地球与月亮背面的天链_品牌_

我国成功发射天链一号03星

王琼

衡量深空测控通信能力的三把标尺

具体来说，测控通信包括跟踪测量、遥测、遥控、数据传输等业务。跟踪测量是指观测和计算航天器的移动轨迹，遥测是指监视航天器的状态，遥控是指向航天器发送控制指令以达到想要的状态，数据传输是指在天地间传递语音、图像、科学探测数据等各类信息。因此，测控通信能力通常体现在够得着、看得全、测得准三个方面。

位于智利阿卡塔马沙漠的阿卡塔马大型毫米波天线阵，由64台口径为12米的天线组成（图片由美国国家射电天文台NRAO、联合大学有限公司AUI和欧洲天文研究组织ESO提供）

美國戈尔德斯顿70米深空测控天线（图片由美国宇航局NASA提供）

够得着

够得着，即天地间通信要有足够的信号强度。在宇宙这样的自由空间中，无线电信号功率随距离的平方成反比，损耗很大，这就使得到达深空探测器和地面的信号非常微弱。比如火星比地球同步轨道的路径损耗增加81dB（分贝），也就是说如果其他条件相同的话，在地面上接收到来自火星的信号强度仅为地球同步轨道的8×10-9。

为了解决远距离通信问题，人们采取了很多技术措施。其中很重要的一种方法是加大天线的口径，这相当于我们用更大的喇叭来喊话，或者用更大的耳廓来捕捉微弱声音。目前加大地面天线口径尺寸已趋于极限，迄今为止最大的测控天线口径是70米，重达3000吨，而这也带来了机械结构复杂、造价高昂等一系列问题。因此，今后的主要突破方向，不再是继续加大单个天线口径，而是采用天线组阵技术，利用多个天线组成天线阵列，通过电磁波的叠加实现信号增强，达到更大的等效天线口径，提高捕获微弱信号的能力。这相当于把多股风筝线绞在一起，比起把一股线制作得很粗更加经济有效。

其他的方法还包括：提高通信信号频率，比如对于相同的天线和发射功率，采用Ka频段（26.5～40GHz）能够获得比X频段（8～12GHz）多11.6dB（分贝）的信号增益，但也随之带来了受地球气象条件影响大等缺点;增加信号的发射功率，相当于提高喊话声音，需要攻克大功率发射器件等难题;提高信息接收的灵敏度，相当于让耳蜗更加灵敏，可以采用超导、低温制冷等技术来降低系统噪声;采用性能更优的信道编码，相当于采用特殊的喊话方式，使得声音能够变得更响亮清晰，等等。

看得全

看得全，即测控通信支持要尽可能多地覆盖航天器飞行的全过程，以提高航天器安全性和对地数据传输量，主要通过测控站、船的布局来实现。

对于近地航天器来说，各航天大国都建立了功能齐备的近地航天测控网。此外，为进一步提高测控覆盖率，解决地面设站多、分布广、投资和运行维护费用高等缺点，研究人员提出了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS），利用高轨道卫星转发功能，完成对中低地球轨道航天器的天基测控和高速信息传输。

对于深空探测器来说，影响测控覆盖率的因素主要是由于地球自转而使测控站不能连续观测目标，每个站仅能观测8～10.5小时，为了增加观测时间，需要进行全球布站，最佳方案是在经度相隔120°的位置上布设三个深空站。目前已建成全球性深空测控网的国家或组织主要有美国、俄罗斯、欧空局和中国。其中美国深空网堪称目前世界上最大、最灵敏的深空网，包括西班牙马德里、澳大利亚堪培拉、美国加州戈尔德斯顿三个深空站，每个站都包括1个70米天线、数个34米天线、1个26米天线等，在地理位置布局上也具有优势。俄罗斯深空网包括熊湖（64米、32米）、叶夫帕托里亚（70米、32米）、乌苏里斯克（70米、32米、25米）三座深空站。欧空局深空网包括澳大利亚新诺舍（35米）、西班牙塞布莱罗斯（35米）和阿根廷马拉圭（35米）三座深空站。中国也已建成包括佳木斯深空站（66米）、喀什深空站（35米）和南美阿根廷深空站（35米）在内的深空测控网，具备了行星际测控能力。

