看天線，識衛星——漫談衛星天線（五）（完結篇）
轉載說
深空探測器，一旦踏上漫漫星際征途，就一去不返，漸行漸遠，飛得最遠的旅行者1號探測器距離地球已經有144個地日距離（AU，1個地日距離約1.5億公里）。然而依靠特殊的天線技術，地球至今仍能夠和這些無畏的使者保持聯繫。請看本期——深空探測器的「大鍋」及其測控網。
本文作者：超級Loveovergold，本文原載公眾號《衛星與網路》，轉載已獲授權。
「……小時候我一直有個夢/有一天我要飛上外太空/就像夏夜繁星閃爍……」五月天演繹這首《小時候》表達了人類一直渴望擺脫地球搖籃奔向外太空的願望。戲劇性的是，上世紀50年代中後期在冷戰鐵幕的陰影之下，蘇聯於1957年10月4日發射了人類第一顆衛星，宣布了美蘇兩個超級大國太空競賽的開始，從而加速了這個夢想的實現。
美蘇兩國互不相讓，均試圖拿下更多的「第一次」！他們的想法無疑是前衛和無懼的，從下表可以看出，人造地球衛星發射後不到1年時間裡，他們就爭相邁出了各類太空探索的第一步，步伐和手筆之大令人感慨！
圖1.1958年～1965年的10個「首次」探測項目
好比是蹣跚學步的嬰兒就試圖飛奔，這些初次嘗試的結果，無一例外均為失敗。據統計，從1958年～1965年，美蘇兩個大國發射的66個深空探測器，成功的僅有11個。失敗的原因，包含多次運載火箭的故障，但也有不少是因為深空探測特性所增加的難度。我們先分享一下蘇聯在深空探測起步階段的一些故事。
一、深空探測的先驅
——蘇聯的月神（LUNA）計劃
科羅廖夫和他的同事在1956年即開始討論探月任務的設想，1958年1月蘇聯著名的科學家馬斯蒂斯拉夫·克爾德什（Mstislav Keldysh）給科羅廖夫寫信，提出了探測器撞擊月球並拍攝圖像傳輸到地球的設想，在兩人的說服下，蘇聯政府於1958年3月20日對探月項目予以立項。
圖2.科羅廖夫和克爾德什都是功勛卓著的蘇聯科學院院士
（一）差之毫厘
，謬之千里的蘇聯
Luna
1探月
嘗試
探月的難度可想而知，蘇聯的初次嘗試選擇了撞月，因為萬一沒射中，變成繞月、環月飛行，這事也算是「首次」！為了達到11千米/秒的逃逸速度，R-7火箭加裝Block-E第三級，Block-E乾重1.12噸，在一對環形罐中貯存7噸煤油和液氧驅動RD-0105火箭發動機。從洲際彈道導彈衍生而來的R-7可以使用自主慣性制導系統飛行，雖然開發了更精確的制導和控制系統，但其精度僅為10公里左右。通過使用拜科努爾發射場兩側250公里處的一對無線電測控站組成地面無線電三邊測量和制導系統，測距精度提高到2公里，測角精確達到1/12度，結合使用多普勒頻移分析技術測速精確達到2米/秒。這種精確度對於太空探測任務至關重要！
圖3.增加了第三級的R7火箭
撞月的探測器主體為一個直徑80厘米的球形艙，由鋁鎂合金製成，重170千克，由銀鋅和氧化汞電池供電。和Sputnik-1衛星一樣，兩個半球形部分用螺栓和橡膠墊圈連接，充1.3個大氣壓的氮氣。
圖4.Luna 1探測器
科學艙帶了一些蘇聯國旗等紀念品，還包含了一對由五角形獎章和蘇聯徽章組成的不鏽鋼球體（直徑7.5和12厘米），球體內還裝了炸藥，在撞擊時爆裂並把徽章灑向月球！（不過3.3千米/秒的撞月速度，炸藥明顯多餘，而且紀念品應該都汽化了）
圖5.撞擊月球的兩個不鏽鋼球體，7.5和12厘米直徑，內有炸藥，撞擊月球放煙花
月神計劃無疑是命運多舛的！前三次發射，分別因為燃燒不穩定、火箭燃料管線中9至13Hz的共振問題、一級發動機的過氧化氫泵故障而失敗！1959年1月2日Luna 1終於成功發射，奔月速度達到11.17千米/秒。理論上撞擊月球的精度可以控制在100-200公里範圍，但由於地面導航系統中預設R7火箭無線電導航參數時出現了2°的偏差，導致Block-E多燃燒了幾秒，Luna 1錯過月球，
飛行34小時後
從
月球身邊
5995
公里
擦肩而過
，
進入日心軌道。這次「投石問路」的壯舉真可謂
「
差之毫厘，謬之千里
」
！不過即便在陰差陽錯下，Luna 1測量到月球沒有磁場，還測量到太陽發射的等離子流——「太陽風」，並獲得「第一顆人造行星」稱號。糾正了導航錯誤，1959年9月12日，蘇聯的Luna 2號精確地撞擊到月球上兩座環形山之間，這是人類文明史上第一次將人造物體降落（砸）在月球上。
（二）
軌道設計成就「
月之
暗面」的
第一個
探測器
——
Luna 3
Luna 2號的成功撞擊對於美國人來說無疑是一種刺激，但還沒等他們緩過神來，三個星期後，Luna 3號又從發射場起飛，它重約434千克，不但成為人類近距離拍攝月球照片的首枚探測器，而且向人類傳回了首張月球背面的圖片。
拍照並回傳，在當時來說是高難度動作，擺在面前的難題有：
1、膠片時代，沒有數碼相機，探測器上需要能沖洗照片並掃描成電信號回傳。
2、照相機需要對準月球。
3、沒有成熟的定向天線，發射機功率又有限，如何把照片信號可靠的回傳地球？要知道蘇聯在1957年建成的第一代測控網，一共13個站點，但均集中在北半球，只能實現部分區域的測控。
圖6.蘇聯在1957年建成的第一代測控網，13個站點均集中在北半球
針對第一個問題，列寧格勒電視科學研究所（NII-380）開發了一個光電攝像單元，結構緊湊，f / 5.6光圈的200毫米鏡頭和帶有f / 9.5光圈的500毫米鏡頭可同時拍攝兩張照片。耐溫和抗輻射的35毫米膠片技術，是通過對繳獲的美國Genetrix氣球進行逆向工程研發。40個膠片存儲在鉛襯倉中，膠片拍攝完之後顯影、定影、乾燥，來自陰極發光管的光束掃描膠片，圖像由光電倍增管讀取並輸出成像，實現了1000 x 1000的解析度。讓探測器變成了一個太空照相衝洗店。
