遥远的回声

在航空航天领域，通信可是非常非常重要的。如果你到北京密云水库或者上海佘山去旅游，可能会远远看到壮观的巨型抛物面天线在遥望天空，那是我国深空测控网络的地面站，担负着和遥远太空中的航天器保持联系，并且控制它们的重任。有了这些庞然大物，天上的飞船和空间站才不会成为断线的风筝。那么，我们是如何遥控航天器并且接受从太空传回的信息呢？

在讲述航天通信特别是深空通信前，要先讲清楚几个基础概念：

航天通信分上行链路和下行链路。上行，指地面上传信息到航天器，例如遥控指令；下行，则是航天器发送信息到地面，例如航天器自身状况的遥测数据、任务数据、广播信号等。

而通信的基本步骤，是把信息编码并调制到载体上，例如用中文写在纸上或者转换成无线电信号，然后通过信道发送出去，对方接收到后，解调、解码还原读取信息。在這个过程中，可能会受到各种干扰，影响信息的传输。

例如我们的地球有稠密的大气层，提供我们呼吸的空气并且保护我们免受辐射伤害。但大气层同时也会阻碍信号的传输，例如大气层中的水蒸气，会吸收部分频率的无线电，高空的电离层则又会反射某些频率的无线电。所以，要和太空通信，必须选择能有效穿透大气层的频率。

然后，生活中的无线电环境其实很嘈杂，从手机到路由器甚至微波炉都会发出无线电。宇宙中还有很多能发出无线电的天体和自然现象，例如宇宙背景辐射、太阳和行星磁场活动等，都会带来干扰，需要避开或者设法排除，就像在嘈杂的环境中和人说话一样。

再有就是航天器距离遥远，比你的手机和路由器、信号基站之间的距离要远得多，而且航天器信号发送功率也远小于手机基站，所以信号也自然弱得多，因此，需要用巨大的天线聚焦增强信号，也需要非常灵敏的接收器来检测。地球和航天器都在不停运动，这也会影响信号的传输——可能会因为航天器飞到地球背面而失联，或者是没互相对准而影响传输。这些原因限制了通信速度，同时也影响信号的稳定性，容易漏传或者出错，需要额外重复和复杂的编码与算法进行纠错和数据压缩来确保能够完成任务，还要能够精确测量航天器移动对信号的影响，从而了解航天器运动和轨道情况，这是非常复杂的高科技系统工程。

大众最熟悉的航天通信可能是卫星电视，卫星电视通常依靠直径1米左右的抛物面天线聚焦接收来自通信卫星的信号，这些通信卫星悬停在海拔35，786千米高的地球静止轨道，这最早是著名科幻作家阿瑟·克拉克提出的，于是又叫克拉克轨道。地面接收到的静止轨道卫星电视信号的能量，大约在纳瓦特级别，也就是十亿分之一瓦，这听起来非常微弱。实际上这和真正的深空通信相比，简直太清晰了。

因为深空航天器的距离比地球静止轨道远很多，光是月球就比静止轨道远11倍左右，信号强度则是按平方衰减，掉得很快，而且商业通信卫星的信号发送功率，通常是深空探测器的10倍以上。于是就需要直径几十米的巨型天线来满足聚焦增强信号的需求，它们既能聚焦增强航天器下行信号，也能像探照灯一样，让地面上行的信号定向发送，避免四散开来浪费掉，从而增强航天器接收到的地面信号强度。同样的，航天器通常也有抛物面天线执行类似功能，天线对信号的增强称作增益。抛物面反射天线，属于高增益天线，也因为定向性需要互相对准才行，为了避免失联，航天器还有全方向的低增益天线，以便在不佳条件下保持通信，不过带宽速度会低得多。有些航天器使用相控阵天线来扩大全方向通信速度，例如马斯克的“星链”通信卫星、“信使号”水星探测器等，但聚焦能力还是不如抛物面天线。由于天线越大，信号就越好、带宽速度就越高，而火箭整流罩空间有限，于是人们就发明了折叠式航天器天线。折叠式反射天线有很多类型，有的像伞一样打开，有的则是环形展开的桁架网，目前最大的航天折叠天线的直径能做到惊人的120～150米，应用于很多航天器例如通信卫星、气象卫星、侦察卫星等。但这也带来了额外的故障风险，“伽利略号”木星探测器，就出现了无法展开增益天线的故障，只能用低带宽的低增益天线发送科学数据。

那深空通信究竟有多难？美国航空航天局从信号强度、噪波干扰带来的信号损失等原因估算：相比地球静止轨道，月球要难一百倍、火星难五千六百万倍、木星难四亿倍。“伽利略号”从木星传回的信号，到地球通过70米天线聚焦后，也只有十万亿分之一瓦特！人类第一个冥王星探测器“新视野号”，信号发送功率为12.6瓦，在45天文单位也就是67亿千米外发回的信号，用地面70米直径抛物面天线接收的下行带宽为0.8kb，需要很长时间才能传完任务数据，可见深空通信的艰难。有人想，能不能通过太阳放大信号？很可惜，因为太阳本身不但会遮挡信号，还会散发出很多干扰，所以当太阳挡在地球和火星之间时，探测器会有十几天的失联时间。那到底怎样才能让深空通信速度更快呢？

首先，可以增强航天器的信号发送功率，例如使用核反应堆发电，并使用更强的信号发射器、更大的天线、更高信号频率，使得信号能量更高，波束也更细、发散更小。接收端也用更大的天线，更灵敏的接收器、更安静的环境，就能有效提升带宽。

另一种就是改用激光取代无线电微波信号，激光本身可用频率范围高，相当于路更宽，同时发散也小得多。能量高度定向集中，对带宽提升非常巨大，能轻松有10倍以上的提升。激光通信依靠光学望远镜而不是天线来收发信号，已经是未来太空通信的宠儿。我国的“墨子号”卫星就用激光通信发送量子加密信息。

航天通信还有很多有趣的知识和故事，未来航天通信科技的进步，能让我们更清晰、更详细地从远方探测器的窥视中，了解神奇的宇宙。