“旅行者1号”有惊无险，深空通信如何不断联？

来源：中国航天报

1977年9月5日，“旅行者1号”发射。从此，它和地面控制中心一直保持着通信，时刻展示人类未曾涉足的深空。但在2023年11月，人类和“旅行者1号”断联了。准确地说，“旅行者1号”还在向地球传输信号，可惜信号成了无意义的乱码。直到今年4月底，地面团队和“旅行者1号”艰难地重新建立联系。随着人类一步步探索更遥远的太空，一个很重要的问题逐渐浮现：深空通信如何不断联？

与深空探测器联系有多难？

1965年，科研人员发现，木星、土星、天王星、海王星将在20世纪70年代末80年代初与地球连成一条弧线。据测算，这条弧线每隔176年出现一次，届时航天器飞过这条弧线上的每颗行星，都能借助行星引力加速。如果能够将飞行时间误差控制在数十分钟以内，多次引力加速就可以把探测器从地球飞抵海王星的时间从30年缩短至12年。

为了抓住这个百年难遇的机会，1977年美国宇航局在15天内相继发射了两个“姊妹”航天器——“旅行者2号”和“旅行者1号”。

旅行者1号探测器遨游深空效果图

2024年，经过近47年飞行后，“旅行者1号”距离地球约243亿公里，超过日地距离160倍。相隔如此遥远，地面团队接收到“旅行者1号”的无线电信号，至少需要等待22.5小时，再经过至少同样的时间后，“旅行者1号”才能通过深空网络接收到地球信号。而且，考虑到“旅行者1号”每天都会飞行3～4光秒（每光秒接近30万公里）的距离，所以地球和“旅行者1号”通信需要等待的时间会不断延长。

随着“旅行者1号”离地球越来越远，地面与其保持有效的联系将会越来越难。一方面，“旅行者1号”的信号传输与接收主要依赖无线电波，而无线电信号的强度与距离的平方成反比。随着距离越来越远，无线电信号越来越弱，那么收发设备自身和宇宙背景产生的噪声干扰就会越来越明显。另一方面，近半个世纪以来，地球上广播、电视、手机等无线电信号干扰日益严重，地面团队将越来越难以完整地接收到“旅行者1号”的信息。

那么，怎样保障深空通信稳定呢？这需要航天器与地面团队同心协力。

深空探测器需要“好嗓门”

首要因素就是能源供应。

想要让地球“听”得清楚，深空探测器的“嗓门”就要大，也就是信号强度必须“给力”，那么需要的能量就不可低估。可以说，深空通信想要保持稳定联系，首先要保证探测器有充足的能源供应。

“旅行者1号”离太阳太远，基本上无法利用太阳能，于是用上了原子能——放射性同位素温差热电池。这是一种利用钚-238放射性衰变所产生的热能直接供应直流电的装置。因为同位素衰变释放的能量大小、释放速度均与外界环境无关，确保“旅行者1号”长期有充足的“体力”向地球“喊话”。

“核电池”支持深空探测器长期开展工作

“旅行者1号”和“旅行者2号”均使用3块钚同位素电池作为能源。任务之初，“核电池”的初始输出约为470瓦，随着时间推移，功率以大约6.4瓦/年的速度慢慢下降，而且热电偶等装置性能也逐渐退化，供能效果逐渐不佳。此前，美国宇航局已关闭了“旅行者1号”的不少子系统、加热器和科学仪器等，希望能够将它的工作寿命延长到2027年，也就是其发射50周年。届时，“旅行者1号”仍会继续前行，只是不能再向地球发送数据了。

其次是特制的高增益天线。

“旅行者1号”的电源功率不大，导致消耗也必须“精打细算”。比如，它配备的无线电信号发射器功率只有22.4瓦，小于日常使用的某些手机充电器。为了确保总功率不大的无线电信号尽量朝向地球传播，探测器上安装了卡塞格伦天线。这是一种用于微波通信的双反射面天线，具备结构简单、设计灵活、波束窄、增益高、噪声低等优势，被广泛应用于卫星通信。

“旅行者1号”的抛物面主天线直径为3.66米，包括X波段的卡塞格伦天线和S波段的正馈抛物面天线。在副反射面上，又安装了一个S波段的低增益天线。

依靠高增益天线，“旅行者1号”的信号在S波段、X波段波束宽度分别聚拢为0.5度、2.3度，大大提高了向地球发送的信号强度。其中，S波段信号主要用于发送遥测数据，X波段信号则用于传输高分辨率图像和科学数据。

然后是精确姿态控制。

“旅行者1号”为了提高信号发射的天线增益，将无线电波束控制得很窄，为了将高增益天线对准地球，必须对探测器的姿态进行精确控制，否则，很容易“失之毫厘，谬以千里”，导致探测器与地面站断联。

