火星无人机有惊无险，联络外星球要小心

近日，美国机智号火星无人机重新与地球团队建立了通信联系，结束了持续约两个月的失联状态。这次火星无人机有惊无险的经历表明，地球团队想要与遥远的外星球探测器保持联系，面临复杂情况。为此，航天人需要克服哪些困难？有哪些技术手段可能助他们一臂之力呢？

深空测控 聆听低语

自第一颗人造卫星冲出大气层后，航天测控需求便与日俱增。对于那些环绕着地球轨道运行的卫星来说，测控工作或许相对容易，但延伸到深空探测这一层面上，难度就大不一样了。

1958～1965年间，在太空竞赛的狂热氛围下，苏联和美国总计向月球、太阳、火星等天体发射了66个深空探测器，但仅有11个取得任务成功。它们失败的原因不一，有许多是因为当时美苏两国的深空测控能力不足，而这一点至今仍是深空探测任务面临的重要难题。

以离地球最近的天体月球为例，虽说在宇宙尺度上，平均约38万公里的地月距离“微乎其微”，但以人类的技术水平，地月距离也并非可以轻易逾越的。以光速前进的无线电信号在理想状态下跨越地月距离需要1秒以上，而距离引发的信号衰减不容忽视。

由于探测器自带的天线和信号发射器都不可能做得很大，在尽量完善天线设备以提高收发能力的同时，有必要提高地面天线的接收能力和发射功率。形象地比喻，探测器对地球发出的信号是低声细语，而地面天线必须非常仔细地聆听来自深空的低语，然后扯着嗓子对着遥远的探测器大喊。

天问一号环绕器充当地火通信中继卫星

至于更遥远的火星任务，对探测器的测控工作更是难上加难。地球与火星的距离最远时超过4亿公里，最近时也有5000多万公里，探测器信号衰减程度比探月任务严重得多。

更麻烦的是，地球与火星有时刚好隔着太阳遥遥相对，此时地火通信直接中断。可以说，对于火星探测器的测控要求又提升了一个数量级，显著提升了火星任务难度。截至目前，人类开展了50多次火星探测任务，其中有许多探测器在前往火星的过程中不幸失联。

不难看出，解决通信问题是深空探测任务成败的重中之重。尤其是探测器造访外星球时，通信联络稳定与否，还要考虑到更复杂的大气、地形、电磁环境等复杂因素，往往不是简单地增强信号功率就能解决问题的，有必要运用一些巧妙方法。

天地协同 双管齐下

明确了深空探测任务之难，航天界认识到，要与造访外星球的探测器稳定地保持联络，必须天地双管齐下。

所谓“地”，指的是在地球表面建设完善的深空测控网络，既有陆地上高耸的测控站，也有奔波于万里大洋上的航天测量船。

在苏联时期，大大小小的测控站超过20座，累计有14艘远洋航天测量船辛勤地全球运作，这还不包括一些导弹测控基础设施。遗憾的是，苏联解体后，俄罗斯失去大量测控站和航天测量船，深空测控能力大幅下降。

相比之下，美国目前仍运行着全球最完善的深空测控网络。早在1958年美国宇航局成立之初，就努力统筹军民测控资源，建设独立管理和运营的深空探测任务通信系统，从而避免每个探测项目都需要单独获取和运营专门的太空通信网络。1963年，该系统正式定名为“深空探测网络”。

美国深空探测网络目前有3个深空测控中心，分别位于加利福尼亚州巴斯托、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉，各负责全球120度范围，使深空探测器始终能够联系上至少1个测控站。

纵观美苏两国的深空测控网络建设和运营，颇有值得注意之处。一方面，深空测控站不必建设很多。毕竟深空探测器向地球发送信号时，一般都能面对地球一侧，只需地球这一侧存在1个测控站，就有望接收信号。

另一方面，深空测控站的质量标准很高，即每个测控站都应该具备强大的接收和发送信号的能力。这必然要求其配备强大的高性能天线，满足大功率、高指向精度、大直径等指标。

据公开资料显示，我国为支持深空探索任务，在天津武清建设了70米单口径全可动天线，天线表面积约有10个足球场大小。在新疆喀什，我国首个深空天线组阵系统建成，4座35米口径天线协同工作，达到了等效66米口径天线的数据接收能力，促使我国的深空探测能力向前迈进了一大步。

至于最近这次美国火星无人机克服失联危机，则充分证明了深空通信任务中“天”的因素是何等重要。为了传递遥远的深空信息、提升信号的轨道覆盖率，天基信号中继和收发系统建设备受重视。

要知道，受限于载荷规格和发射功率，着陆、翱翔于外星球的探测器想要与地球团队通信，相对比较困难，效率也较低。与此同时，再完善的地面深空测控网络也不能确保地火直接通信始终顺畅。因此，环绕外星球运行的轨道器在不断收获科研信息的同时，如果在必要时充当中继卫星，接收到外星球漫游车等探测器发来的信号，再将信号解析、放大、转发，就能更高效地沟通地球与外星球。

目前，共有7个轨道器正在围绕火星运作，其中6个分别隶属于中美欧，可以作为地火通信联络的中继卫星。

其实，不仅轨道器可以起到通信中继作用，造访外星球的其他航天设备也会发挥奇效。今年4月26日，美国机智号火星无人机完成了第52次火星飞行，目标是拍摄火星表面图像，重新定位，帮助地球团队规划毅力号火星车未来路线。然而，火星表面撞击坑里的地貌崎岖复杂，无人机着陆后和火星车相隔一座小山，暂时失联。直到6月28日，火星车爬上山顶，成功实施通信中继，帮助无人机再次与地球团队建立起通信联系。

在不远的未来，探测器和航天员将前往更多外星球去探索，对深空通信的要求更高，需求更迫切。而随着新型材料、微电子、人工智能等技术进步，相信通信会更好地克服遥远的距离，助力深空探测再创佳绩。（作者：汤川学 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）