火星探测器那么远，怎么跟它通信？

　　光速约为30万千米/秒，这是电磁波的传播速度，也是人类能接触和掌握的最快速度。它仅需0.13秒就能绕地球一周，人类使用通信设备时甚至无法察觉到电磁波的微弱时延。
　　然而，这个速度在地球和火星之间就会显得＂不够快＂。
　　截至2020年9月中旬，中国首个火星探测器＂天问一号＂已经连续飞行了1.5亿千米的旅程，这个长度接近1个天文单位，也就是地球和太阳之间的距离，如果按照光速飞行需要500秒才能走完。而＂天问一号＂到火星后，地球和火星最远的距离可以到4亿千米，即便电磁波光速往返通信都需要耗时超过45分钟，这足够光速围绕地球走完2万圈！
　　距离还带来了一个显而易见的挑战：随着距离增加，探测器通信信号强度的衰减速度与距离的平方成正比，自身硬件噪声和宇宙背景噪声的干扰相较而言变得变强。此外，地球在自转，火星也在自转，它们巨大的体积都会遮挡住身后的信号，极大影响通信。对于深空探测任务而言，也必须通过地面天线时刻保持对探测器的高精度跟踪导航与定位，否则就容易＂失之毫厘谬以千里＂。
　　正如两个人聊天，如果距离过远（地球火星距离）、环境过于嘈杂（自身硬件和宇宙背景噪声）、还经常捂住耳朵（自转等因素干扰），聊天交流的质量可想而知。一旦丢失掉有效信息（无法跟踪捕获对方信息），就很难再恢复连续对话，只能＂尴尬冷场＂。地球与火星探测器之间交流通信也存在这个问题。
　　为了解决这一系列问题，科学家和航天工程师们需要想出一系列的方案，实现高精度、全天时的地球和火星之间通信。
　　1.大尺寸的深空通信天线
　　人类发射深空探测器的难度极大，例如＂天问一号＂重量在5吨左右，但它需要重达870吨的长征五号发射。它又包括环绕器、着陆器和巡视器三大部分，携带了13项科研仪器。环绕器是其中核心，它携带了能量系统、推进系统、姿控系统、支撑结构和通信系统等重要组成，其中就包括通信天线【1】。
　　然而，由于火箭整流罩内尺寸、探测器自身结构稳定性、能量供应能力（所有分系统都需要耗电）等限制，天线注定无法做到很大。为保证＂天问一号＂的天线能正常工作，就必须要求地面端补偿：一方面能尽可能发射大功率信号、抵达天问一号时能被天线捕获，另一方面也能接收到＂天问一号＂发射回地球的极其微弱信号。
　　能同时实现这些要求，就必须依靠巨大尺寸的天线，它是深空通信的核心，尺寸/直径越大往往意味着更大的信号发射强度和接收灵敏度。对于＂天问一号＂而言，需要数个35-70米直径的天线为之服务。
　　©️新华网
　　例如，中科院国家天文台建在天津的70米直径天线，是亚洲最大的单口径全可动天线，主要用来接收＂天问一号＂各种科学载荷数据。它的面积接近10个篮球场大小，总重超过2700吨！【2】
　　2.全球无死角覆盖深空通信网络
　　由于地球是球形且在不断旋转，每个地面天线能够覆盖的天域总是有限的，所以需要在全球范围内部署深空站才能保持全天时的与深空探测器通信。理想情况下，三个间隔120度、均匀分布的深空站即可实现，例如NASA深空通信网在金石（美国）、堪培拉（澳大利亚）和马德里（西班牙）部署。
　　©️董光亮等【3】
　　中国的方案是佳木斯（国土最东部）、喀什（国土最西部）和萨帕拉（阿根廷西部）部署深空站，足以实现超过92%天域覆盖的有效通信，其他站点也可以参与测控通信和有效载荷科研数据接收等。此外，中国的深空通信网也积极参与国际联网，利用庞大网络的甚长基线测量等方案高精度跟踪天问一号位置。中国目前是仅次于美国和欧洲的第三个拥有全球布站深空通信网的国家【3】。
　　3.信号传输和处理技术升级
　　硬件基础之外，另一决定性意义的是软件基础：如何将这些硬件的能力发挥到极致，甚至超出它们的设计效果？
　　随着深空探测器的功能越来越多、携带的有效载荷变得越发复杂，一个直观的体现就是需要发回地球的数据量急剧增加、信号强度却更加微弱，靠不断增加地面天线尺寸并不能从根本上解决问题。因而，需要研究多个天线组成大型阵列，通过复杂的数据协同融合分析技术，起到一个巨大尺寸天线的效果，提升整体接收性能。
　　以嫦娥任务为例，多天线接收信号融合后才会出现最理想的科研结果©️董光亮等【3】
　　所有的天线硬件都会存在热噪声、误码率、相位时延和各种误差源等，有效减少这些影响也等同于提高硬件核心性能。在传统的信号波段S、C、X（2-12GHz）等之外，很多深空探测器的数据传输速率和量级需求也大幅提升，这要求使用Ku/K/Ka（12GHz+）甚至频率更高的波段信号，这往往意味着深空通信网硬件和软件系统的全方位升级，也是深空探测领域长远发展必须要做的投入。
　　＂天问一号＂的背后是整个中国＂天问＂行星探测系列任务的庞大计划，中国的深空通信网，也在时刻升级中。
　　【1】耿言, 周继时, 李莎, 付中梁, 孟林智, 刘建军, 王海鹏. 我国首次火星探测任务[J]. 深空探测学报(中英文）, 2018, 5(5): 399-405.
　　【3】董光亮，李海涛，郝万宏，等. 中国深空测控系统建设与技术发展[J]. 深空探测学报，2018， 5(2):99-114.
　　下一站火星（全彩） 深度解析＂天问一号＂闯关之旅                        ￥69.4                                                                购买