大年三十前一晚，太空傳(chuan) 來了好消息：天問一號探測器點火刹車15分鍾，成功進入環繞火星的軌道。

中國的探測器開始了與(yu) 火星的第一次“親(qin) 密接觸”。

在天問一號這樣的深空探測任務中，探測器與(yu) 地麵的通信聯絡至關(guan) 重要。地麵控製人員需要通過無線電測控信號掌握探測器的運行狀態，及時發送必要的指令，接收獲取的探測數據。

天問一號示意圖。圖片來源：https://www.smoc.ac.cn/

如此重要的深空無線電通信，也麵臨(lin) 著偶爾“連線”失敗的問題。對信號造成幹擾的，不是未知的事物，而是我們(men) 再熟悉不過的光熱之源——太陽。

Part.1

突然中斷的星際通信

1997年的2月7日，正在執行木星探測任務的伽利略號飛船，在與(yu) 地麵進行數據傳(chuan) 輸時信號突然中斷。對於(yu) 其他的探測器，遇到幹擾後也許可以等待一會(hui) 再繼續傳(chuan) 輸數據。但在當時，伽利略號飛船上“網速"比較快的高增益天線已經無法正常工作，因此不得不依靠一些帶寬較低的通信鏈路進行傳(chuan) 輸。由於(yu) 這些鏈路的“網速”不快，就要細水長流的持續傳(chuan) 輸。這期間通信一旦中斷，有些珍貴的科學數據可能會(hui) 麵臨(lin) 永遠無法被傳(chuan) 回的風險。

伽利略號探測器，圖中直徑最大的高增益天線在飛行過程中出現了故障。圖片來源: Wikipedia

通信的中斷使伽利略團隊的科學家和工程技術人員隨即陷入了焦慮之中，除了心疼寶貴的數據，他們(men) 更擔心探測器本身出現了故障。好在信號的中斷僅(jin) 僅(jin) 是暫時的，與(yu) 探測器的聯絡在一段時間後又恢複了正常。

隨後的技術排查發現地麵的天線設備和太空中的探測器的工作狀態都是正常的。搗亂(luan) 的，是當時處於(yu) 地球和探測器通信鏈路上的太陽大氣——日冕。

這似乎更讓人不解了，地球和探測器間的通信，日冕怎麽(me) 搗亂(luan) 呢？

當我們(men) 仰望星空時，有時會(hui) 看到星星一閃一閃的在“眨眼睛”。

這是因為(wei) 星星發出的光線需要穿過地球的大氣層才能到達我們(men) 眼中，而大氣層中有時會(hui) 出現不穩定的湍動——你可以將這種湍動理解成大氣的顫動。由於(yu) 大氣湍動影響了空氣折射光線的過程，因此才會(hui) 看到星星一閃一閃的情況。

與(yu) 之類似的閃爍現象在地球與(yu) 探測器的通信鏈路剛好穿過日冕時，也有可能出現。日冕不穩定的“顫動”，會(hui) 使無線電的傳(chuan) 播出現和星星眨眼睛類似的閃爍現象，輕則會(hui) 讓探測器和地球間的傳(chuan) 輸“網速”變慢，重則能使探測器與(yu) 地球間的聯係徹底中斷。具體(ti) 來說，這是因為(wei) 日冕是由離子、電子已經分離的等離子體(ti) 組成，能夠與(yu) 電磁場發生相互作用。一旦日冕出現如“顫抖”一樣的湍動，引起信號傳(chuan) 輸路徑上的密度變化，就會(hui) 對承載信號的電磁波傳(chuan) 輸產(chan) 生影響。

當地球與(yu) 行星附近的探測器的通信鏈路剛好經過太陽附近的日冕時，探測器與(yu) 地區間的通信就會(hui) 受到幹擾。圖片來源：作者自製

太陽日冕等離子體(ti) 湍動對信號的影響，主要分為(wei) 三種現象。如果把地球與(yu) 探測器之間的通信看做打電話，那麽(me) 第一種強度的閃爍現象，就像是通話的音量會(hui) 忽大忽小；第二種相位閃爍現，就像是通話的音調忽高忽低；而第三種頻率擴展現象，則意味著原本單一的通話音色變的多變，聽話者不得不一直調整適應。

Part.2

太陽放“大招”，幹擾通信傳(chuan) 輸

這種能夠對通信產(chan) 生幹擾的太陽活動現象有特定的名稱——日冕物質拋射（CME），它是太陽產(chan) 生的一種爆發現象，簡單來說就是高密度的等離子體(ti) 團從(cong) 太陽附近被高速拋射到太空之中。在前進過程中，CME還會(hui) 擠壓來不及躲避的背景（原來存在的）等離子體(ti) ，形成激波等壓縮結構。如果日冕物質拋射的傳(chuan) 播軌跡剛好橫越探測器的通信鏈路，其拋射運動引起的日冕密度迅速而劇烈的變化，會(hui) 在通信信號中產(chan) 生嚴(yan) 重的閃爍現象，這種幹擾足以中斷深空通信傳(chuan) 輸。

在對1997年2月伽利略號通信中斷事件的事後分析中，科學家們(men) 發現當時的確有CME事件發生，而且出現的還是規模最大的暈狀CME。CME是一種偶發的爆發現象，而1997年還是太陽活動的低穀，CME的爆發並不十分頻繁。如果趕上太陽活動的高峰，CME的爆發會(hui) 更加頻繁、劇烈，有可能對探測器通信造成更大的影響。