圖7.小巧緊湊的太空沖洗掃描店
針對第二個問題，蘇聯科學家Boris Raushenbakh首次研製出探測器的三軸穩定系統，稱為Chaike（Seagull）「查克」控制系統。前後8個廣角光電管測量太陽光，下圖中（S）和（B）標註，一個窄角月光感測器（m）通過攝像窗口探測月光，三個陀螺儀（d）測量角速度，由繼電器構成的專用計算機控制8個微型噴嘴，它們可以發出1/10秒的脈衝，由壓力為150大氣壓的氮氣罐提供動力。這套系統能夠讓相機穩定對準月球拍攝。
圖8.Luna 3的三軸穩定系統，右為太陽感測器和氮氣噴嘴
第三
個問題其實最難！
受到衛星條件限制，「沖洗」完的照片數據只能使用3瓦的功率在183.6 MHz載波上發送圖片信號。地月距離在36～40萬公里範圍，是上期《GEO通信衛星的秘密 | 看天線，識衛星——漫談衛星天線（四）》講的GEO軌道的十倍，探測器發回的信號與發射同樣功率的地球同步軌道衛星信號相比，強度只有後者的1/127！當時蘇聯的地球站還不具備遠距離接收這麼微弱信號的能力，怎麼辦？
圖9.照片信號通過Luna 3頭部四根鞭狀旋轉場天線發射（183.6 MHz），功率僅3瓦
LUNA計劃發起者，蘇聯著名的科學家馬斯蒂斯拉夫·克爾德什想了個率性、大膽也是高風險的解決方案——
飛回來
再接收！
探測器借
月球引力
，輔助
機動折返
地球，
靠近
北半球
之後再傳送
信號
！
這在當時是最複雜的航天器太空機動。首先必須精確控制好R7火箭第三級的速度，Block-E關機後的速度必須比地球逃逸速度低60-90米/秒，不能超，否則回不來！
圖10.從北面出發，從北面回來，月球引力輔助機動完美解決當時蘇聯深空探測的短板
其次，要控制好方向，蘇聯跟蹤和制導系統現狀只能向北發射，但發射後必須偏轉，瞄準月球南極附近，在距離其表面幾千公里繞行，受月球引力影響後繞回地球北面，也就是蘇聯領土上方的無線電測控區域回傳數據。在Steklov數學研究所的Strela-1計算機模擬了地球、月球和太陽的引力，精確計算了軌道，並為蘇聯遠東堪察加半島的耶利佐沃遙測站和西端克里米亞南部的卡什卡山站兩個無線電測控提供了建議。
作為向人造地球衛星發射兩周年紀念的致敬，1959年10月4日，Luna 3探測器成功發射，獲得了10.855公里/秒的亞地球逃逸速度。在長途奔襲中失去測控，主要依靠定時器按照設定的時序自動開展各項工作，因此Luna 3的另一個稱謂是「The Automatic Interplanetary Station」（自動行星際站）。
圖11.在太空Luna 3尾部彈出兩根鋼帶天線構成V型偶極子測控天線（39.986 MHz）
令人佩服的是Luna 3首次成功的拍攝到了月球背面的照片。在返程中，由於回傳的信號實在太微弱，當探測器靠近地球至4萬公里時照片傳輸才得以有效進行！本次拍攝並成功洗出17張照片，其圖像需要8個小時傳輸，體裝式太陽能發電貼片的供電卻跟不上，Luna 3的無線電發射器只能傳一個小時，然後在待機模式等著用太陽能給電池充電兩小時再繼續……最終花了25小時傳送了十多張照片。
說實話，千辛萬苦傳回的照片質量相當糟糕，但卻是人類第一次見到神秘的月之暗面（The Hidden Side Of The Moon），這是首次從太空視角向人們展現月球，以至於在世界各地出版時，引起了廣泛的興奮和興趣。
圖12.月之暗面——左圖為1959年Luna 3拍攝，右圖為2009年月球勘測軌道飛行器拍攝
二、深空探測的難關和解決策略
蘇聯月神計劃中，地面僅有為數不多的10kW發射機測控站，探測器是區區數瓦的全向發射天線，這些低增益天線系統著實增加了深空探測任務的難度！
而
測控
精度上
的細微紕漏又直接影響到
任務
成功
與否。
再來看看美國，作為Pioneer / Able計劃的一部分，美國也試圖向月球發送簡陋的探測器，而所有這些任務都失敗了，Pioneer-4是1959年3月3日第一個達到地球逃逸速度的美國航天器，
執行
的月球飛越任務卻偏離了月球
有
6萬公里
之多
。
月球其實是地球人進行深空探測時家門口的第一站，都遇到了這麼多麻煩，後續怎麼辦！細細分析並歸納起來，難題可以分為三類，而通過幾十年的努力也有了一些解決策略。
（一
）
深空
探測的測控難
國際上對於測控定義為Tracking，Telemetry&Command，即前幾期經常提到的TT&C，中文通常稱之為「跟蹤、遙測及遙控」。對航天測控的跟蹤通常包含測距、測速及測角三種操作，
對於深空
探測來說，
用
雷達回波時延測試超長距離
會
面臨回波微弱
，
難以和雜訊區別
、檢測
困難的問題，
必須採用比特位長
特別長的偽隨機碼
才能
滿足
超長
距離測距的需要
；對於測角來說，傳統採用方向性極強的天線波束對準目標航天器，實現對其偏離軸向的方向和大小的測量，該方法對木星以遠的深空探測存在精度不足的問題，70年代後期採用了VLBI（甚長基線干涉測量法）。簡單來說，VLBI就是把幾個小望遠鏡聯合起來，多個測控站相隔幾千公里組成基線很長的天線陣干涉測量，分別在同一時刻接收同一射電源的信號，對各自的數據記錄並進行相關運算，求出觀測值，達到一架大望遠鏡的觀測效果，從而極大地提高了解析度，滿足精度要求。一個地日距離下，目前精度已經可以小於1nrad，相當於誤差低於150米；實時性要求高的還可以採用NASA 1990年代開發的CEI（Contiguous Elements Interferometer），連接元干涉儀技術實現實時測角。
