深空探测的"狮吼功"和"顺风耳"

□ 袁东

深空探测的"狮吼功"和"顺风耳"

□ 袁东

卡西尼号探测器3D示意图

手机WIFI是20毫瓦，能够顺畅接收20米外的WIFI信号；手机的功率是2瓦，能够和2千米之外的基站顺利通信，那么远在土星的“卡西尼”呢？卡西尼号探测器获得了土星大量而宝贵的第一手资料，它怎么送回地球的？

先来看看卡西尼带的“大喇叭”！“卡西尼号”携带直径4米的“锅”（专业名称叫“高增益的抛物面天线”——卡塞格伦天线）是它发射和接收信号的大天线，为了以防万一，还带了两个“小锅”——两个低增益天线。它把核发电机700瓦功率中的很大一部分用在信号发射上，但是最多也就几十瓦射出的功率！

要和远在10.6个天文单位，也就是15亿千米外，无线电波要84分钟才能送达的地球通信（两节课都快上完了，信号还没有到）还是非常困难的，急需“顺风耳”！另外地球科学家指挥“卡西尼”做各种动作，拍照片啊，释放惠更斯探测器啊，也需要大嗓门的“狮吼功”！

别急，有深空探测网（Deep Space Network，DSN）在！

深空探测网是美国宇航局的支援星际任务、无线电通信以及利用射电天文学观察探测太阳系和宇宙的一个国际天线网络，它是地球上最大的科学研究用途的通信系统，是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网，可以提供双向通信链路，对航天器进行指挥控制、跟踪测量、遥测，以及接收图像和科学数据等。它所服务追踪过的探测器可以编写一本人类航天探索史上的“名人”录，从“先驱者号”和旅行者号太阳系探测器，到水手号金星探测器、勇气号火星探测器、伽利略号和朱诺号木星探测器，当然包括我们今天要说的“卡西尼-惠更斯号”土星探测器。

深空探测网包括深空测控地面通信站和空间应答机（“卡西尼”等航天器）两大部分。现在我们给地面通信站来个素描：

▲ 美国深空探测网络DSN的最大“锅 ”——直径70米的抛物面天线，它可以和已经飞出太阳系的“旅行者号”进行联络

一、大，特别大

无线通信信号的衰减与传输距离成对数关系，随着探测器越往深空进发，距离地球越来越远，接收到的信号也就越来越微弱，而且时延也越来越大，那么大家想到的第一个办法是，把天线做大，这样就好比大耳朵能够听到更远的声音。目前深空测控地面通信站最大口径的天线是70米，面积是3850平方米，接近10个篮球场那么大。

▲ 卡西尼号土星探测器结构图

▲ 澳大利亚堪培拉通信站的70米天线，大概20层楼高

▲ 澳大利亚堪培拉的深空探测网通信站天线群

大耳朵的高灵敏度让深空探测网危难之中显身手，当“惠更斯”探测器和“卡西尼”探测器之间因欧空局“乌龙”导致的通信不畅的情况的时候，深空探测网重新作调整来直接捕捉“惠更斯”这个小不点的微弱信号，获得更多的信息！

二、全，全球监测

深空探测网由三处地面通信站构成，一处在美国加利福尼亚的戈尔德斯敦，位于巴斯托市附近的莫哈维沙漠之中；一处位于西班牙马德里附近；另一处位于澳大利亚的堪培拉附近，所有天线都具有L 、S和X频段的接收能力以及 S 、X频段的发射能力。相互之间经度相隔约120度，这样可以在深空探测器的跟踪、测量中提供连续观测和适当的重叠弧段，让深空探测器总能处在一座通信站的监视范围之内，这种安排使得即便地球在自转，监测任务三班倒不断！

深空探测网除了让探测器上传或下载数据之外，还能够起到导航的作用，让探测器精确入轨或是轨道微调。

三、强，特别强

深空探测网位于堪培拉通信站的70米直径天线嗓门特别大，S波段发射输出功率有足足400千瓦，都可以给200户家庭日常用电（空调开启）！

为此次任务配置的X波段（7GHz-12GHz）发射器也有20千瓦，随着它“嗷”的一声怒吼，遥测信号发送到远在土星的卡西尼号探测器上，“卡西尼”听到之后做出迅速的响应！

四、多，替补多

这么大个头的天线总有生病的时候，比方说马德里70米天线，1900吨重的大胖子活生生把基座都坐出裂纹来了！生病期间不能工作，别急，深空探测网在每一个通信站还有3个以上的替补，在70米大天线的附近还有34米天线子网和26米的“小锅”。这些替补在大个头休息的时候换班。

三个地面通信站的34米天线子网联手还能用于甚长基线干涉测量(VLBI和射电源观测）。

有了深空探测网这个“狮吼功”和“顺风耳”，“卡西尼”远在天边，近在眼前，我们在地球上才能看到“卡西尼”传回的土星的美丽而神秘的面容！★

责任编辑：陈彩连