火星探测器飞那么远,我们怎么跟它通讯?

光速约为30万千米/秒

这是电磁波的传播速度

也是人类目前能接触和掌握的最快速度

它仅需0.13秒就能绕地球一周

人类使用通讯设备时

甚至无法察觉到电磁波的微弱时延

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然而

这个速度

在地球和火星之间

就会显得“不够快”

截至2020年9月20日,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器已经连续在轨飞行60天,飞行路程约1.6亿公里,这个长度已超过1个天文单位(也就是地球和太阳之间的距离),如果按照光速飞行需要500多秒才能走完。而“天问一号”到火星后,地球和火星最远的距离可以到4亿千米,即便电磁波光速往返通讯都需要耗时超过45分钟,这足够光速围绕地球走完2万圈!

然而距离还带来了一个显而易见的挑战:随着距离增加,探测器通讯信号强度的衰减速度与距离的平方成正比,自身硬件噪声和宇宙背景噪声的干扰相较而言变得变强。此外,地球在自转,火星也在自转,它们巨大的体积都会遮挡住身后的信号,极大影响通讯。对于深空探测任务而言,也必须通过地面天线时刻保持对探测器的高精度跟踪导航与定位,否则就容易“失之毫厘,谬以千里”。

正如两个人聊天,如果距离过远(地球火星距离)、环境过于嘈杂(自身硬件和宇宙背景噪声)、还经常捂住耳朵(自转等因素干扰),聊天交流的质量可想而知。一旦丢失掉有效信息(无法跟踪捕获对方信息),就很难再恢复连续对话,只能“尴尬冷场”。地球与火星探测器之间交流通讯也存在这个问题。

那么问题来了

火星探测器越飞越远

地球上的我们如何跟它保持通讯?

为了解决这个问题,科学家和航天工程师们想出了一系列方案,实现高精度、全天候的地球和火星之间通讯。

大尺寸的深空通讯天线

人类发射深空探测器的难度极大,例如“天问一号”重量在5吨左右,但它需要重达870吨的长征五号发射。它又包括环绕器、着陆器和巡视器三大部分,携带了13项科研仪器。环绕器是其中核心,它携带了能量系统、推进系统、姿控系统、支撑结构和通讯系统等重要组成,其中就包括通讯天线。

然而,由于火箭整流罩内尺寸、探测器自身结构稳定性、能量供应能力(所有分系统都需要耗电)等限制,天线注定无法做到很大。为保证“天问一号”的天线能正常工作,就必须要求地面端补偿:一方面能尽可能发射大功率信号、抵达天问一号时能被天线捕获,另一方面也能接收到“天问一号”发射回地球的极其微弱信号。

能同时实现这些要求,就必须依靠巨大尺寸的天线,它是深空通讯的核心,尺寸/直径越大往往意味着更大的信号发射强度和接收灵敏度。对于“天问一号”而言,需要数个35-70米直径的天线为之服务。

新华网

例如,中科院国家天文台在天津武清站新建的的70米高性能接收天线(GRAS-4),是亚洲最大的单口径全可动天线,主要用来接收“天问一号”各种科学载荷数据。它的面积接近10个篮球场大小,总重超过2700吨!

全球无死角覆盖深空通讯网络

由于地球是球形且在不断旋转,每个地面天线能够覆盖的天域总是有限的,所以需要在全球范围内部署深空站才能保持全天时的与深空探测器通讯。理想情况下,三个间隔120度、均匀分布的深空站即可实现,例如NASA深空通讯网在金石(美国)、堪培拉(澳大利亚)和马德里(西班牙)部署。

董光亮等

中国的方案是佳木斯(国土最东部)、喀什(国土最西部)和萨帕拉(阿根廷西部)部署深空站,足以实现超过92%天域覆盖的有效通讯,其他站点也可以参与测控通讯和有效载荷科研数据接收等。此外,中国的深空通讯网也积极参与国际联网,利用庞大网络的甚长基线测量等方案高精度跟踪天问一号位置。中国目前是仅次于美国和欧洲的第三个拥有全球布站深空通讯网的国家。

信号传输和处理技术升级

硬件基础之外,另一决定性意义的是软件基础:如何将这些硬件的能力发挥到极致,甚至超出它们的设计效果?

随着深空探测器的功能越来越多、携带的有效载荷变得越发复杂,一个直观的体现就是需要发回地球的数据量急剧增加、信号强度却更加微弱,靠不断增加地面天线尺寸并不能从根本上解决问题。因而,需要研究多个天线组成大型阵列,通过复杂的数据协同融合分析技术,起到一个巨大尺寸天线的效果,提升整体接收性能。

以嫦娥任务为例,多天线接收信号融合后才会出现最理想的科研结果董光亮等

所有的天线硬件都会存在热噪声、误码率、相位时延和各种误差源等,有效减少这些影响也等同于提高硬件核心性能。在传统的信号波段S、C、X(2-12GHz)等之外,很多深空探测器的数据传输速率和量级需求也大幅提升,这要求使用Ku/K/Ka(12GHz+)甚至频率更高的波段信号,这往往意味着深空通讯网硬件和软件系统的全方位升级,也是深空探测领域长远发展必须要做的投入。

“天问一号”的背后是整个中国“天问”行星探测系列任务的庞大计划,中国的深空通讯网,也在时刻升级中。

现在,你该明白地球上的我们是如何和奔火“天问一号”保持通讯了吧!

来源:中国的航天

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