對話遠在天邊的“旅行者2號”無線電技術有絕招

據國外媒體報道，美國國家航空航天局（NASA）日前終於與好幾個月杳無音信的“旅行者2號”重新建立了通信。工作人員利用設在澳大利亞堪培拉的測控天線Deep Space Station 43（DSS-43）向“旅行者2號”發送了一系列指令。

這是自今年3月份以來，DSS-43首次向“旅行者2號”發送信息。隨後，NASA報告稱，“旅行者2號”回覆了一個“你好”，確認其已經收到消息，並順利執行了指令。

一般而言，科學家如何掌控飛向深空的探測器？宇宙中有哪些因素會對無線電信號造成干擾？未來是否還有其他測控方法？科技日報記者就此進行了相關採訪。

傳輸無線電信號實現測控

“在地面上掌控深空探測器的方法，與掌控地球高軌道衞星和地月空間探測器的基本技術方法是一樣的。”中國科學院國家天文台研究員平勁松介紹，一般採用可以跟蹤方向的拋物面雷達在約定的無線電頻段接收來自衞星或探測器發回的數據信息和應答信息，並向衞星或探測器發送帶有指令編碼的無線電信號。

在NASA各種深空探測任務中，科學家使用位於西班牙、美國加利福尼亞和澳大利亞的深空測控網，發射上行指令，接收下行通信應答信息，測量探測器的飛行軌跡、狀態等。

其中，位於澳大利亞的DSS-43測控天線建成於1972年，其直徑達76米，是全球深空測控網中最大的無線電天線之一，可以在S波段（頻段為2—4吉赫）下工作，與相匹配的遙遠深空探測器進行通信。

無線電有多個頻段，科學家通常使用其中的S、X、Ka頻段來構建深空探測器與地面的聯絡通道。由於地面雷達天線與探測器距離太遠，相互發送的信號在路途中損失太大，在到達時信號會變得非常弱。

平勁松表示，為了保障深空測控的連續性和通信質量，科學家想了許多辦法，如通常會大幅度增大雷達天線的發射功率，使用比地球衞星地面站面積大數千倍的拋物面天線聚焦輻射能量和接收信號，採用在極低温度環境中工作的接收機來提高靈敏度，使用超高穩定性的原子鐘獲得長時間相頻特性相當穩定的電磁波信號，實現與遙遠深空探測器的通信聯絡、測距測速測角，以及發射指令信號掌控探測器飛行狀態等。

無線電和激光通信各有所長

1977年升空的“旅行者2號”航行了43年，和地球之間的距離已超過180億千米。想要對如此遙遠的深空“使者”進行測控，目前只能藉助無線電通信手段。

平勁松介紹，深空探測實驗中用到的激光通信技術，其最遠作用距離約1億千米，而地面無線電通信的作用距離預計最遠可以達到230億—260億千米。如果採用類似500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的巨型裝置或平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）接收信號，使用新型大功率雷達，同時衞星探測器使用更強的放射性同位素温差電源，無線電通信作用距離或可達到1000億千米。

遠距離傳輸中，無線電信號一方面會自然衰減，同時還會受到大量存在於行星際空間的等離子體的干擾。這些等離子體介質會對無線電信號產生吸收、散射、扭曲旋轉、時間延遲等干擾效應。

“通常，相同功率的發射雷達在S波段的作用距離要比X波段遠得多、受行星際等離子體的影響比更低頻的L、UHF通信波段弱得多，因此，S波段幾乎是最理想的測控深空探測器的通信頻段。”平勁松介紹。

隨着技術的發展，X波段和Ka波段深空通信能力也在穩步提升。在有較大探測數據下行需求時，對於太陽、火星、小行星帶、木星、土星的探測而言，X波段輔助Ka波段的深空探測器對地通信測控模式逐漸流行起來。

和無線電通信相比，激光通信儘管傳輸距離有限，但其優勢在於通信容量帶寬高，能滿足對地通信的超大容量需求。同時，激光測距的精度更高。以測量地月距離為例，激光測距的精度為2—3釐米，微波測距精度則是20—30釐米，兩者間相差一個數量級。

“在未來月球表面探測活動中，採用激光和Ka波段無線電相結合的通信、測量、控制一體化模式，將能獲得更好的測控效果。”平勁松展望道。