[科普中国]-《独立日2》：地月通信的实现

前几天看到英国退欧的消息，脑子一热就溜去看《独立日2》了……噫，怎么说呢，中国元素多的我尴尬症都要犯了，不知道周围那些老外心里怎么想……（“Thank you for using QQ”还算好的，那个让我脸盲的中国女演员抵达月球基地的时候一群人围上去要签名的镜头，鸡皮疙瘩掉了一地好吗……那个牛奶的违和堪与《变形金刚3》里有的一比，都是我家乡企业，我也不说啥了……）
但是有人问，能否像电影中那样在地月之间视频通话？当然能。不严格的说，半个世纪前我们就做到了。

这是1969年7月20日，阿波罗11号带着阿姆斯特朗和奥尔德林两人首次登上月球时的电视直播画面——没错，是直播，不是录播。
阿波罗任务本身就有人说是“开着洗衣机横渡了太平洋”，在1960年代完成这样的壮举，确实有很多技术问题需要解决：电视直播作为美宣部（又名NASA【误】）造大新闻的重点，当然要万无一失。
要解决的问题最根本就是，怎么让信号在非常有限的数据传输能力下靠谱得传回来、靠谱得接收到。

一方面，NASA从摄像设备入手，尽可能减小产生的数据量：当时美国的电视标准是采用525线隔行扫描、每秒30帧的格式，而NASA给阿波罗任务专门定制了320线逐行扫描、每秒10帧的慢速扫描摄像机，这种特别定制的摄像机让电视信号回传所需的带宽降为标准格式的十分之一。

由西屋电气制造的这款摄像机品质其实还是相当不错的。上面左图就是这款摄像机拍摄的原始画面，可以看到宇航员面罩上清晰的映出飞船和人影。不过由于和标准电视画面格式不同，在实时转换的过程中，原始图像的画质被毁了不少（上面右图）。
另一方面，由通信领域的基本定理“香农·哈特利定理”我们知道，信道传输信息的速率与带宽及信噪比有直接关系。而提升信噪比最简单粗暴的办法就是——用更大口径的天线。

阿波罗8号时，NASA用于任务的地面接收站由美国加州Goldstone、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里的三架26米天线组成，使用这三个两两经度差约为120°的天线，可以实现不间断的通信。
1961年，澳大利亚建成Parkes 64m望远镜，成为当时世界上最大的射电望远镜之一、南半球最大的射电望远镜。该望远镜的成功建造引来了美国人的效仿：1966年，NASA就在美国深空网（DSN）的核心Goldstone建成了同样口径为64米的射电望远镜。该望远镜甫一建成，就成为美国火星探测的主力，被称作“火星天线”。

左为Goldstone 64米“火星天线”，右为水手四号发回的火星影像

到了1969年肯尼迪划定的十年大限，NASA终于准备好进行真正的首次载人登月任务，阿波罗11号。为了支持阿波罗11号任务的电视直播，NASA同时动用了Goldstone和澳大利亚Parkes两台64米望远镜。这两面大口径望远镜的加入，将接收下行信号的灵敏度提升了约6到10倍——64米口径望远镜的接收面积为26米望远镜的6倍。
每每为澳洲射电天文学界所称道的，是Parkes望远镜的优异性能。虽然两台64米望远镜先后被用于直播信号接收，但在NASA发现Parkes的效果比Goldstone好很多后，剩余直播全程都是采用Parkes接收的信号——这期间Parkes所在地不巧刮起强风，望远镜始终在超出机械结构设计能力的状态下坚持工作，不辱使命。
比较有意思的是，当时阿姆斯特朗跟奥尔德林俩人到达月球后，按计划应该先休息7个小时再出舱，因为只有那时月球才能进入Parkes望远镜可观测的地平高度以上；然而阿姆斯特朗实在太激动，登月心切，提前开始张罗着要出舱，差点让Parkes赶不上直播——只是出舱的宇航服太难穿上了，才让阿姆斯特朗折腾半天之后，最终还是基本按照原定的时间出舱。
这段轶事还被拍成了电影《锅》（The Dish，此处电影中译名为笔者杜撰）： 为什么是绵羊不是袋鼠？

为什么是绵羊不是袋鼠？

不过几十年之后人们仔细检查当时的数据，发现这个画质不好的“锅”可能不能全让Goldstone“火星天线”来背。原来是Goldstone接收到慢速扫描视频信号后，在转换成正常电视信号格式时，黑色色阶的值设置错误，导致暗部细节全部没能显示。这是当时Goldstone和Parkes的图像对比（分别为左、右）：

由于Parkes 64m望远镜的高灵敏度保障了电视直播的有效进行，阿波罗11号的着陆舱仅凭自带的一个较小的S波段可动天线（下图所示“Steerable S-band Antenna”）就保证了信号传输的顺利进行——他们本可以在地上再另外撑起一个临时天线的。因为Parkes足够给力，他们不必多此一举，为紧张的月表工作节约了时间。

S-bandAntenna

阿波罗12号临时安置天线

后来，阿波罗12号把携带出舱的摄像机从黑白的变成了彩色的，为了保证更大流量信号的顺利传输，使用了这个S波段的临时天线来增强信号（飞船右侧的倒伞形）。
当然比起《独立日2》电影里这段QQ视频聊天，阿波罗任务的电视直播还算不上真正的“视频聊天”——毕竟只有单方向的视频传输，从地球到登月飞船就只有语音了。

剧照

这画质，少说也得有720P吧？720P的码率一般在5Mbps左右，可能是阿波罗11号电视信号的10倍（这个数字是我估计的，可能不准）。当然，在摩尔定律狂飙突进几十年后的今天，如果只需要提升十倍数据传输能力，现在的人类当然做的到。（感谢热心人士的专业补充：如果使用HEVC编码的话，720P码率可以压缩到1Mbps甚至600kbps，那样的话即使是阿波罗时代的数据传输能力也差不多能实现了。）
比如2010年发射的嫦娥2号绕月探测器，其搭载的X频段通信载荷能够达到12Mbps的数据下行速率——别说720p了，1440p也快够了。而即使走得远一点，到其他行星去，现代深空通信保障能力也足够让我们惊讶：在土星工作的卡西尼号飞船，每天传回4GB的数据，相当于一部小电影（【误】）；远在冥王星的新视野号，每天也能传回约20MB的数据，让我们得以探索冥王星上冰下海的踪迹。
咱们的嫦娥任务产生的信号的地面接收，用到的是我国几面较大的射电望远镜/测控站天线，包括：云南昆明40米望远镜、北京密云50米望远镜、上海天马65米望远镜、新疆喀什35米深空测控站、黑龙江佳木斯64米深空测控站，中国现在还在寻求在阿根廷、澳大利亚等地建立海外陆基测控站。当然，坑已经基本填好，马上就要在今年9月开光的贵州500米口径球面射电望远镜FAST如果参与深空支持，还将以其灵敏度优势极大的提升深空数据传输速率。

多面天线的组合使用不仅能增大总接收面积、提升信噪比，还能有效提升整个系统的稳健性。相比于相同接收面积的单个镜面，多个小口径天线其每一个的主波束更宽，有利于对冲望远镜指向可能出现的微小误差。相距几千公里的这些射电望远镜组成的阵列更是可以进行甚长基线干涉，准确测定航天器的位置。
总之，造这么多钢铁巨兽，不仅仅是为了让我们能在月球上QQ视频——不过也许有一天，这些努力终究会让我们真的可以在月球基地聊个痛快吧！