遙測通常是指通過遙測系統來獲取航天器各系統的工作及環境狀態等信息，為航天器的運行或故障處理等提供依據，遙控是指對空間中的航天器進行遠距離控制，主要用於對航天器進行數據注入、各種開關控制、載荷控制、軌道控制和姿態控制等。遙測和遙控在數據傳輸上數量不大，一般而言實時性要求極高，然而對於深空探測來說，
3
0萬公里/秒的
光速都
嫌慢
，從下表中可以發現到月球還是秒級的時延，但對於7535～4297百萬公里以外的冥王星，單程時延已經長達4～7小時，如果有操作人員按下「發動機點火」的開關，傳遞到冥王星探測器上，黃花菜也涼了！即便是大家津津樂道的火星，單程時延也達到3.31～22.294分鐘，打電話給移民火星的地球人基本不可能，發個簡訊估計要吃上一頓飯才能收到回復，未來要打星際電話，恐怕只能指望星球大戰里的原力成真，實現全息視頻通信。
圖13.與各個行星之間的超長距離，帶來了測控和通信的大難題
因此，對於月球探測通信，還勉強可以採用准實時的遙控方式控制航天器平台和有效載荷；對於其他更遙遠的行星，需要探測器在不同飛行階段具備一定的自主導航和制導控制能力。
（二
）
深空
探測的通信難
深空探測器採集到的任務相關數據，比如照片、科學數據，往往數據量比較大，然而長距離造成了極大的信號路徑損失，降低了接收信號的信噪比，限制了傳輸速率的提高。因此，增大天線口徑，縮小波束寬度，能量儘可能集中而不浪費在空間，採用拋物面定向天線是較好的辦法，這也是題圖各式探測器大多「頭頂一口鍋」的由來。但由於受到航天器安裝尺寸、重量的限制，天線口徑受限，對於木星及以外的外行星探測還必須採用其他的辦法來提高天線增益：
1、
儘可能
增大天線口徑
，
使用更高的頻段
天線增益和天線口徑成正比，和波長的平方成反比，理論指導實踐，主要的幾個航天大國地球站口徑從一開始的26米、32米、34米，向64米、70米、100米進軍，相當於用大喇叭喊話和大耳廓聆聽；也有通過幾個天線組陣方式增加天線口徑，如在卡西尼造訪土星的時候，每天發回的數據量達到4Gb，為了解決這個問題，34米和70米口徑天線組陣滿足任務需求。
探測器上的天線口徑也一樣，阿波羅計劃探測月球使用的天線口徑僅0.6～1.5米，旅行者號增加到3.66米，1989年發射的伽利略號土星探測器增加到4.8米，幾乎達到運載火箭整流罩的容納極限。深空探測的通信頻段也在不斷提高，1960年代廣泛使用S波段作為上下行，1970年代開始啟用X波段，1990年代卡西尼號探測器甚至啟用Ka波段作為下行。更高的頻段，波長更小、天線增益更高，同時也不易受到電離層和太陽等離子區中帶電粒子的影響，不過短波長對於天線的加工精度、變形等要求增加，對地球站的熱變形、陣風變形、重力下垂變形等考驗極大。
圖14. 國際上對於深空通信上下行鏈路的頻率分配
2
、
增加
發射功率
為了提高發射功率，深空探測地球站使用數百千瓦到一千千瓦的信號放大器；對於航天器來說，採用高性能太陽能發電帆板供電，木星距離以遠的行星，採用同位素熱電偶（RTG）發電，以達到最低幾十瓦級別的發射功率。
3
、
採用
信道編碼
、
信源壓縮技術
由於信號微弱、干擾等原因，地球站接收的數據難免有錯，如果採用重傳的方式，在大時延的情況下，一來一去，會非常的痛苦。因此糾錯編碼是一種有效的辦法，現有的深空探測器都無一例外地採用了有效的糾錯編碼方案，典型方案是以卷積碼作為內碼、里德一所羅門(R-S)碼作為外碼的級聯碼。隨著計算處理能力的發展，也逐步採用具有優異性能的Toubo碼和LDPC碼等長碼進行信道編碼。
另外日常辦公使用的數據壓縮技術也當仁不讓地應用在深空探測上，在相同的傳輸能力下，能夠將更多的數據傳回地球，緩解對數據通信的壓力。只不過對於耗資巨大、千辛萬苦獲得的原始圖像和科學數據，必須採用無損壓縮，一般做到3：1的壓縮率。
5
、
降低
地面接收
系統
的雜訊溫度
深空探測任務中返回的信號十分微弱，信噪比極低，為了努力降低地面接收系統的雜訊水平，普遍在地球站採用低溫製冷超低雜訊溫度放大器。
（三
）
深空
探測的
通信
保持難
地球在不停地旋轉，要和天上的探測器保持7×24小時不間斷的通信，要求在地球表面間布下全球性的陸基深空網，理論上在地心角相距120度的地方各建一座地球測控站，即可對巡航期間的航天器進行全天時連續觀測。
深空探測雖難，但只要思想不滑坡，辦法總比困難多！兩個超級大國為了在太空競賽中拿到更多的第一，在深空探測上可謂拿出了舉國之力，然而結局卻截然不同……
三、贏在起跑線，卻未能笑到終點
——蘇聯深空探測辛酸史
拿到了撞月、探月的多個第一，也深刻認識到測控網的重要性，工欲善其事，必先利其器，蘇聯下定決心克服地球測控站的短板！
在科羅廖夫和克爾德什的提議下，1959年作為金星探測計劃的一部分，代號為「冥王星」的深空測控網項目啟動，在不到一年的時間裡，在克里米亞半島的葉夫帕托里亞建成了一座深空通信中心。
「冥王星」深空測控網由三個ADU-1000天線組成。每個天線有8個直徑16米的鋁製卡塞格倫天線，由退役柴電潛艇的原型耐壓殼體作為支撐結構，支撐結構的旋轉基座安裝在鐵路橋桁架上，而為了承受天線和基座1500噸的巨大重量，天線的旋轉底座甚至採用了重型巡洋艦三聯裝305毫米主炮塔的炮塔座圈，帶有濃濃的北極熊後現代粗曠風格。不過這些七拼八湊，其實是在和時間賽跑！
圖15. 8個直徑16米天線組陣，達到更大的天線孔徑
