跟火星的电话打不通了？也许是太阳在干扰信号

科普中国-科普融合创作与传播 2021-03-10 作者：李会超

　　大年三十前一晚，太空传来了好消息：天问一号探测器点火刹车15分钟，成功进入环绕火星的轨道。

　　中国的探测器开始了与火星的第一次“亲密接触”。

　　在天问一号这样的深空探测任务中，探测器与地面的通信联络至关重要。地面控制人员需要通过无线电测控信号掌握探测器的运行状态，及时发送必要的指令，接收获取的探测数据。

　　天问一号示意图。图片来源：http://www.smoc.ac.cn/

　　如此重要的深空无线电通信，也面临着偶尔“连线”失败的问题。对信号造成干扰的，不是未知的事物，而是我们再熟悉不过的光热之源——太阳。

　　突然中断的星际通信

　　1997年的2月7日，正在执行木星探测任务的伽利略号飞船，在与地面进行数据传输时信号突然中断。对于其他的探测器，遇到干扰后也许可以等待一会再继续传输数据。但在当时，伽利略号飞船上“网速"比较快的高增益天线已经无法正常工作，因此不得不依靠一些带宽较低的通信链路进行传输。由于这些链路的“网速”不快，就要细水长流的持续传输。这期间通信一旦中断，有些珍贵的科学数据可能会面临永远无法被传回的风险。

　　伽利略号探测器，图中直径最大的高增益天线在飞行过程中出现了故障。图片来源: Wikipedia

　　通信的中断使伽利略团队的科学家和工程技术人员随即陷入了焦虑之中，除了心疼宝贵的数据，他们更担心探测器本身出现了故障。好在信号的中断仅仅是暂时的，与探测器的联络在一段时间后又恢复了正常。

　　随后的技术排查发现地面的天线设备和太空中的探测器的工作状态都是正常的。捣乱的，是当时处于地球和探测器通信链路上的太阳大气——日冕。

　　这似乎更让人不解了，地球和探测器间的通信，日冕怎么捣乱呢？

　　当我们仰望星空时，有时会看到星星一闪一闪的在“眨眼睛”。这是因为星星发出的光线需要穿过地球的大气层才能到达我们眼中，而大气层中有时会出现不稳定的湍动——你可以将这种湍动理解成大气的颤动。由于大气湍动影响了空气折射光线的过程，因此才会看到星星一闪一闪的情况。

　　与之类似的闪烁现象在地球与探测器的通信链路刚好穿过日冕时，也有可能出现。日冕不稳定的“颤动”，会使无线电的传播出现和星星眨眼睛类似的闪烁现象，轻则会让探测器和地球间的传输“网速”变慢，重则能使探测器与地球间的联系彻底中断。具体来说，这是因为日冕是由离子、电子已经分离的等离子体组成，能够与电磁场发生相互作用。一旦日冕出现如“颤抖”一样的湍动，引起信号传输路径上的密度变化，就会对承载信号的电磁波传输产生影响。

　　当地球与行星附近的探测器的通信链路刚好经过太阳附近的日冕时，探测器与地区间的通信就会受到干扰。图片来源：作者自制

　　太阳日冕等离子体湍动对信号的影响，主要分为三种现象。如果把地球与探测器之间的通信看做打电话，那么第一种强度的闪烁现象，就像是通话的音量会忽大忽小；第二种相位闪烁现，就像是通话的音调忽高忽低；而第三种频率扩展现象，则意味着原本单一的通话音色变的多变，听话者不得不一直调整适应。

　　太阳放“大招”，干扰通信传输

　　这种能够对通信产生干扰的太阳活动现象有特定的名称——日冕物质抛射（CME），它是太阳产生的一种爆发现象，简单来说就是高密度的等离子体团从太阳附近被高速抛射到太空之中。在前进过程中，CME还会挤压来不及躲避的背景（原来存在的）等离子体，形成激波等压缩结构。如果日冕物质抛射的传播轨迹刚好横越探测器的通信链路，其抛射运动引起的日冕密度迅速而剧烈的变化，会在通信信号中产生严重的闪烁现象，这种干扰足以中断深空通信传输。

