航天员给大家拜个年,你知道有多不容易吗?
2022/3/8 科学辟谣

     1月31日除夕夜,我国三位航天员在中国空间站上,手持春联和福字,向大家拜年。喜庆之余,不知道你想过吗,他们是怎么跟地球联系的?空间站那么高的速度围着地球转,又是怎么保证联系通畅的呢?今天我们就来聊聊这个话题。

     01

     电磁波也能“反复横跳”

     “天宫课堂”,相信大家都记忆犹新,2021年12月9日15点40分,三位中国航天员在中国空间站里进行了太空授课。这堂课持续了45分钟,和普通学校的一节课时间一样。

    

     中学生观看天宫课堂 | 图虫创意

     不过,当时“天宫”可并不在我国的上空,它正在飞越南美洲-大西洋-非洲-印度洋,而从祖国大地上看,空间站一直在地平线以下。WiFi穿墙多了看视频尚且会卡,而地球的遮挡,当然也会让信号变差甚至消失,可是,我们不但能看到“天宫课堂”,还清晰流畅不卡顿,这是怎么做到的呢?这里,我们就要简单说说太空通信的一些事儿啦。

     让我们先从地面说起,1901年12月,马可尼在英国昆沃尔和加拿大纽芬兰之间,实现了横跨大西洋的超远距离无线通信。可是,大地是个球面,按照当时的理解,无线电波从英国发出,只能从纽芬兰上空1000多公里的地方飞掠过去。为什么地面能收到信号,马可尼自己也不明所以。

     后来人们知道,在距离地球表面一两百公里处,这儿的大气层高度电离,可以反射电磁波,特别是3~30兆赫的短波信号。无线电信号发出后,在大地-电离层-大地-电离层之间反复弹跳,就能绕着大地传播到很远的地方。

    

     无线电信号的传播方式 | 图虫创意

     这是不是解决了“天宫课堂”信号传输的疑问了呢?并没有。空间站运行在距地400公里的轨道上,在短波通信使用的电离层以外。从空间站发出的信号,假如也能被电离层反射,那么它遇到电离层时,就会直接弹回太空,到不了地面;而假如它能穿透电离层到达大地,那么,当它再反射时,就会穿透电离层返回太空,无法反弹多次,绕地传播。

     那么,我们该怎么办呢?我们可以用相似的思路,在空间站轨道以外,找个能反射信号的东东。

     02

     发射卫星,保障通讯

     这个好东东就是地球静止卫星。它们运行在距地面约36000公里的轨道上,随着地球自转同步公转。从地面上看,它们永远悬停在空中某处,不随日月星空东升西落。

     如果我们沿着赤道布置三颗地球静止卫星,只要角度安排均匀——比如说——每两颗之间夹角120°,就能够保证空间站总在至少一颗卫星的视野内。这三颗静止卫星之间没有地球的遮挡,交头接耳非常方便,所以只要空间站被其中一颗看到,就等于被所有三颗看到。

    

     卫星及信号传播示意图

     同理,中国大地上的信号站,总在某颗地球静止卫星的视野内,并等同于可以和所有三颗卫星建立联系。

     专门用来做信号接力的这类通信卫星,我们称之为“中继卫星”。现在,咱们在轨的“天链”中继卫星共有七颗,可以轻松覆盖天宫空间站的运行轨道。

     在最折腾的情况下,信号从地面到空间站需要经过两枚中继卫星接力。由于中继卫星的运行高度和相互距离较远,就要考虑光速了。但是,即使如此,天地通话完成“地面 - 卫星A - 卫星B - 空间站 - 卫星B - 卫星A - 地面”的一次往返,中间的延迟也只在秒级。

     中继卫星还有其他形式,比如,“嫦娥四号”月球探测器在月球背面工作,这个位置永远看不到地球。它和地球之间,就要靠“鹊桥”中继卫星来传话。“鹊桥”飘荡在地-月拉格朗日点L2附近,这个位置总是既能看到月球背面,也能看到地球,朝两边传话就十分方便。

    

     “鹊桥”中继卫星概念图

     03

     太空通信,办法还有很多

     那么,我们把视线再放远一些。如果是150万公里外的“詹姆斯·韦布”太空望远镜、5500万到4亿公里外的“天问一号”火星探测器、乃至200多亿公里外的“旅行者”探测器想和地球联系,又该怎么办呢?虽然它们携带了定向极好、衰减较少的高增益天线,信号传到地球时,还是变得相当微弱,需要用直径几十米的大锅才能收集。

    

     图虫创意

     面对这种情况,小巧的中继卫星就无能为力了,信号站必须建在地面上。好在这些探测器距离极远,一下子就能看到将近半个地球,人们只需要在地球上每隔120°放一口大锅,就能保证它们时刻能看到至少一个。

     NASA的深空网络和中国的深空测控网就是这一类的解决方案。NASA在美国加州、西班牙和澳大利亚各自部署了一个地面站,这三处设施相互间隔在120°左右,能很好地满足全天监控的需要。中国深空测控网的设施,在国内东到佳木斯,西至喀什,并在地球对面的阿根廷也摆放了一个,这就把“天问一号”火星探测器给看住了。比如,“天问一号”进入地火转移轨道后,首先捕获其信号的就是阿根廷深空站。

     将来,激光通信可能会成为下一代太空通信方式。激光的定向性好,所以能量集中,衰减小,并且可以防止窃听。它的收发设备可以做得非常轻便,能够发射到太空里去。激光比现在常用的微波频率高几个数量级,所以在通信容量上也有巨大的优势。

     所以,在聪明智慧的人类这里,有许多好法子可以玩转太空通信呢。

     作者 | 曲 炯 科普作家 作品发表于国家博物馆、国家航天局等

     审核 | 刘 勇 中国航天科普大使,中国科学院国家空间科学中心研究员,博士生导师,美国新罕布什尔大学理学博士, 中国科普作家协会理事,航天科技教育联盟特约专家

     责编 | 丁 崝

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