在北場，建造了兩個接收天線，用液氮冷卻的低雜訊參數MASER放大器接收信號，靈敏度提高了六倍，最高數據接收能力達到4Mbps/秒；距離北站8.5公里處的南站建造了一個發射機，最大發射功率80kW。「冥王星」深空測控網支持了所有蘇聯太空計劃，直到1978年Yevpatoria RT-70射電望遠鏡建成後才轉為備用系統。他是1966年美國金石（Goldstone）64米深空站之前世界上最大的深空通信系統。說實話，三體迷最擔心的事情，其實他早幹了！1962年11月19日和24日，它朝天秤座星座HD131336的方向發送了「MIR」、「LENIN」和「CCCP」！這些信息（分別為和平、列寧、蘇聯）是人類歷史上第一個向地外文明的無線電廣播，而令人感慨的是，如今，發這些信息的政體已經不復存在……
圖16. RT-70項目中P-2500天線，直徑70米，發射功率200kW
為了彌補陸基測控站的不足，蘇聯自1967年開始改裝和建造航天測量船，數量達到十多艘。其中「尤里·加加林」（Kosmonaut Yuri Gagarin）級（1909型）是世界上最著名、也是噸位最大的航天測控船，滿載排水量53500噸。另外還建造了核動力的「泰坦」（Titan）級（1941型）核動力大型情報/指揮/測控船（北約代號「白菜」）。
圖17. 「加加林」號裝有最大25米直徑的天線，能同時跟蹤2個航天器
有了深空探測的裝備，蘇聯馬不停蹄地進行了金星、火星探測……
（一
）
實為地獄——
殘酷
而痛苦
的金星探測
史
金星半徑為6051公里，和地球的6378公里非常接近，這意味著在金星地面上的重力加速度可能和地球差不多（8.87m/s2），行走跑步體感舒適，屬於星際移民加分項；其明亮的雲層反射了70％的輻射，厚厚的雲層通常被解釋為金星是一個潮濕的熱帶世界的標誌，使得金星可能具有適宜居住的氣候（儘管對金星地表水的光譜檢測產生了相互矛盾的結果）。金星比地球離太陽更近，在20世紀50年代早期，美國諾貝爾獎獲得者Harold Urey計算出金星的表面溫度為53°C（127°F）。但在20世紀50年代後期，通過觀察到一個不尋常的無線電頻譜，表明金星同時存在高溫和低溫兩種情況。科學家提出各種理論進行假設，但專業意見各不相同。看來，只有探測器降落金星實測，才能揭開厚厚雲層下的真實面目！
1960年代起，蘇聯發射了大量的金星探測器！其中有16艘航天器被命名為Venera（Venera是俄語中金星的意思，Венера），以及許多未被起名的失敗任務（主要是蘇聯喜歡報喜不報憂），為了拿第一，蘇聯硬著頭皮，失敗了再發射，這些造型千奇百怪的探測器前赴後繼，從開始發射直到第一次成功的探測經歷了6年和11次發射！
圖18.博物館展出的Venera-1模型，2米直徑的可摺疊傘狀拋物面天線無奈的耷拉著
Venera-1金星探測器重643.5千克，攜帶三組天線與地球通信。2.4米長的全向天線在近地軌道作為TT&C天線；在離開地球附近之後安裝在太陽能電池板上的T形天線以每秒1.6比特的數據速率在分米無線電波段上傳輸TT&C信號；配置了一個2米直徑的可摺疊傘狀拋物面天線，用於在922.8 MHz的頻率從金星向地球發送科學數據，這是同類天線的第三次出場和第一次成功使用（前兩次是蘇聯的Mars-1960A/B，不過兩次都沒能順利上天）！Venera-1於1961年2月發射，同年5月19日飛越金星。然而，在距離金星10萬公里左右，地面與探測器的無線電失聯，導致她沒有傳回任何數據，出師未捷身先死！不幸的事件後續接二連三出現，這裡簡要列出蘇聯金星探測的幾個里程碑：
1、
Venera-4終於
進入金星大氣層
：1967年6月12日發射後，同年10月18日著陸艙終於進入金星大氣層，展開降落傘後徐徐降落，過程中將金星大氣成分數據傳回地球，但設計極限壓強為25個大氣壓的艙體在下降到距離金星表面為24.96公里處受不了了被壓癟，信號停止發射！Venera-5號命運類似。Venera-6號著陸艙下降到距離金星表面10?12公里。2
、Venera-7終於在
金星表面
著陸
：Venera-7於1970年8月17日發射，同年12月15日到達金星，這次戰鬥民族發了點狠，著陸艙能承受180個大氣壓，沒有在下降過程中夭折，但降落傘受損，以每秒17米的速度撞擊地面並翻倒，幸免於難後雖工作了23分鐘，但偏離預定著陸區域且天線未對準，探測效果大打折扣，艱難地回傳了大氣溫度。3
、Venera-8在金星表面首次成功登陸
，工作了50多分鐘，發回了關於壓力、溫度等數據，證實了金星地獄般的惡劣大氣條件。
圖19. Venera-8著陸艙頂部是一個錐形螺旋天線
4、
Venera-9發回金星表面的第一張圖片
：1975年，Venera-9的攝像機拍攝的照片被成功發回地球，堅持工作53分鐘後香消玉殞。
圖20. Venera-9發回金星表面的第一張圖片
5
、
Venera-13發回金星地表第一張彩色圖像
：Venera-13於1981年抵達金星地表，並堅持工作了127分鐘。
圖21. Venera-13發回的金星地表第一張彩色全景圖
不能把蘇聯金星探測史當成勵志故事，作為探測器天線的專題，終於要回歸本期主題了。其實蘇聯探測器中可以學到很多螺旋天線的知識。螺旋天線除了在《看天線，識衛星——漫談衛星天線（二）》上講到組陣作為L波段定相天線外，其變種，錐形螺旋天線（Conical Spiral Antennas）由於
圓極化
、
頻帶
寬
、增益相對
較
高、天線尺寸小等
優點