2023年7月21日，美国宇航局向“旅行者2号”发送指令时出现错误，导致其天线从地球方向偏离了2度，地面团队和探测器瞬间断联。直到8月4日，探测器根据新的指令校准天线后，终于与地面团队恢复通信。

最后涉及到通信信号本身。

设计之初，“旅行者1号”使用的X波段和S波段上几乎没有干扰，人为产生的无线电噪声小，从而提高了信噪比，有利于保持天地无线电通信。但是，“旅行者1号”距离地球实在太远，太空中存在许多复杂而未知的高能辐射，无线电信号仍会受到干扰。根据香农公式，通信实际上能够实现的可靠速率取决于信号与背景噪声的比值。这就意味着，传输距离越远，可实现的传输速率就越低。

旅行者系列探测器信号受深空复杂因素干扰

1994年，当“旅行者1号”距离地球约60亿公里时，通信速率为7.2千比特/秒。今年初，“旅行者1号”与地球的通信速率只能达到160比特/秒，比20世纪90年代拨号上网的速度还慢。

为了减轻数据传输的压力，在相同的传输能力下，将更多数据传回地球，深空探测领域用上了数据压缩技术。为了尽量保存原始图像和科学数据，深空通信一般采用无损压缩，压缩率偏低，约为3∶1。未压缩的“旅行者1号”图像为800×800像素，每像素8比特灰度。其实，典型的行星或卫星图像中包含大量黑色，属于无效信息，通过计算相邻像素灰度级别之间的差别，图像数据压缩能够将一幅典型行星图像的数据量减少60%。

受限于信号微弱、干扰等原因，地球站接收到的数据很可能出错。如果每次发现错误后都重新传输，在通信延时越来越大的情况下，必然耗时耗力。因此，深空探测器采用了纠错编码技术，通过对接收到的信号进行数学校验，就可以检查到出错的数据。随着计算处理能力提高，新的深空探测器也在逐步采用性能更加优异的信道编码。

地面需要“好耳朵”

为了实现可靠的深空通信，当然不能只靠探测器一端“使劲”，地面站也需要“发力”，两者通力合作，天地通信链路才能打通。

一方面，有必要构建覆盖全球的深空测控网。

由于地球自转会遮挡信号，极大影响通信效果，只有在全球部署一定数量的深空通讯设施，才能保证地面团队与深空探测器不断联。

“旅行者1号”与地球之间的通信是通过美国宇航局的深空探测网实现的。这是目前世界上能力最强、规模最大的深空测控通信系统，每组设施包含1部直径达70米的主天线、4~7部直径34米的副天线以及1部直径26米和1部直径11米的中小口径天线，能够与航天器进行不间断的通信。

美国宇航局深空网系统始建于1958年，经过3年时间，建成了加州金石、澳大利亚伍墨拉和南非约翰内斯堡共3个深空站系统，1963年正式命名为深空网。1965年，美国宇航局在西班牙马德里和澳大利亚堪培拉新建了两个深空站。1974年，美国宇航局关闭了伍墨拉和约翰内斯堡两处设施后，形成了目前的三站格局。这些站点由位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室负责控制、维护与管理。

深空站配备的大口径天线

另一方面，需要配置功能强大的地面设备。

专门用于深空航天器测控和数据传输的地面设施一般配有大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度接收系统、信号处理系统以及高精度高稳定度的时间频率系统，能对距离地球至少数百万公里的深空航天器进行测控。

在深空通信地面设备中，最引人注目的是硕大的天线。用于和“旅行者1号”通信的是直径70米的全可动抛物面高增益反射天线，面板表面达到亚毫米级精度。该天线还引入了全息对齐技术，用来准确聚焦X频段射频信号。据统计，70米口径天线面积达到3850平方米，相当于10个篮球场，总重达2500多吨，增益达到2000多万倍的数量级。

经过直径70米天线聚焦放大后，“旅行者1号”的信号强度只有通常手机可接收的最弱信号的十万分之一。为了接收如此微弱的信号，需要将天线的接收组件冷却到接近绝对零度，利用超导效应，实现超高灵敏度、极低噪音。随后，设备再对接收到的信号进行放大，还原出原始信号。

除了接收信号必须“卯足劲”外，向深空探测器发信号也要“竭尽全力”。以美国宇航局位于澳大利亚堪培拉通信站的70米直径天线为例，为了“照顾”“旅行者1号”的信号接收装置，地面站“下足血本”，S波段发射输出功率达到400千瓦。尽管如此，地面以2.1GHz的频率向“旅行者1号”发送的指令速率也仅能达到16比特/秒，可见深空通信是一件多么高难度的事。