深空通信：讓“星際呼喚”成現實

周思同

當地時間2023 年8 月4 日，美國國家航空和航天局（NASA）在其網站上宣布，其終于與距離地球約200億千米的旅行者2 號空間探測器恢復了通信。此前，由于地面控制人員發出錯誤指令，旅行者2 號指向地球天線的方向偏離了2°，導致其無法正常與地球進行通信。

天線位置僅僅2°的偏差，為何就會導致旅行者2號與地球失聯？

天線偏差1.3°就會失聯

要解釋此次旅行者2號失聯的原因，首先要了解深空探測器與地球的聯絡方式。

“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制信息與地面進行通信的?！敝袊茖W院國家天文臺、中國科學院大學研究員平勁松表示。

無線電載波是電磁波的一種。1865年，英國著名物理學家詹姆斯·麥克斯韋從理論上證明了電場和磁場能相互轉換，且電場與磁場的相互作用能產生電磁波。在此基礎上，德國物理學家海因里?！ず掌澯脤嶒炞C明了電磁波的存在，并發現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射出去?？茖W家將這一現象背后的原理和無線電雷達技術相結合，發展出無線電通信、深空測控和雷達探測等一系列技術。

平勁松介紹，旅行者2號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，這使它能在數百億千米外利用電磁波中的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200億千米這個距離上，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°。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°，這已經遠超1.3°的限制，導致了旅行者2號的失聯。

通過大功率全向通信重建聯系

然而，就在當地時間2023年8月1日，NASA 的國際天線網絡——深空網絡監測到了來自旅行者2號的微弱載波信號，這是探測器發出的“我仍在正常運行”的基礎通信信號。2023年8月4日，為確保衛星端可以截獲上行載波并解碼遙控指令，NASA使用深空網絡中功率最高的發射器向旅行者2號發送了“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。經接收信息、解碼確認等環節，地面與失聯近兩周的旅行者2號重新建立了聯系。

“這種‘星際呼喚’本質上是一種全向的通信方式?！敝袊茖W院上海天文臺副研究員簡念川介紹道，在全向通信模式下，衛星和地面的關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，因此無論衛星處于什么狀態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星進行聯系。

數據傳輸新技術不斷涌現

旅行者2號的失聯，揭示了無線電通信技術的固有弊端。如今，無線電通信技術正不斷升級，更穩定、更高效的數據傳輸方式不斷涌現。

簡念川介紹，在早期，大部分探測器都和旅行者2號一樣，是利用電磁波中的S 波段或X 波段與地球通信的；現在，技術的進步讓人們有了更多選擇。比如，目前科學家正著手研究使用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，是無線電通信技術升級的一個重要方向。

除了無線電通信技術方面的突破，諸如激光通信和量子通信等其他深空通信技術也在不斷開發中。

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，數據傳輸速度也更快。目前，美國工程師已經借助月球探測器，成功實現了地月之間的激光通信。未來，這種技術有望運用在1個天文單位距離的通信上。

此外，激光通信技術還可以與無線電技術進行一體化運用。2010年前后，美國深空網絡的工程師就已經對該技術的設計和研發進行了初步測試。

除了這些傳統的通信方式，量子通信是另一個較為特殊的發展方向。簡念川介紹，量子通信的優勢在于保密性較強，第三方無法截獲和解密通信內容。我國發射全球首顆量子科學實驗衛星墨子號，便是為了進行量子通信方面的實驗。2022年，我國科研人員利用墨子號實現了地球上相距1200千米的兩個地面站之間的量子態遠程傳輸。

我國已建立自主網絡

墨子號取得的成果，只是我國深空通信技術進步的一個縮影。自2003年神舟五號發射升空至今，我國的深空通信領域已走過了20年，在無數科研人員的努力下，該領域理論研究愈加深入、技術手段不斷進步。如今，我國已在該領域的多個技術層面取得突破。

在無線電通信層面，我國已將統一S 波段測控通信、統一X 波段測控通信等技術運用到與祝融號火星車、玉兔二號月球車、綜合性太陽探測衛星夸父一號等探測器的通信中。與此同時，我國目前也已經實現了與墨子號等衛星的激光通信。

“當前，我國已經自主建成深空通信網絡，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系。近年來，我國已經開展了許多深空探測方面的任務。相信在不久的將來，隨著深空站的完善和深空通信技術的發展，我國的深空探測事業將會更上一層樓?！焙喣畲ㄕf。