，被廣泛地用作TT&C天線，並可以通過改型滿足不同場景的需要。錐形螺旋天線可以產生各種輻射方向圖，螺旋的切線與圓錐母線間的夾角稱螺旋角，螺旋角的大小在確定天線方位角上起到主要作用（另一個因素是錐體的錐角），螺旋角的角度越小，即繞線越陡，波束寬度越寬，其範圍從沿著軸發射的梨形波束到以較寬角度輻射的漏斗形波束。
圖22.螺旋角的大小確定輻射圖案，會產生兩種不同應用場景的天線
通常在蘇聯的一些衛星和探測器上能看到2~3個不同形狀的錐形天線，飛行途中通過調用不同天線波束特性的錐形螺旋天線發射和接收信號，保持和地球的聯繫，確保測控正常。
圖23. Venera-4兩種不同的錐形螺旋天線，同時也可以看到其傘狀可摺疊拋物面天線
那麼對於金星著陸任務來說，一個新問題出現了，如何把著陸器收集到的科學數據和照片回傳地球？方法有兩種，
一種是直
發
，將遙測信號直接發射到地球。這種方案看似簡單，但需要著陸器的半定向天線對準地球，卯足了勁發射信號！另一種
是
轉發
，以金星探測器軌道艙作為中繼，將著陸艙的信號轉發回地球，這個方案看上去更靠譜，但如何讓著陸艙的天線瞄準不停繞圈的軌道艙是個難題。蘇聯科學家並沒有採用會搖頭跟蹤的定向天線鍋，而是對錐形螺旋天線挖潛，充分使用其嬗變的特性，簡化著陸艙天線設計，提高可靠性（美國在後續的火星車上，採用了兩軸旋轉的定向天線）。另外考慮到著陸艙在金星也就工作幾十分鐘，但金星到地球雙向需要幾十分鐘左右的時延，著陸艙乾脆就只發送，不接收了！戰鬥民族就是這麼實在！
Venera-7金星著陸艙採用了直發的方案，天線（下圖左）的錐形螺旋天線被設計用於產生梨形天線方向圖。她本計劃降落在金星的背陽面中間，頭頂地球傳送信號。不幸的是，Venera-7以大約17米/秒的速度硬著陸在金星側面，導致信號降至正常強度的3％左右，僅發送了溫度信息，就馬上被高溫和高壓吞噬了。
圖24.Venera-7～9三個金星著陸艙配置了三種不同的錐形螺旋天線
Venera-8金星著陸艙也採用了直發的方案，由於降落地點是在金星新月形區域，探測器從金星看地球，地球是在高出地平線30°左右的側面。因此她的雙線螺旋天線（上圖中）被設計成產生漏斗形輻射方向圖，這次成功了！Venera-8的著陸艙在分米波頻帶上以1比特/秒的速度，成功傳回了關於溫度和氣壓的科學數據。
Venera-9的著陸艙（上圖右）的天線設計採用了轉發模式，其天線為四臂螺旋天線，通過調節四個相隔90°的發射單元的相位偏移，控制天線輻射方點陣圖，生成可變的波束跟蹤仍在繞金星飛行的探測器軌道艙，並將圖像和科學數據在兩個頻段上傳。
作為中繼的軌道艙的接收天線，蘇聯也喜歡使用樸實無華、簡簡單單的螺旋天線。比如Vega金星/哈雷彗星探測器，「Vega」是俄語金星Venera和俄語哈雷彗星Gallei的字母組合，她的太陽能電池板的背面可以看到大型米波段螺旋天線，是用於軌道艙和著陸艙之間的工作在186 MHz頻點上的數據鏈路天線。
圖25.Vega金星/哈雷彗星探測器頭頂著陸艙，伸出兩個「彈簧手」
直到今天，Venera/Vega系列探測器的著陸艙仍是絕無僅有的能夠觸及金星表面的航天器！但對金星的探測可以說是赴湯蹈火卻一場空，因為最終發現金星表面的氣體主要是二氧化碳（96.5%）和氮氣，根本無法呼吸，氣壓超過90個大氣壓，表面溫度更是平均超過了400攝氏度。
金星可以說是太陽系內行星中最神聖的地方，每次都在2小時內幹掉了觸碰到其表面的蘇聯探測器。金星成為了蘇聯探測器的地獄！
圖26.金星，蘇聯探測器的地獄（效果圖）
（二）火星——蘇聯深空探測科學家的夢魘
火星是自然環境最接近地球的行星，被認為是最適合人類移民的星球，是世界各國組織實施深空探測活動的重點。1957年第一顆人造地球衛星成功發射後3年，蘇聯率先起征火星，1960年10月10日和14日發射的Mars-1960A/B均為Mars 1M型號，與Venera-1探測器一樣，均為科羅廖夫的OKB-1設計局設計，結構幾乎完全相同。
圖27. Mars 1M與Venera-1設計幾乎完全相同（像不像I am your father!）
Mars 1M在天線方面值得一提的是採用直徑為2.80米的高增益拋物面天線，由7平方米的兩個太陽能電池供電；兩個低增益圓錐螺旋天線用作TT&C。
圖28. 找到直徑為2.80米的高增益拋物面天線和兩個低增益圓錐螺旋天線了嗎？
上節講到蘇聯金星探測計劃跌跌撞撞的歷程，統計從1961年到1984年超過23年的時間裡、23個Venera/Vega探測器的結果，其中有15次成功地從金星大氣層傳輸數據，而僅有11個探測器倖存到達金星地面並發回信息（數據可能由於不同的源頭和口徑有偏差），成功率不高。但蘇聯/俄羅斯的火星探測更糟糕！下表中羅列了全部20次發射任務，完全成功僅2次，部分成功2次。你可以體會到蘇聯/俄羅斯火星探測科學家和工程師的苦悶！
圖29. 蘇聯的火星探測中了「失敗」的魔咒，直至俄羅斯也怎麼樣都甩不掉
火星探測有一個窗口期，此時路程最短，一旦錯過這個窗口，就必須等待下一個，而這一等就將是漫長的26個月。
圖30.火星探測路程最短的窗口，每26個月才有一次
為了提高探測的成功率，蘇聯採取了雙保險的方案，每次發射一對，甚至把月神計劃中的撞擊大法也拿出來，試圖提高成功率！到了後期，1973年那個窗口，簡直是梭哈，一個批次發射四個，兩個環繞，兩個著陸，終於有了寥寥幾個成功，然而探測器著陸之後也是相當短命，4個「成功」和「部分成功」的含金量太低！和同時期美國的大獲全勝形成鮮明的對比，蘇聯不僅僅輸掉了載人登月，也在深空探測上完全敗下陣來。甚至在1996年和2011年，改朝換代之後的俄羅斯也再次犯下低級錯誤，由於火箭的故障，火星探測又遭遇兩連敗。
