(biāo)，每個(gè)站僅能觀測(cè)8～10.5小時(shí)，為了增加觀測(cè)時(shí)間，需要進(jìn)行全球布站，最佳方案是在經(jīng)度相隔120°的位置上布設(shè)三個(gè)深空站。目前已建成全球性深空測(cè)控網(wǎng)的國(guó)家或組織主要有美國(guó)、俄羅斯、歐空局和中國(guó)。其中美國(guó)深空網(wǎng)堪稱目前世界上最大、最靈敏的深空網(wǎng)，包括西班牙馬德里、澳大利亞堪培拉、美國(guó)加州戈?duì)柕滤诡D三個(gè)深空站，每個(gè)站都包括1個(gè)70米天線、數(shù)個(gè)34米天線、1個(gè)26米天線等，在地理位置布局上也具有優(yōu)勢(shì)。俄羅斯深空網(wǎng)包括熊湖（64米、32米）、葉夫帕托里亞（70米、32米）、烏蘇里斯克（70米、32米、25米）三座深空站。歐空局深空網(wǎng)包括澳大利亞新諾舍（35米）、西班牙塞布萊羅斯（35米）和阿根廷馬拉圭（35米）三座深空站。中國(guó)也已建成包括佳木斯深空站（66米）、喀什深空站（35米）和南美阿根廷深空站（35米）在內(nèi)的深空測(cè)控網(wǎng)，具備了行星際測(cè)控能力。

為了進(jìn)一步提高測(cè)控覆蓋率，還可以通過國(guó)際合作，將其他國(guó)家的測(cè)控站納為己用。比如印度的曼加里安火星探測(cè)任務(wù)就使用了美國(guó)深空網(wǎng)和南非測(cè)控站協(xié)助其完成任務(wù)，中國(guó)的嫦娥三號(hào)任務(wù)也與歐空局的塞布萊羅斯站和新諾舍站開展了合作。

測(cè)得準(zhǔn)

測(cè)得準(zhǔn)，即對(duì)飛行器的位置、速度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，精度符合任務(wù)要求。深空探測(cè)器每一次軌道機(jī)動(dòng)的效果都和測(cè)量精度有關(guān)，測(cè)量精度直接影響了變軌精度、著陸精度、對(duì)接精度，甚至影響任務(wù)成敗。例如在俄歐合作的ExoMars 2016火星探測(cè)任務(wù)中，斯基亞帕雷利號(hào)著陸器在降落火星表面的過程中，由于導(dǎo)航高度計(jì)算錯(cuò)誤而直接墜毀。為了解決精確測(cè)定軌和定位問題，工程上采取了許多技術(shù)手段，比如采用高穩(wěn)定氫鐘來提高時(shí)間基準(zhǔn)，采用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）、delta差分單向測(cè)距（ΔDOR）技術(shù)進(jìn)行高精度的角位置測(cè)量，采用再生偽碼測(cè)距技術(shù)提高測(cè)距信號(hào)強(qiáng)度和測(cè)距精度，采用同波束干涉（SBI）技術(shù)來確定兩個(gè)鄰近探測(cè)器的相對(duì)位置，等等。按照目前的測(cè)控技術(shù)，對(duì)于4億千米遠(yuǎn)的火星探測(cè)器，美國(guó)深空網(wǎng)的測(cè)角精度達(dá)到2nrad（納弧度），測(cè)距誤差不到1千米，相當(dāng)于在位于400千米軌道的空間站上去分辨地面物體遠(yuǎn)近，誤差僅有1毫米。

中繼衛(wèi)星助力嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)人類月球背面軟著陸

2018年年底中國(guó)將發(fā)射嫦娥四號(hào)探測(cè)器，開展人類歷史上首次月球背面軟著陸探測(cè)和巡視勘察。而在此之前，中國(guó)將先行發(fā)射中繼衛(wèi)星，提前在地月L2點(diǎn)為探測(cè)器提供中繼。那么，探索月球背面究竟有什么特別之處？為什么需要專門發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星呢？

