答：如何與深空探測器保持聯絡？

空少問答

小課堂

第四十九期

9

月

4

日

周

一

如何與深空探測器保持聯絡？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：如何與深空探測器保持聯絡？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

答：對未知世界的探索一直以來都是人類發展的永恆動力，隨著人類在近地空間的活動不斷取得突破，向深空進發已經成為人類了解太陽系及宇宙的必然選擇。普遍理解的深空探測，是指對月球以及更遠的天體展開的空間探測活動。

深空探測不僅能夠加深我們對太陽系以及宇宙的演化及其形成的認識，同時還能催生出一些新技術和新學科，現在我們許多改變我們生活生產方式的新技術就來源於深空探測活動的強烈需求。

從1958年8月美國發射第一顆月球探測器至今，深空探測已經走過了快60個年頭。在這期間人類的深空探測活動基本實現了太陽系內各類天體的全覆蓋，如太陽、月球、七大行星及其衛星、小行星以及彗星等。在這個過程中人類取得了載人登月、小行星採樣返回，發現地外行星存在水以及第一顆飛越太陽系的人造衛星等諸多突破。

深空探測面臨的困難很多，其中之一就是如何與地球保持有效的溝通。深空探測器之所以能成為地球的使者就在於它能在人類的指揮下完成一系列既定科學任務，而不是漫步太空，這一切得以實現的前提就是保證信息能有效傳輸，那深空探測器是怎麼與地球進行聯絡的呢？

簡單來說就是靠一口「鍋」，這口「鍋」的專業名稱叫「高增益的拋物面天線」。拋物面天線就是用來接收和發信號的器件，它和我們普通見到的「一柱擎天」天線不一樣，它是一個具有焦點的拋物面，平行進入拋物面的光線、微波等電磁波都會匯聚在這個焦點上。增益的意思是把傳輸信號進行放大，這樣能使信號更容易被接收了。簡單來說，這個「鍋」最大的優點就是增益高，這種「鍋」在美國航空宇航局的深空探測器上及地面測控台站隨處可見。

「旅行者1號」上的「鍋」天線

深空探測網位於澳大利亞堪培拉的70米和40米天線

但是一口「鍋」並不能解決所有的問題，無線通信信號的衰減就與傳輸距離成對數正比關係，隨著探測器越往深空進發，距離地球越來越遠，對測控通信質量的要求也越來越高，同時信息傳遞的延時也會越來越嚴重。

如何解決這些問題呢？相信第一種方法你一定也想到了，就是將「鍋」的個頭做得再大一些，目前美國深空測控站最大口徑的天線已經達到了70米，但這個口徑也已經接近極限了，「鍋」不能再大了，那該怎麼辦呢？

美國深空探測網路DSN的最大的「鍋 」——直徑70m的拋物面天線，它可以和「旅行者」號進行聯絡。

聰明的人們想到了用多個小型天線組成天線陣的方法來提高增益，通過將一定間距的獨立天線接受到的信號進行組合，可以有效提升數據的傳輸效率。目前400個12米口徑天線組成的天線陣可以達到等效口徑為240米的效能，相當於當前70米大口徑天線通信能力的120倍。同時我們也可以通過提高通信頻率和增加發射功率來改善通信條件，目前美國70米口徑的深空測控站主要採用X頻段，34米口徑天線為Ka頻段，均可實現較高的傳輸速率和測控精度。

天線陣

在近地軌道上，延時幾乎不被察覺，如果前往火星，信息和指令的傳遞會出現半個小時的往返延時，我想宇航員那時的內心一定是崩潰的。針對信號延時的問題，目前比較流行的方法是依靠存儲轉發，但是對更遠的深空探測仍然需要找到更好的辦法，畢竟衛星自身的內存和人類的忍耐是有限的。

據外國媒體報道，美國航空宇航局就成功驗證了利用激光為載體將信號快速傳遞到探測器上的技術，高清視頻的傳輸速度可以達到50Mb/bit。此外，建立深空測控中繼站、構建行星際網路以及利用量子通信技術（人民竊喜！）都將是未來的深空測控的發展方向。

由於地球的自轉，地面每一個精心挑選的深空測控台站最多只能實現8小時的有效通信，為此必須建立深空探測網來實現全天候測控。這裡我們就不得不提，世界上最強大的深空通信系統——美國航空宇航局的深空探測網（DSN），它可以同時為幾十個空間探測項目提供全天候服務，它所服務追蹤過的探測器可以編寫一本人類航天探索史上的「名人」錄，從太陽系探測器「先驅者」號和「旅行者」號、金星探測器「水手」號、火星探測器「勇氣」號、木星探測器「伽利略」號和「朱諾」號、土星探測器「卡西尼—惠更斯」號以及各類行星探測器等，未來還將不斷創造歷史！

美國深空探測網

美國航空宇航局的深空探測網（DSN）在全球設有三個測控站，這三個測控站彼此經度間距達到120度，分別位於澳大利亞堪培拉、西班牙馬德里和美國加州的金石。這樣的布局也利用了衛星三點定位的原理，不用擔心地球的自轉，深空探測器總能處在一座測控站的監視範圍之內。深空探測網除了讓數探測器上傳或下載數據之外，還能夠起到導航的作用，讓探測器精確入軌或是軌道微調。

金石站34米天線正跟蹤著進入視野的航天器

相對近地任務，深空探測任務面對了距離遙遠、飛行時間長、數據傳輸效率有限以及空間環境複雜等一系列問題，但經過50多年的摸索和發展，深空探測已經很好地解決了部分問題並取得了一系列巨大的成功。隨著人類不斷挑戰新高度，必將面對更多的挑戰和困難，但對探索宇宙奧秘和保護地球家園的決心必將帶領我們走向星辰大海，開啟深空探測的新篇章。

@ 水蛇ฉันคิดถึง

用中繼衛星在大氣層外發射短波信號，或使用遠程微弱衰減的中微子或引力波，還可以使用量子糾纏效應。

@ 逐夢者

應該是用多基站與高頻定向發射，以美國國家航空航天局的DSN（Deep Space Network即深空網路）為例，其主題就是位於澳大利亞的無線電站，地球外溢電波消逝速度快，所以只要用一個特定的高頻信號就好了，但是在空間中信號容易受太陽風等影響，所以這還是要隨一點緣分的

@ ❄守護 ice-wing

以旅行者一號為例： 首先旅行者1號的放射性同位素電池使用的是半衰期長達89.6年的Pu－238，這會支持它在相當長的一段時間內繼續向地球發射信號。 具體發射過程大概是：信息調製到發射機上，通過旅行者號的高增益天線或中增益天線朝地球方向發射。 值得一提的是：旅行者1號的天線直徑是3.7米，與之對應的，地球上使用的是直徑更大的天線接收和發射信號，旅行者1號發射頻率在8GHz波段，這是一個干擾相對較小的波段，所以即便功率只有23瓦，地球上仍然可以接受得到信號，反倒發射信號更難點。 旅行者一號距離我們17光小時，地球與旅行者號來回進行信息傳輸至少有34個小時的延遲 為了與距離地球越遠的探測器通信，我們需要更大的天線陣，後來NASA和ESA做了70m天線陣的深空探測網路 ps：看著DSN上的波形一個個的消失，再一個個的新加入，有種丟了孩子的傷感

@ Typing...

靠衛星中繼

感謝大家的支持，我們下期再見！