匪夷所思的是，俄羅斯於2003年6月2日在拜科努爾發射場用聯盟號/ Fregat運載火箭替歐空局發射其第一個火星快車探測器，居然一次成功！而且到目前為止，火星快車依舊工作正常。似乎火星真的不歡迎北極熊！
所有失敗的火星任務中，剔除明確的8次運載器、上面級故障，另有異常失聯8次，這當中固然有戰鬥民族作風膽大粗糙，技術基礎不紮實，以及在太空競賽中巨大的政治壓力下趕進度、動作變形的緣故，也有相當證據表明俄羅斯深空測控網不給力，比如Phobos-2在進入環繞火星軌道後失聯前最後發出的消息其實是美國人收到的。
不管怎麼說，要感謝蘇聯這位值得尊敬的參賽選手，因為他著實引領了一個時代，並讓競爭對手美國在深空探測上卯足了勁地追逐、趕超並取得全人類引以自豪的成就！
四、全球布局打好深空測控網基礎
美國9大行星探測大滿貫
在深空探測競賽中，蘇聯在起跑階段的領先著實刺痛了美國！美國決定兵分兩路，在準備阿波羅登月項目的同時，拿出一部分人力和財力進行深空探測。1962年7月22日，NASA發射了第一顆
金星探測器
——水手1號（Mariner-1），未成功。1964年11月，NASA發射了第一顆火星探測器
——水手3號，仍未成功，但緊急進行整流罩改造後，同月成功發射了水手4號，並於次年7月14日抵達距離火星表面不到9800千米的地方，拍攝了21張火星照片，同時探測到火星大氣壓還不到地球的1%，終結了所有「火星人」的科幻情節。水手4號取得了前所未有的成功！但當時美國的深空測控網還比較簡陋，數據傳輸限制在8.33比特/秒，這意味著來自水手4號的256×256像素的火星圖像需要數周才能傳輸完。美國下定決心要建設一張更紮實的深空測控網，
作為
深空
探測的千里眼和順風耳！
美國深空測控通信網簡稱深空網，即DSN(Deep Space Network)。由於地球的自轉，單個測控站的連續跟蹤能力有限(8h?10.5h)，在一個國家或組織的地域內難以做到不間斷連續跟蹤測量。美國財大氣粗，霸氣側漏，從1966年到1972年在美國加州的金石(Goldstone)、西班牙的馬德里和澳大利亞的堪培拉分別建造了64米天線，比原有26米天線靈敏度提高了六倍以上，跟蹤範圍增加了一倍多。1966年3月，金石站新裝備的64米DSS-14天線重新建立了與水手4的聯繫，把上次沒傳送的16和17兩張照片成功斷點下傳，創造奇蹟！
圖31.金石金石，石破天驚！
它們以接近120°的經度間隔均勻地分布在地球上，通過這三個深空聯合體的交互配合，可以將無覆蓋區域壓制到南大西洋等個別區域。
圖32.距地球3萬公里，波束即可以實現無縫覆蓋
（一）水手系列探測器小試牛刀初露鋒芒
水手任務是1960年代和70年代的太空計劃，其目的是訪問內太陽系和地球以外的三個行星：水星、金星和火星。
圖33.水手1/2號是美版金星探測器
水手1號因為運載器問題發射失敗，作為其備用星，水手2號在1962年8月27日發射升空，當年12月成功飛掠金星，用紅外線和微波輻射儀，證實了金星表面被厚厚的二氧化碳雲層覆蓋及其高溫地表，反駁了之前認為金星上存在海洋的理論。
圖34.水手1/2號的天線和科學儀器結構圖
水手1/2號的天線系統很大程度上是從突擊者（Ranger）探測器繼承而來，採用四個天線來滿足各種飛行中的通信要求。
1、指令天線系統由安裝在太陽能電池板背面的旋轉場天線和安裝在太陽能電池板前側的偶極天線組成，用作入軌前後的通信，工作頻段890MHz。
2、探測器在中途機動之前，由位於探測器頂端的全向天線負責和地面站進行通信，工作頻段960MHz。
3、在中途機動後並且在航天器的姿態得到糾正之後，位於探測器六角形結構底部的1.2米直徑拋物面高增益定向天線開始工作，由金屬絲網作為反射面，整個天線重量控制在5公斤以下；和Ranger 6/7一樣，採用旋轉場天線饋源發射960 MHz右旋圓極化波。
在有了初步探測結果之後，美國並沒有像蘇聯一樣死磕價值不大的金星，而是迅速研發了水手3/4號轉戰火星探測任務，搶奪另一個「第一」。
由於火星的距離比金星遠了近一倍，水手3/4號的天線較上一代探測器有兩個方面的改動：
一是高增益定向天線出現了一張新面孔，反射器是一個橢圓形拋物面，長軸為1.17米，短軸為0.53米，饋源由兩個旋轉場天線構成，由玻璃纖維支撐桁架進行固定，發射右旋圓極化，但頻段提升到S波段提高增益。
圖35.在潔凈室測試的水手3號探測器上可以看到頂部的全向天線、定向天線有改動
二是啟用S波段低增益天線替代之前的全向L波段天線，該天線為長2.1米、直徑0.10米的鋁製圓波導棍，在末端是一個帶反射器的十字形波導縫隙右旋極化波發射天線。
圖36.水手3/4號的低增益天線在進行測試
水手3號的太陽能帆板因整流罩緣故未能打開，導致探測器失效，NASA在3周內對該問題作了緊急處理，水手4號作為其姐妹探測器於1964年11月28日成功發射，到達火星後第一次拍攝了火星寫真。
搞定火星之後，NASA騰出手用水手探測器再次造訪了金星（水手5）、火星（水手6/7/8/9），賦予其更多的科學探測任務。
要完成內行星探測大滿貫，只剩下最難啃的水星，由於減速需要巨大的ΔV，做了大量隔熱改造的水手10號第一次使用一顆行星（金星）引力輔助減速到達另一顆行星（水星），順便又觀測了一次金星，成為第一個探測兩顆行星的探測器。同時她也是第一個使用太陽風作用在太陽能電池板上，積少成多輔助航向修正的航天器。
圖37.帶了雙攝像頭的水手10古靈精怪，為了防止被太陽烤焦，穿了厚厚隔熱衣