這要從地月相對(duì)位置關(guān)系說起。由于月球的自轉(zhuǎn)周期恰好等于其公轉(zhuǎn)周期，都是27.32天，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，因此月球有一面永遠(yuǎn)朝向地球，而另一面總是背向地球，被稱作月球背面。

由于月球本身的遮擋作用，月球背面屏蔽了人類活動(dòng)產(chǎn)生的無線電干擾，以及地球閃電極光帶來的無線電發(fā)射，因此被認(rèn)為是開展低頻射電天文觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)。利用月球背面獨(dú)特的無線電環(huán)境，開展100kHz～10MHz頻段的射電天文觀測(cè)，有望在宇宙大爆炸黑暗時(shí)代研究領(lǐng)域取得突破性成果。為此，各國(guó)航天科研機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)問題，提出了許多探測(cè)任務(wù)，如美國(guó)的黑暗時(shí)代射電探索者（DARE）任務(wù)，黑暗時(shí)代月球干涉儀（DALI）任務(wù)，中歐聯(lián)合的利用長(zhǎng)波頻段探索天空（DSL）任務(wù)，歐空局的FARSIDE任務(wù)，等等。由于各種原因，這些任務(wù)都還停留在設(shè)想層面，而中國(guó)嫦娥四號(hào)任務(wù)將率先實(shí)施，利用月球背面這一極為特殊的位置資源，開展包括低頻射電天文觀測(cè)在內(nèi)的近距離現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)探測(cè)。

但任何事物都有其兩面性。與此同時(shí)，月球背面也屏蔽了來自地球的通信信號(hào)，因此位于月球背面的探測(cè)器無法直接同地球進(jìn)行通信，必須通過中繼衛(wèi)星，將地面控制指令和數(shù)據(jù)發(fā)送給探測(cè)器，遠(yuǎn)程控制其完成各種科學(xué)探測(cè)，并把科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)和探測(cè)器自身狀態(tài)數(shù)據(jù)傳回地面。

但是，放置中繼星的位置是有講究的，既要能使中繼星提供盡可能長(zhǎng)時(shí)段的中繼服務(wù)（少出現(xiàn)通信中斷），又要有利于維持中繼星長(zhǎng)期運(yùn)行。因此，對(duì)于月球背面探測(cè)任務(wù)來說，地月拉格朗日2點(diǎn)（L2點(diǎn)）軌道就是這樣一個(gè)理想的中繼地點(diǎn)。首先，此處地球和月球的引力之和，可以使得中繼星與月球同步繞地球運(yùn)行，能夠連續(xù)對(duì)地球和月球背面同時(shí)可見，從而提供全時(shí)段中繼服務(wù);其次，此處光照條件好，中繼星很少被地球或月球遮擋;最后，此處受地月的引力影響較小，長(zhǎng)期運(yùn)行所需的軌道維持推進(jìn)劑量較少。這樣一來，就相當(dāng)于把一座地面測(cè)控站搬到了地月L2點(diǎn)軌道上。

既然中繼衛(wèi)星這么有用，而且在地球軌道上也已經(jīng)建成了跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，那么在深空中能不能也建立類似的系統(tǒng)呢？答案是Yes！科研工作者們正在研究深空激光通信、火星網(wǎng)乃至行星際Internet等前沿技術(shù)，不斷提高深空通信帶寬，來滿足未來深空探測(cè)中通信和導(dǎo)航的需要。假以時(shí)日，我們或許能夠在家中同登陸火星的航天員們用微信暢聊呢！

?地月L2點(diǎn)軌道中繼星與地球、月球的相對(duì)位置關(guān)系示意圖

延伸閱讀：拉格朗日點(diǎn)

拉格朗日點(diǎn)又稱平動(dòng)點(diǎn)，是指在受兩大天體引力作用下，使小物體能夠維持其相對(duì)位置靜止的點(diǎn)。在每個(gè)由兩大天體構(gòu)成的系統(tǒng)中，都存在5個(gè)拉格朗日點(diǎn)。其中，L2點(diǎn)位于兩個(gè)大天體的連線上，且在較小的天體一側(cè)。

（責(zé)任編輯/岳萌）