□ 袁東

深空探測的"獅吼功"和"順風(fēng)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(yè)名稱叫“高增益的拋物面天線”——卡塞格倫天線）是它發(fā)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(fā)電機700瓦功率中的很大一部分用在信號發(fā)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(jié)課都快上完了，信號還沒有到）還是非常困難的，急需“順風(fēng)耳”！另外地球科學(xué)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(wǎng)（Deep Space Network，DSN）在！

深空探測網(wǎng)是美國宇航局的支援星際任務(wù)、無線電通信以及利用射電天文學(xué)觀察探測太陽系和宇宙的一個國際天線網(wǎng)絡(luò)，它是地球上最大的科學(xué)研究用途的通信系統(tǒng)，是為了對執(zhí)行月球、行星和行星際探測任務(wù)的航天器進行跟蹤、導(dǎo)航與通信而建立的地基全球分布測控網(wǎng)，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(xué)數(shù)據(jù)等。它所服務(wù)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(qū)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(wǎng)包括深空測控地面通信站和空間應(yīng)答機（“卡西尼”等航天器）兩大部分。現(xiàn)在我們給地面通信站來個素描：

▲ 美國深空探測網(wǎng)絡(luò)DSN的最大“鍋 ”——直徑70米的拋物面天線，它可以和已經(jīng)飛出太陽系的“旅行者號”進行聯(lián)絡(luò)

一、大，特別大

無線通信信號的衰減與傳輸距離成對數(shù)關(guān)系，隨著探測器越往深空進發(fā)，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(jié)構(gòu)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(wǎng)通信站天線群

大耳朵的高靈敏度讓深空探測網(wǎng)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(dǎo)致的通信不暢的情況的時候，深空探測網(wǎng)重新作調(diào)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(jiān)測

深空探測網(wǎng)由三處地面通信站構(gòu)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(fā)射能力。相互之間經(jīng)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(xù)觀測和適當?shù)闹丿B弧段，讓深空探測器總能處在一座通信站的監(jiān)視范圍之內(nèi)，這種安排使得即便地球在自轉(zhuǎn)，監(jiān)測任務(wù)三班倒不斷！

深空探測網(wǎng)除了讓探測器上傳或下載數(shù)據(jù)之外，還能夠起到導(dǎo)航的作用，讓探測器精確入軌或是軌道微調(diào)。

三、強，特別強

深空探測網(wǎng)位于堪培拉通信站的70米直徑天線嗓門特別大，S波段發(fā)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(diào)開啟）！

為此次任務(wù)配置的X波段（7GHz-12GHz）發(fā)射器也有20千瓦，隨著它“嗷”的一聲怒吼，遙測信號發(fā)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(yīng)！

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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)聯(lián)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(wǎng)這個“獅吼功”和“順風(fēng)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(zé)任編輯：陳彩連