排除掉中間個別小問題，如水手7號電池氣體泄漏導致的短暫遙測信號丟失、水手10號掉油漆導致姿態失穩、水手10號星載計算機偶爾無故重啟之外，項目整體如果和蘇聯比起來，可以說是順風順水，拿下多個「第一」。沒有比較，真沒有傷害。
（二）旅行者號的外行星探測歷程
美國人下一步的雄心是把木星、土星、天王星、海王星這4顆外行星一網打盡，恰好在這個時候遇到了176年一遇的機會，這4顆行星的幾何排列會幫助深空探測器一路「化緣」借天體引力加速，完成不可能在這麼短時間內完成的探測任務。NASA設計了旅行者號兩姐妹：姐姐旅行者1號定位為「快」，主要探測木星及土星，因此比她的妹妹還要晚發射，利用更快速的軌道到達木星及土星；妹妹旅行者2號，求「穩」，被設計可以利用一個不尋常的路線來探測4顆外行星，完成史詩般的「行星之旅計劃（Planetary Grand Tour，它是NASA在60年代末、70年代初所發展的計劃）」。現在要解決的問題是超遠距離的深空測控和通信，這個距離比內行星要大一個數量級以上。
鋪墊工作其實在之前提到的水手10號上已經啟動，1973年的水手10號進行了X波段試驗。採用8GHz的X波段，同樣的收、發天線尺寸和S波段相比可以增加11.32dB的增益，換句話講可以讓10米直徑的天線發揮出36.8米的效果，優勢顯著。
水手10號探測器採用X波段與普通S波段相干下行鏈路把測距誤差下降了80%，同時還利用X波段進行更高精度的空間科學探測試驗，證明了X波段鏈路的可行性。因此旅行者號的主天線採用了S/X雙頻天線，而且是大鍋頂小鍋，一個頂三個。
圖38.遠看一口鍋，近看是S/X雙頻大鍋頂了個S頻段的小天線
旅行者號的拋物面主天線直徑3.66米，引入了一個頻率選擇副反射面（A frequency selective subreflector，FSS），這個副反射面反射高頻段X頻段信號，但對低頻段S波段暢通無阻，因此是同時作為X波段的卡塞格倫天線和S波段的正饋拋物面天線，S波段的饋源安裝在副反射面後。其中X波段的主天線增益為47dB，兼有12和22瓦兩檔功率的發射模式。另外設計者又巧妙的在副反射面上裝上了一個S波段的低增益天線，一舉三得。低增益天線直接向地球發射圓極化波，波束寬度90度，在初始飛行階段不需要精確對準，降低探測器姿態控制要求。
圖39. 旅行者號的拋物面主天線的結構
神奇的頻率選擇副反射面是Nomex蜂窩芯夾層為結構，兩麵包覆Kevlar材料，鋁製偶極子無源諧振單元整齊排列，鑲嵌在內外表面，形成對X頻段電波的反射，原理就像你家微波爐的面板，網孔形狀就能把2.4G的微波予以反射隔絕。測量數據顯示，旅行者號的這款FSS在S波段透射損耗<0.1 dB，在X波段反射損耗在0.1和0.2 dB之間。
圖40. 頻率選擇副反射面的表面貼滿十字形的陣子反射X頻段電波
隨著旅途不斷的延伸，NASA的科學家使出了各種招數，旅行者號和地面的DSN不斷接受硬體和軟體的改造以適應漸行漸遠的距離，保持通信並高速下載獲取的照片和科學數據：
1、
採用天線組陣技術
：1974年9月，金石使用兩個26米天線和64米天線進行組陣接收水手10號的信號，達到了117 kbps的速度，驗證了天線組陣技術的可行性，為旅行者號的地面信號接收能力拓展做好了技術儲備。
1980年8月中旬，64米和34米的天線組陣應用於旅行者1號，陣列增益與單獨的64米天線相比增加了0.62dB（約15％）；當旅行者2號於1981年8月到達土星時，陣列增益與單獨的64米天線相比增加了0.8dB（約20％），這是雙天線組陣迄今為止最好的工作成績。
2、
天線
改造
：在1982年?1988年期間，DSN將64米天線的直徑擴展為70米，而且同時支持X波段以及S波段來作為上行和下行傳輸的載波，大大增加了探測能力，從而可以支持旅行者2號與海王星相遇活動中的跟蹤與控制任務。
圖41.DSN金石64米站改造成為70米
3、
採用
壓縮技術：
為了更高效的傳送數據，1986年「旅行者」號探測器遭遇天王星時，NASA首次將數據壓縮技術用於深空應用中，壓縮率為2.5：1。
4
、
啟用
新的編碼技術：
旅行者2號在探測天王星時，啟用(7，1/2)卷積碼和(275，223)RS碼級連，信噪比門限下降至2.53dB，比無編碼的PSK調製改善增益7.97 dB。
5
、
採用異地天線組陣技術：
旅行者2號在抵近海王星時，位於美國加州金石的70米天線及2個34米天線，與相距1000多公里、位於新墨西哥州國家射電天文台（National Radio Astronomy Observatory，NRAO）的27個直徑25米超大規模陣列天線實現組陣，完成了高質量的信號接收任務。
圖42.位於新墨西哥州國家射電天文台豪華的天線陣列
五、後旅行者號的深空探測器時代
水手系列、先驅者系列、海盜1/2號的火星登陸以及旅行者號在冷戰的太空競賽中拿下了無數第一，完成了對太陽及各大行星的
「
泛讀
」
，求得了深空探測的極限，隨後發達國家獨立或者合作開啟了對各大行星的「
精讀
」
模式，不過美國依然是領頭羊。1989年5月5日美國發射「麥哲倫」號金星探測器。擁有直徑為3.66米的主天線，是旅行者者項目3/4號取消遺留下來的，不過在此次任務中既用做深空通信用天線，也當成雷達，而且是合成孔徑雷達的天線，以不低於300米的解析度測繪金星，這樣高的精度是以往探測金星的航天器所未曾達到的。
圖43. 「麥哲倫」號金星探測器。直徑為3.7米的主天線一物兩用
