深空探測的「獅吼功」和「順風耳」

作者說

手機WIFI是20毫瓦，能夠順暢接收20米外的WIFI信號；手機的功率是2瓦，能夠和2公里之外的基站順利通信，那麼遠在土星的「卡西尼」號探測器呢？「卡西尼」探測器曾經獲得土星大量而寶貴的第一手資料，這些資料是如何送回地球的呢？

卡西尼的科學成就相當耀眼，這是卡西尼10周年的數據統計

先來看看卡西尼帶的「大喇叭」！下圖中白白直徑4米的「鍋」（專業名稱叫「高增益的拋物面天線」----卡塞格倫天線）是她發射和接收信號的大天線，為了以防萬一，還帶了兩個「小鍋」----兩個低增益天線。她把核發電機700瓦功率中的很大一部分用在信號發射上，但是最多也就幾十瓦射出的功率！

要和遠在10.6個天文單位，也就是1.5億公里外，無線電波要84分鐘才能送達的地球通信還是非常困難的，急需「順風耳」！另外地球科學家指揮卡西尼做各種動作，拍照片啊，釋放惠更斯探測儀啊，也需要大嗓門的「獅吼功」！

除了頭上頂一個外，另外一個低增益天線在惠更斯背後，直徑僅有6.4cm，一斤重

別急，有深空探測網（Deep Space Network，DSN）在！

深空探測網是美國國家航空航天局為支援深空任務、無線電通信以及利用射電天文學觀察探測太陽系和宇宙的一個國際天線網路，它是地球上最大的科學研究用途的通信系統，是為了對執行月球、行星和行星際探測任務的航天器進行跟蹤、導航與通信而建立的一個地基全球分布測控網，可以提供雙向通信鏈路，對航天器進行指揮控制、跟蹤測量、遙測，以及接收圖像和科學數據等。他所服務追蹤過的探測器可以編寫一本人類航天探索史上的「名人」錄，從太陽系探測器「先驅者」號和「旅行者」號、金星探測器「水手」號、火星探測器「勇氣」號、木星探測器「伽利略」號和「朱諾」號，當然包括我們今天要說的土星探測器「卡西尼—惠更斯」號

深空探測網包括深空測控探測地面通信站和空間應答機（卡西尼等航天器）兩大部分，給地面通信站來幾個素描：

一、大，特別大

無線通信信號的衰減就與傳輸距離成對數關係，隨著探測器越往深空進發，距離地球越來越遠，接收到的信號也就越來越微弱，而且時延也越來越大，那麼大家想到的第一個辦法是，把天線做大，這樣就好比大耳朵能夠聽到更遠的聲音！（招風耳的同學肯定在說你的不是）目前深空測控地面通信站最大口徑的天線是70米，面積是3850平方米，接近10個籃球場那麼大。

美國深空探測網路DSN的最大的「鍋 」——直徑70米的拋物面天線，它可以和已經飛出太陽系的「旅行者」號進行聯絡。

這個70米的鍋也是卡塞格倫天線，此類天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為拋物面，副反射面為雙曲面。在結構上，雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點重合，雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合，而輻射源位於雙曲面的另一焦點上。

卡塞格倫天線相對於拋物面天線來講，它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變為後饋方式，結構緊湊的同時更重要的是，讓接收機可以直接放在主發射面面後面，這對於低雜訊放大器妥妥的降溫成為可能；

不過缺點是卡塞格倫天線的副反射面、副反射面的支杆以及饋源必然會在主反射面上帶來遮擋影響。

卡塞格倫天線信號接收過程

卡塞格倫天線信號發射過程

大耳朵的高靈敏度讓深空探測網危難之中現身手，當「惠更斯」探測儀和「卡西尼」探測器之間出現通訊不穩定情況的時候，深空探測網重新做了調整來直接捕捉「惠更斯」這個小不點的微弱信號，獲得更多的信息！