伽利略號受到幹擾時，用於(yu) 監控太陽活動的SOHO飛船的LASCO日冕儀(yi) 觀測到的CME現象。圖片來源：參考內(nei) 容1

除了CME現象外，日冕中持續存在的冕流，也可能會(hui) 妨礙通信傳(chuan) 輸。和偶發的CME不同，冕流是日冕中的“常態”現象，始終存在於(yu) 日冕中，但其位置會(hui) 隨著太陽磁場的變化而緩慢變化。冕流附近的等離子體(ti) 密度較高，且存在著比較明顯的空間變化和各類小尺度時間變化。如果通信信號剛好穿過冕流附近，通信信號的閃爍也會(hui) 變得明顯，對通信質量產(chan) 生顯著的影響。

日食期間拍攝的日冕結構，向外延伸隻遠處的亮帶就是冕流。圖片來源：NASA

除了探測木星的伽利略號探測器外，探測火星、金星甚至太陽係以外的深空探測器，都不可避免地會(hui) 受到太陽活動的幹擾，探測火星的天問一號也不例外。

天問一號需要同時完成環繞、著陸和巡視探測三項任務，這對太空中數據通信的可靠性有著較高的要求。為(wei) 了解決(jue) 太陽帶來的麻煩，克服太陽引起的信號閃爍對深空通信可能的幹擾，技術人員已經提出了多種應對策略。

日冕儀(yi) 記錄下的一次CME爆發過程。圖片來源：NASA

研究表明，通信信號的頻率越高，受太陽閃爍現象的幹擾就越小。因此，技術人員們(men) 考慮采用頻率更高的Ka波段來替換常用的X波段承載通信。不過Ka波段雖然能緩解太陽閃爍的帶來問題，但這個(ge) 波段的信號穿透地球大氣層的能力較弱。因此在使用Ka波段進行深空通信時，可以在地球附近先設置一顆中繼衛星，衛星在接收到深空傳(chuan) 來的Ka波段信號後，會(hui) 將其轉變為(wei) X波段信號再向地麵轉發。此外，技術人員也提出可以采用具有“超強糾錯”功能的通信編碼和控製方式，增強通信鏈路的抗幹擾能力。天線組陣技術也是可行的途徑之一，通過多個(ge) 大型天線的組合，地麵天線的收發功能能夠更加強大，也就能在出現閃爍現象時更從(cong) 容的應對。

Part.3

無線電閃爍不一定是壞事，也能用來搞研究

太陽活動不僅(jin) 會(hui) 幹擾通信，異常強烈的太陽風暴還可能直接損壞探測器上的器件。2003年萬(wan) 聖節前後，太陽上持續發生了一連串強烈的爆發事件。這些爆發事件除了嚴(yan) 重的影響了地球附近的航天器和地麵上的技術係統外，還讓在火星附近工作的美國科學探測衛星火星奧德賽號的MARIE儀(yi) 器報廢。

太陽活動的確給本就未知的深空探測帶來了更大的風險。如果通過研究能夠準確的預報太陽附近的情況，技術人員就能提前分析出幹擾可能發生的時間、範圍和具體(ti) 形式，做好充足的準備。當太陽風暴尚在孕育中時，我們(men) 就能夠依靠對空間天氣活動的深入認識，以及超級計算機數值模型的輔助，提前對爆發的可能和影響做出判斷。一旦爆發發生，我們(men) 能夠趕在爆發傳(chuan) 播到地球和火星之前，預知其潛在的影響。

使用行星際閃爍手段探測太陽風的原理圖。來源：名古屋大學

對於(yu) 空間天氣研究，無線電的閃爍現象也反倒是一種可利用的研究手段。宇宙中存在類星體(ti) 等天然射電信號源，當日常的背景太陽風起伏或爆發的太陽風暴掠過射電源和地球的連線時，地球上接收到的天然射電源信號就會(hui) 出現與(yu) 深空通信類似的閃爍現象。通過對閃爍現象的分析，科學家們(men) 可以反推等離子體(ti) 的速度、密度等信息。

由於(yu) 衛星探測的成本高、難度大，利用衛星對太陽風暴的進行探測還存在較大困難。

通過這種行星際閃爍（IPS）的觀測方式獲取的信息，能夠很好地補足衛星觀測的“空白”，也能為(wei) 衛星局地的觀測提供全局性的分析，讓我們(men) 更深入地認識太陽活動所產(chan) 生的物質對地球和太陽係的影響。

名古屋大學設置在富士山附近的IPS觀測天線 來源：名古屋大學

我國的重大科技基礎設施——子午工程二期，就部署了IPS觀測設備。這套IPS觀測設備由位於(yu) 內(nei) 蒙古明安圖的主站和位於(yu) 內(nei) 蒙古克什克騰、阿巴嘎的兩(liang) 個(ge) 輔站組成。三個(ge) 站點的組合觀測，可以提高觀測精度，獲得更精準的太陽風參數與(yu) 結構信息，為(wei) 我國科學家開展空間天氣研究提供一手數據。

子午工程二期IPS站點和主站天線示意圖，圖片來源：參考內(nei) 容3

深空探測的係列任務還在繼續，挑戰不斷，通信等支持也在時刻升級，我們(men) 期待著來自太空更多的好消息……

參考文獻：

[1]Richard Woo (2007), Space weather and deep space communications, SPACE WEATHER,5: S09004

[2]薛喜平等 (2017), 太陽風對火星探測通信信道的影響及抗閃爍策略研究, 天文研究與(yu) 技術, 14(1):110.

[3]楊 軒等 (2020), 基於(yu) 行星際閃爍望遠鏡的數字波束合成技術研究, 天文研究與(yu) 技術， 17(2):152

出品：科普中國

製作：李會(hui) 超

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

（本文中標明來源的圖片已獲得授權）

本文來源於(yu) ”中國科普博覽“公眾(zhong) 號（kepubolan），轉載請注明公眾(zhong) 號出處



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