火星探测器那么近，怎样跟它通讯？
光速约为30万千米/秒，这是电磁波的流传速率，也是人类能打仗和把握的最快速率。它仅需0.13秒就能绕地球一周，人类利用通讯设置装备摆设时乃至无法察觉到电磁波的薄弱时延。
然而，这个速率在地球和火星之间就会显得“不敷快”。
停止2020年9月中旬，中国首个火星探测器“天问一号”已经一连飞行了1.5亿千米的路程，这个长度靠近1个天文单元，也便是地球和太阳之间的间隔，假如根据光速飞行必要500秒才气走完。而“天问一号”到火星后，地球和火星最远的间隔可以到4亿千米，即便电磁波光速来回通讯都必要耗时凌驾45分钟，这充足光速围绕地球走完2万圈！
间隔还带来了一个显而易见的挑衅：随着间隔增添，探测器通讯信号强度的衰减速率与间隔的平方成正比，自身硬件噪声和宇宙配景噪声的滋扰相较而言变得变强。别的，地球在自转，火星也在自转，它们庞大的体积都市遮挡住死后的信号，极大影响通讯。对付深空探测使命而言，也一定通过地面天线时候连结对探测器的高精度跟踪导航与定位，不然就简单“失之毫厘谬以千里”。
正如两小我私家谈天，假如间隔过远（地球火星间隔）、情况过于喧华（自身硬件和宇宙配景噪声）、还每每捂住耳朵（自转等身分滋扰），谈天交换的质量可想而知。一旦丢失失有用信息（无法跟踪捕捉对方信息），就很难再规复一连对话，只能“难堪冷场”。地球与火星探测器之间交换通讯也存在这个题目。
为相识决这一系列题目，科学家和航天工程师们必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讯。
1.大尺寸的深空通讯天线
人类放射深空探测器的难度极大，比方“天问一号”重量在5吨左右，但它必要重达870吨的长征五号放射。它又包罗围绕器、着陆器和巡察器三大部门，携带了13项科研仪器。围绕器是此中焦点，它携带了能量体系、推进体系、姿控体系、支持布局和通讯体系等紧张构成，此中就包罗通讯天线【1】。
然而，因为火箭整流罩内尺寸、探测器自身布局稳健性、能量提供本领（全部分体系都必要耗电）等限定，天线注定无法做到很大。为包管“天问一号”的天线能正常事情，就一定要求地面端赔偿：一方面能尽大概放射大功率信号、抵达天问一号时能被天线捕捉，另一方面也能吸收到“天问一号”放射回地球的极其薄弱信号。
能同时实现这些要求，就一定寄托庞大尺寸的天线，它是深空通讯的焦点，尺寸/直径越大每每意味着更大的信号放射强度和吸收敏锐度。对付“天问一号”而言，必要数个35-70米直径的天线为之办事。
©️新华网
比方，中科院国度天文台建在天津的70米直径天线，是亚洲最大的单口径全可动天线，重要用来吸收“天问一号”种种科学载荷数据。它的面积靠近10个篮球场巨细，总重凌驾2700吨！【2】
2.环球无去世角笼罩深空通讯网络
因为地球是球形且在不停扭转，每个地面天线可以或许笼罩的天域总是有限的，以是必要在环球范畴内摆设深空站才气连结全天时的与深空探测器通讯。抱负情形下，三个隔断120度、匀称漫衍的深空站即可实现，比方NASA深空通讯网在金石（美国）、堪培拉（澳大利亚）和马德里（西班牙）摆设。
©️董光明等【3】
中国的方案是佳木斯（领土最东部）、喀什（领土最西部）和萨帕拉（阿根廷西部）摆设深空站，足以实现凌驾92%天域笼罩的有用通讯，其他站点也可以参加测控通讯和有用载荷科研数据吸收等。别的，中国的深空通讯网也积极参加国际联网，使用巨大网络的甚长基线丈量等方案高精度跟踪天问一号位置。中国现在是仅次于美国和欧洲的第三个拥有环球布站深空通讯网的国度【3】。
3.信号传输和处置惩罚技能升级
硬件底子之外，另一决定性意义的是软件底子：怎样将这些硬件的本领发挥到极致，乃至凌驾它们的设计成效？
随着深空探测器的功效越来越多、携带的有用载荷变得更加庞大，一个直观的表现便是必要发回地球的数据量急剧增添、信号强度却越发薄弱，靠不停增添地面天线尺寸并不克不及从基础上办理题目。因而，必要研究多个天线构成大型阵列，通过庞大的数据协同融合阐发技能，起到一个庞大尺寸天线的成效，提拔团体吸收性能。
以嫦娥使命为例，多天线吸收信号融合后才会显现最抱负的科研效果©️董光明等【3】
全部的天线硬件都市存在热噪声、误码率、相位时延和种种偏差源等，有用淘汰这些影响也等同于进步硬件焦点性能。在传统的信号波段S、C、X（2-12GHz）等之外，许多深空探测器的数据传输速率和量级需求也大幅提拔，这要求利用Ku/K/Ka（12GHz+）乃至频率更高的波段信号，这每每意味着深空通讯网硬件和软件体系的全方位升级，也是深空探测范畴久远进展一定要做的投入。
“天问一号”的背后是整其中国“天问”行星探测系列使命的巨大打算，中国的深空通讯网，也在时候升级中。
【1】耿言, 周继时, 李莎, 付中梁, 孟林智, 刘建军, 王海鹏. 我国初次火星探测使命[J]. 深空探测学报(中英文）, 2018, 5(5): 399-405.
【3】董光明，李海涛，郝万宏，等. 中国深空测控体系设置装备摆设与技能进展[J]. 深空探测学报，2018， 5(2):99-114.