为了进一步提高测控覆盖率，还可以通过国际合作，将其他国家的测控站纳为己用。比如印度的曼加里安火星探测任务就使用了美国深空网和南非测控站协助其完成任务，中国的嫦娥三号任务也与欧空局的塞布莱罗斯站和新诺舍站开展了合作。

测得准

测得准，即对飞行器的位置、速度进行准确测量，精度符合任务要求。深空探测器每一次轨道机动的效果都和测量精度有关，测量精度直接影响了变轨精度、着陆精度、对接精度，甚至影响任务成败。例如在俄欧合作的ExoMars 2016火星探测任务中，斯基亚帕雷利号着陆器在降落火星表面的过程中，由于导航高度计算错误而直接坠毁。为了解决精确测定轨和定位问题，工程上采取了许多技术手段，比如采用高稳定氢钟来提高时间基准，采用甚长基线干涉测量（VLBI）、delta差分单向测距（ΔDOR）技术进行高精度的角位置测量，采用再生伪码测距技术提高测距信号强度和测距精度，采用同波束干涉（SBI）技术来确定两个邻近探测器的相对位置，等等。按照目前的测控技术，对于4亿千米远的火星探测器，美国深空网的测角精度达到2nrad（纳弧度），测距误差不到1千米，相当于在位于400千米轨道的空间站上去分辨地面物体远近，误差仅有1毫米。

中继卫星助力嫦娥四号实现人类月球背面软着陆

2018年年底中国将发射嫦娥四号探测器，开展人类历史上首次月球背面软着陆探测和巡视勘察。而在此之前，中國将先行发射中继卫星，提前在地月L2点为探测器提供中继。那么，探索月球背面究竟有什么特别之处？为什么需要专门发射一颗中继卫星呢？

这要从地月相对位置关系说起。由于月球的自转周期恰好等于其公转周期，都是27.32天，且转动方向相同，因此月球有一面永远朝向地球，而另一面总是背向地球，被称作月球背面。

由于月球本身的遮挡作用，月球背面屏蔽了人类活动产生的无线电干扰，以及地球闪电极光带来的无线电发射，因此被认为是开展低频射电天文观测的绝佳地点。利用月球背面独特的无线电环境，开展100kHz～10MHz频段的射电天文观测，有望在宇宙大爆炸黑暗时代研究领域取得突破性成果。为此，各国航天科研机构瞄准这一重大科学问题，提出了许多探测任务，如美国的黑暗时代射电探索者（DARE）任务，黑暗时代月球干涉仪（DALI）任务，中欧联合的利用长波频段探索天空（DSL）任务，欧空局的FARSIDE任务，等等。由于各种原因，这些任务都还停留在设想层面，而中国嫦娥四号任务将率先实施，利用月球背面这一极为特殊的位置资源，开展包括低频射电天文观测在内的近距离现场科学探测。

但任何事物都有其两面性。与此同时，月球背面也屏蔽了来自地球的通信信号，因此位于月球背面的探测器无法直接同地球进行通信，必须通过中继卫星，将地面控制指令和数据发送给探测器，远程控制其完成各种科学探测，并把科学探测数据和探测器自身状态数据传回地面。

但是，放置中继星的位置是有讲究的，既要能使中继星提供尽可能长时段的中继服务（少出现通信中断），又要有利于维持中继星长期运行。因此，对于月球背面探测任务来说，地月拉格朗日2点（L2点）轨道就是这样一个理想的中继地点。首先，此处地球和月球的引力之和，可以使得中继星与月球同步绕地球运行，能够连续对地球和月球背面同时可见，从而提供全时段中继服务;其次，此处光照条件好，中继星很少被地球或月球遮挡;最后，此处受地月的引力影响较小，长期运行所需的轨道维持推进剂量较少。这样一来，就相当于把一座地面测控站搬到了地月L2点轨道上。

既然中继卫星这么有用，而且在地球轨道上也已经建成了跟踪和数据中继卫星系统和全球定位系统，那么在深空中能不能也建立类似的系统呢？答案是Yes！科研工作者们正在研究深空激光通信、火星网乃至行星际Internet等前沿技术，不断提高深空通信带宽，来满足未来深空探测中通信和导航的需要。假以时日，我们或许能够在家中同登陆火星的航天员们用畅聊呢！

地月L2点轨道中继星与地球、月球的相对位置关系示意图