1989年發射的伽利略號木星探測器是美國和聯邦德國合作的項目，也採用了旅行者號同樣的三合一天線設計，只不過拋物面改為了可展開的傘面，直徑達到了驚人的4.8米，由2台放射性同位素熱電偶發電，可提供0～480瓦的電力。不過，陰差陽錯，這個傘在太空因為潤滑劑乾燥沒有正常打開，只能靠頂部的低增益天線臨時替補，傳輸功率僅為高增益天線的萬分之一。怎麼辦？項目團隊依靠DSN的天線組陣技術，臨時啟用更強自糾錯能力的卷積碼和R-S碼級聯降低信噪比門限，以整數餘弦變換（ICT）壓縮演算法實現高達20：1的圖像壓縮比（有損，也是無奈之舉），挽救了整個探測任務。
伽利略號木星探測器在1994年7月近距離觀察到了蘇梅克-列維九號彗星罕見的撞擊木星現象，這是人們首次直接觀測太陽系的天體撞擊事件。另外傳回的數據表明，
在木衛二的表層下可能有海洋。「木衛二上有水」的猜想
期待著
進一步的
探索
！
圖44.伽利略號借鑒了旅行者號的三合一天線設計，拋物面天線改為了可展開的傘面（實際未展開）
受到伽利略號成功的鼓舞，美國和歐洲等17國進一步合作，又研製了一個飛向土星的太空探測器，並且為了紀念法國天文學家多米尼克·卡西尼當年發現土星光環的環縫，就把這顆太空探測器取名為「卡西尼號」。「卡西尼號」還攜帶了一個專門用於探測土星最大衛星土衛六的探測器，取名為「惠更斯號」。S波段演進到X波段通信的效果是非常顯著的，科學家從1980年開始研究和開發啟用更高的Ka波段（32 GHz），可以較S波段提升22.9dB增益，卡西尼號是這個研究的受益者，她的高增益主天線可以在S/X/Ku/Ka四個無線電頻段進行信號收發。卡西尼號同樣是核能驅動，2017年，任務結束之後進入土星大氣成為一顆亮麗的流星！
圖45.卡西尼號的主天線可以在S/X/Ku/Ka四個無線電頻段進行信號收發
另外值得注意的是在天線下方的主饋源邊上，還有一些小喇叭，這其實是卡西尼號攜帶的Ku波段合成孔徑雷達的饋源，一共分為4組20個小喇叭，專門用來探測不少人提出的「最合適人類移居的星球」——「泰坦」（土衛六），
確認了
泰坦
有一個
由純液態甲烷組成的巨大「海洋」。
圖46.卡西尼號的「多用途」天線
惠更斯號探測儀原本通過卡西尼號做中繼，向地球回傳信息，但歐洲工程師犯下低級錯誤，卡西尼和惠更斯號探測器之間出現通訊障礙，這次又是深空測控網救場，做了調整直接捕捉惠更斯號發出的微弱信號，獲得了50%的照片，再一次挽救了任務。
NASA另外於2006年1月19日發射了「新視野」號探測器，其主要任務是探測冥王星及其最大的衛星「卡戎」（冥衛一）和探測位於柯伊柏帶的小行星群。但該探測器還在趕路時，國際天文學聯合會就開除了冥王星的「行星」資格，此次探測任務的意義無形中也被「降級」。
「新視野」重478.4公斤，整個外形有點像三角鋼琴頂了一口大鍋。此次去冥王星的路途非常遙遠，天線設計也頗為講究。高增益天線拋物面盤的直徑為2.1米，高增益波束僅0.3度寬，即便在遙遠的36倍日地距離下也可以達到600bit / s的回傳速率，但要求航天器準確地指向地球，這對於姿態調整來說是件辛苦的工作，要不斷地跟蹤、指令控制和指令引導，而且往往要消耗寶貴的推進劑。因此「新視野」號帶了中增益和低增益天線分別在不同階段使用。其中低增益全向天線在大約1倍日地距離下工作，為初始任務階段調試提供通信；30厘米碟形天線的中增益天線波束寬度4度，只要探測器粗粗指向地球都能滿足通信需求，簡化了任務。
圖47.新視野號的結構圖
圖48.目前新視野號正在奔往柯伊柏帶小行星群
六、結束語
本期在介紹深空探測器天線的同時，順道對人類深空探測史進行了簡要介紹。事實上，目前的深空探測已經由行星延伸到小行星，科學任務由著陸、地表漫遊取樣分析拓展到將樣品帶回地球，這方面美國、日本、歐洲暫時領先。
飛向深空的探測器取得令全人類自豪的成績，但不能忘了在地面默默無聞工作的深空測控網，可以說深空測控網能看到多遠、聽的多清、算到多准，決定了深空探測器能夠走到多遠！唯有他給力的測控，搭建起與探測器天線之間可靠的信息橋樑，才能讓我們獲知更多地外的奧秘！
視線轉到中國，我國的深空探測起步較晚，投入不多，也嘗到過俄羅斯火箭不靠譜的痛苦，但還是步履紮實往前走。新增了上海65米射電望遠鏡和佳木斯66米、喀什35米、阿根廷35米三個深空測控站。其中最大的佳木斯深空站波束寬度為0.04度，其深空探測作用距離達到4億公里，為嫦娥1～3號探月任務保駕護航，協助攻克了「繞、落、回」前兩個難關！
圖49.佳木斯深空站的工作人員
（來源 | 科學大院）
據悉嫦娥四號將在2018年12月8日凌晨發射，此次任務將實現人類首次在月球背面登陸，任務相關的「鵲橋」中繼星也已發射成功。衷心祝願此次任務成功，讓我國在深空探測上能夠越走越遠！
--（全文完）--
上期文末的競猜答案：
這個探測器是錢德拉X射線天文觀測站（Chandra X-ray Observatory，縮寫為CXO），NASA於1999年發射，目的是觀測天體的X射線輻射，被認為是X射線天文學上具有里程碑意義的空間望遠鏡。
參考：
1、Don P. Mitchell著《Venera: The Soviet Exploration of Venus》
2、William A. Imbriale編著《Spaceborne Antennas for Planetary Exploration》
3、姜昌著《深空通信跟蹤的根本問題國際解決現狀和我國對策》
我，一個孤獨的行者（ 新浪微博ID:超超級Loveovergold），原創不易！轉載請註明出處！
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