二、全，全球監測

深空探測網由三處地面通信站構成，一處在美國加利福尼亞的戈爾德斯敦（Goldstone），位於巴斯托市附近的莫哈維沙漠之中；一處位於西班牙馬德里（Madrid）附近；另一處位於澳大利亞的堪培拉（Canberra）附近，所有天線都具有L 、S和X頻段的接收能力以及 S 、X頻段的發射能力。相互之間經度相隔約120度，這樣可以在深空探測器的跟蹤、測量中提供連續觀測和適當的重疊弧段，讓深空探測器總能處在一座通信站的監視範圍之內，這種安排使得即便地球在自轉，監測任務三班倒不斷！

深空探測網除了讓探測器上傳或下載數據之外，還能夠起到導航的作用，讓探測器精確入軌或是軌道微調。

依靠這三隻360?覆蓋的大耳朵，收發「卡西尼」的信號未曾間斷！

其實並不只是美國人，歐洲人也有類似的深空測控網，羅塞塔探測器就是通過這種網路才能得以順利執行任務（主頁君注）

不同於NASA和ESA，我國沒有海外基地和殖民地，領土跨度也不如俄羅斯遼闊，要形成一個覆蓋全球的測控網頗具難度，但是我們也還是低調的完成了這一任務，圖為我國設置在阿根廷的內烏肯的深空測控站。與美國的三座類似，結合國內的喀什和佳木斯兩座測控站，共同構成全球深空測控網（主頁君注）

三、強，特彆強

深空探測網位於澳洲堪培拉通信站的70米直徑天線嗓門特別大，S波段發射輸出功率有足足400千瓦，都可以給200戶家庭日常用電（空調開啟）！

為此次任務配置的X波段（7-12GHz）發射器也有20千瓦，隨著她「嗷」的一聲怒吼，遙測信號發送到遠在土星的卡西尼探測器上，卡西尼聽到之後做出迅速的響應！

澳大利亞堪培拉通信站的70米天線，大概20層樓高

四、多，替補多

這麼大個頭的天線總有生病的時候，比方說馬德里70米天線，1900噸重的大胖子活生生把基座都坐出裂紋來了！生病期間不能工作，深空探測網在每一個通信站還有3個以上的替補，在70米大天線的附近還有34米天線子網和26米的「小鍋」。這些替補在大個頭休息的時候換班。

澳大利亞堪培拉的深空探測網通信站天線群

34米口徑的鍋分為兩種，波束波導BWG (beam waveguide)和HEF (high efficiency，深空網項目自己這麼叫的)兩種，其中波束波導為深空探測網最新一代天線，與老款的區別是饋源和低雜訊放大器通過平板反射鏡、二次曲面鏡、波導管連接到天線主反射面，低雜訊放大器安裝在天線下方的小房子裡面，為冷卻創造條件。對每一個頻段均設置一個低雜訊放大器（LNA），同時支持左旋極化和右旋極化（衛星接收天線的極化方式中的兩種，不需要深刻理解）。

三個地面通信站的34米天線子網聯手還能用於甚長基線干涉測量（VLBI和射電源觀測）。VLBI是very long baseline interferometry的縮寫，簡單來說，VLBI就是把幾個小望遠鏡聯合起來，分別在同一時刻接收同一射電源的信號，對各自的數據記錄進行相關運算，求出觀測值。這種干涉測量方法的優點是基線長度原則上不受限制，可長達幾千公里，因而極大地提高了解析度，達到一架大望遠鏡的觀測效果，使不同望遠鏡接收到的電磁波可以疊加成像。提出這個創新的劍橋大學的天文學家馬丁?賴爾（Martin Ryle，1918-1984）獲得1974年諾貝爾獎。

結束：

怎麼樣，有了深空探測網這個獅吼功和順風耳，「卡西尼」遠在天邊，近在眼前！一起來看一下「卡西尼」給我們傳回的土星的美麗而神秘的面容！

（全文完）

近期鑒於蘋果公司的抽成行為，I-Phone用戶打賞清掃這裡，打賞都將轉給譯者本人。

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