深空探測的"獅吼功"和"順風耳"

□ 袁東

深空探測的"獅吼功"和"順風耳"

□ 袁東

卡西尼號探測器3D示意圖

手機WIFI是20毫瓦，能夠順暢接收20米外的WIFI信號；手機的功率是2瓦，能夠和2千米之外的基站順利通信，那么遠在土星的“卡西尼”呢？卡西尼號探測器獲得了土星大量而寶貴的第一手資料，它怎么送回地球的？

先來看看卡西尼帶的“大喇叭”！“卡西尼號”攜帶直徑4米的“鍋”（專業名稱叫“高增益的拋物面天線”——卡塞格倫天線）是它發射和接收信號的大天線，為了以防萬一，還帶了兩個“小鍋”——兩個低增益天線。它把核發電機700瓦功率中的很大一部分用在信號發射上，但是最多也就幾十瓦射出的功率！

要和遠在10.6個天文單位，也就是15億千米外，無線電波要84分鐘才能送達的地球通信（兩節課都快上完了，信號還沒有到）還是非常困難的，急需“順風耳”！另外地球科學家指揮“卡西尼”做各種動作，拍照片啊，釋放惠更斯探測器啊，也需要大嗓門的“獅吼功”！

別急，有深空探測網（Deep Space Network，DSN）在！

深空探測網是美國宇航局的支援星際任務、無線電通信以及利用射電天文學觀察探測太陽系和宇宙的一個國際天線網絡，它是地球上最大的科學研究用途的通信系統，是為了對執行月球、行星和行星際探測任務的航天器進行跟蹤、導航與通信而建立的地基全球分布測控網，可以提供雙向通信鏈路，對航天器進行指揮控制、跟蹤測量、遙測，以及接收圖像和科學數據等。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“先驅者號”和旅行者號太陽系探測器，到水手號金星探測器、勇氣號火星探測器、伽利略號和朱諾號木星探測器，當然包括我們今天要說的“卡西尼-惠更斯號”土星探測器。

深空探測網包括深空測控地面通信站和空間應答機（“卡西尼”等航天器）兩大部分。現在我們給地面通信站來個素描：

▲ 美國深空探測網絡DSN的最大“鍋 ”——直徑70米的拋物面天線，它可以和已經飛出太陽系的“旅行者號”進行聯絡

一、大，特別大

無線通信信號的衰減與傳輸距離成對數關系，隨著探測器越往深空進發，距離地球越來越遠，接收到的信號也就越來越微弱，而且時延也越來越大，那么大家想到的第一個辦法是，把天線做大，這樣就好比大耳朵能夠聽到更遠的聲音。目前深空測控地面通信站最大口徑的天線是70米，面積是3850平方米，接近10個籃球場那么大。

▲ 卡西尼號土星探測器結構圖

▲ 澳大利亞堪培拉通信站的70米天線，大概20層樓高

▲ 澳大利亞堪培拉的深空探測網通信站天線群

大耳朵的高靈敏度讓深空探測網危難之中顯身手，當“惠更斯”探測器和“卡西尼”探測器之間因歐空局“烏龍”導致的通信不暢的情況的時候，深空探測網重新作調整來直接捕捉“惠更斯”這個小不點的微弱信號，獲得更多的信息！

二、全，全球監測

深空探測網由三處地面通信站構成，一處在美國加利福尼亞的戈爾德斯敦，位于巴斯托市附近的莫哈維沙漠之中；一處位于西班牙馬德里附近；另一處位于澳大利亞的堪培拉附近，所有天線都具有L 、S和X頻段的接收能力以及 S 、X頻段的發射能力。相互之間經度相隔約120度，這樣可以在深空探測器的跟蹤、測量中提供連續觀測和適當的重疊弧段，讓深空探測器總能處在一座通信站的監視范圍之內，這種安排使得即便地球在自轉，監測任務三班倒不斷！

深空探測網除了讓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。

三、強，特別強

深空探測網位于堪培拉通信站的70米直徑天線嗓門特別大，S波段發射輸出功率有足足400千瓦，都可以給200戶家庭日常用電（空調開啟）！

為此次任務配置的X波段（7GHz-12GHz）發射器也有20千瓦，隨著它“嗷”的一聲怒吼，遙測信號發送到遠在土星的卡西尼號探測器上，“卡西尼”聽到之后做出迅速的響應！

四、多，替補多

這么大個頭的天線總有生病的時候，比方說馬德里70米天線，1900噸重的大胖子活生生把基座都坐出裂紋來了！生病期間不能工作，別急，深空探測網在每一個通信站還有3個以上的替補，在70米大天線的附近還有34米天線子網和26米的“小鍋”。這些替補在大個頭休息的時候換班。

三個地面通信站的34米天線子網聯手還能用于甚長基線干涉測量(VLBI和射電源觀測）。

有了深空探測網這個“獅吼功”和“順風耳”，“卡西尼”遠在天邊，近在眼前，我們在地球上才能看到“卡西尼”傳回的土星的美麗而神秘的面容！★

責任編輯：陳彩連