航天器跟地球联系，可不是件容易的事

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。

“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。

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

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。

责编 | 丁   崝

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