　　在对1997年2月伽利略号通信中断事件的事后分析中，科学家们发现当时的确有CME事件发生，而且出现的还是规模最大的晕状CME。CME是一种偶发的爆发现象，而1997年还是太阳活动的低谷，CME的爆发并不十分频繁。如果赶上太阳活动的高峰，CME的爆发会更加频繁、剧烈，有可能对探测器通信造成更大的影响。

　　伽利略号受到干扰时，用于监控太阳活动的SOHO飞船的LASCO日冕仪观测到的CME现象。图片来源：参考内容1

　　除了CME现象外，日冕中持续存在的冕流，也可能会妨碍通信传输。和偶发的CME不同，冕流是日冕中的“常态”现象，始终存在于日冕中，但其位置会随着太阳磁场的变化而缓慢变化。冕流附近的等离子体密度较高，且存在着比较明显的空间变化和各类小尺度时间变化。如果通信信号刚好穿过冕流附近，通信信号的闪烁也会变得明显，对通信质量产生显著的影响。

　　日食期间拍摄的日冕结构，向外延伸只远处的亮带就是冕流。图片来源：NASA

　　除了探测木星的伽利略号探测器外，探测火星、金星甚至太阳系以外的深空探测器，都不可避免地会受到太阳活动的干扰，探测火星的天问一号也不例外。

　　天问一号需要同时完成环绕、着陆和巡视探测三项任务，这对太空中数据通信的可靠性有着较高的要求。为了解决太阳带来的麻烦，克服太阳引起的信号闪烁对深空通信可能的干扰，技术人员已经提出了多种应对策略。

　　日冕仪记录下的一次CME爆发过程。图片来源：NASA（动图）

　　研究表明，通信信号的频率越高，受太阳闪烁现象的干扰就越小。因此，技术人员们考虑采用频率更高的Ka波段来替换常用的X波段承载通信。不过Ka波段虽然能缓解太阳闪烁的带来问题，但这个波段的信号穿透地球大气层的能力较弱。因此在使用Ka波段进行深空通信时，可以在地球附近先设置一颗中继卫星，卫星在接收到深空传来的Ka波段信号后，会将其转变为X波段信号再向地面转发。此外，技术人员也提出可以采用具有“超强纠错”功能的通信编码和控制方式，增强通信链路的抗干扰能力。天线组阵技术也是可行的途径之一，通过多个大型天线的组合，地面天线的收发功能能够更加强大，也就能在出现闪烁现象时更从容的应对。

　　无线电闪烁不一定是坏事，也能用来搞研究

　　太阳活动不仅会干扰通信，异常强烈的太阳风暴还可能直接损坏探测器上的器件。2003年万圣节前后，太阳上持续发生了一连串强烈的爆发事件。这些爆发事件除了严重的影响了地球附近的航天器和地面上的技术系统外，还让在火星附近工作的美国科学探测卫星火星奥德赛号的MARIE仪器报废。

　　太阳活动的确给本就未知的深空探测带来了更大的风险。如果通过研究能够准确的预报太阳附近的情况，技术人员就能提前分析出干扰可能发生的时间、范围和具体形式，做好充足的准备。当太阳风暴尚在孕育中时，我们就能够依靠对空间天气活动的深入认识，以及超级计算机数值模型的辅助，提前对爆发的可能和影响做出判断。一旦爆发发生，我们能够赶在爆发传播到地球和火星之前，预知其潜在的影响。

　　使用行星际闪烁手段探测太阳风的原理图。来源：名古屋大学

　　对于空间天气研究，无线电的闪烁现象也反倒是一种可利用的研究手段。宇宙中存在类星体等天然射电信号源，当日常的背景太阳风起伏或爆发的太阳风暴掠过射电源和地球的连线时，地球上接收到的天然射电源信号就会出现与深空通信类似的闪烁现象。通过对闪烁现象的分析，科学家们可以反推等离子体的速度、密度等信息。

　　由于卫星探测的成本高、难度大，利用卫星对太阳风暴的进行探测还存在较大困难。

　　通过这种行星际闪烁（IPS）的观测方式获取的信息，能够很好地补足卫星观测的“空白”，也能为卫星局地的观测提供全局性的分析，让我们更深入地认识太阳活动所产生的物质对地球和太阳系的影响。