地球和火星之間的通信中斷或是太陽干擾

大年三十前一晚，太空傳來了好消息：天問一號(hào)探測(cè)器點(diǎn)火剎車15分鐘，成功進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。 中國(guó)的探測(cè)器開始了與火星的第一次“親密接觸”。

在天問一號(hào)這樣的深空探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)器與地面的通信聯(lián)絡(luò)至關(guān)重要。地面控制人員需要通過無線電測(cè)控信號(hào)掌握探測(cè)器的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)送必要的指令，接收獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)。

如此重要的深空無線電通信，也面臨著偶爾“連線”失敗的問題。對(duì)信號(hào)造成干擾的，不是未知的事物，而是我們?cè)偈煜げ贿^的光熱之源——太陽。

突然中斷的星際通信

1997年的2月7日，正在執(zhí)行木星探測(cè)任務(wù)的伽利略號(hào)飛船，在與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信號(hào)突然中斷。對(duì)于其他的探測(cè)器，遇到干擾后也許可以等待一會(huì)再繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。但在當(dāng)時(shí)，伽利略號(hào)飛船上“網(wǎng)速“比較快的高增益天線已經(jīng)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(jìn)行傳輸。由于這些鏈路的“網(wǎng)速”不快，就要細(xì)水長(zhǎng)流的持續(xù)傳輸。這期間通信一旦中斷，有些珍貴的科學(xué)數(shù)據(jù)可能會(huì)面臨永遠(yuǎn)無法被傳回的風(fēng)險(xiǎn)。

通信的中斷使伽利略團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家和工程技術(shù)人員隨即陷入了焦慮之中，除了心疼寶貴的數(shù)據(jù)，他們更擔(dān)心探測(cè)器本身出現(xiàn)了故障。好在信號(hào)的中斷僅僅是暫時(shí)的，與探測(cè)器的聯(lián)絡(luò)在一段時(shí)間后又恢復(fù)了正常。

隨后的技術(shù)排查發(fā)現(xiàn)地面的天線設(shè)備和太空中的探測(cè)器的工作狀態(tài)都是正常的。搗亂的，是當(dāng)時(shí)處于地球和探測(cè)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(cè)器間的通信，日冕怎么搗亂呢？

當(dāng)我們仰望星空時(shí)，有時(shí)會(huì)看到星星一閃一閃的在“眨眼睛”。

這是因?yàn)樾切前l(fā)出的光線需要穿過地球的大氣層才能到達(dá)我們眼中，而大氣層中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的湍動(dòng)——你可以將這種湍動(dòng)理解成大氣的顫動(dòng)。由于大氣湍動(dòng)影響了空氣折射光線的過程，因此才會(huì)看到星星一閃一閃的情況。

與之類似的閃爍現(xiàn)象在地球與探測(cè)器的通信鏈路剛好穿過日冕時(shí)，也有可能出現(xiàn)。日冕不穩(wěn)定的“顫動(dòng)”，會(huì)使無線電的傳播出現(xiàn)和星星眨眼睛類似的閃爍現(xiàn)象，輕則會(huì)讓探測(cè)器和地球間的傳輸“網(wǎng)速”變慢，重則能使探測(cè)器與地球間的聯(lián)系徹底中斷。具體來說，這是因?yàn)槿彰崾怯呻x子、電子已經(jīng)分離的等離子體組成，能夠與電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用。一旦日冕出現(xiàn)如“顫抖”一樣的湍動(dòng)，引起信號(hào)傳輸路徑上的密度變化，就會(huì)對(duì)承載信號(hào)的電磁波傳輸產(chǎn)生影響。

當(dāng)?shù)厍蚺c行星附近的探測(cè)器的通信鏈路剛好經(jīng)過太陽附近的日冕時(shí)，探測(cè)器與地區(qū)間的通信就會(huì)受到干擾。

太陽日冕等離子體湍動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響，主要分為三種現(xiàn)象。如果把地球與探測(cè)器之間的通信看做打電話，那么第一種強(qiáng)度的閃爍現(xiàn)象，就像是通話的音量會(huì)忽大忽小；第二種相位閃爍現(xiàn)，就像是通話的音調(diào)忽高忽低；而第三種頻率擴(kuò)展現(xiàn)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(diào)整適應(yīng)。

太陽放“大招”，干擾通信傳輸

這種能夠?qū)νㄐ女a(chǎn)生干擾的太陽活動(dòng)現(xiàn)象有特定的名稱——日冕物質(zhì)拋射（CME），它是太陽產(chǎn)生的一種爆發(fā)現(xiàn)象，簡(jiǎn)單來說就是高密度的等離子體團(tuán)從太陽附近被高速拋射到太空之中。在前進(jìn)過程中，CME還會(huì)擠壓來不及躲避的背景（原來存在的）等離子體，形成激波等壓縮結(jié)構(gòu)。如果日冕物質(zhì)拋射的傳播軌跡剛好橫越探測(cè)器的通信鏈路，其拋射運(yùn)動(dòng)引起的日冕密度迅速而劇烈的變化，會(huì)在通信信號(hào)中產(chǎn)生嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象，這種干擾足以中斷深空通信傳輸。

在對(duì)1997年2月伽利略號(hào)通信中斷事件的事后分析中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的確有CME事件發(fā)生，而且出現(xiàn)的還是規(guī)模最大的暈狀CME。CME是一種偶發(fā)的爆發(fā)現(xiàn)象，而1997年還是太陽活動(dòng)的低谷，CME的爆發(fā)并不十分頻繁。如果趕上太陽活動(dòng)的高峰，CME的爆發(fā)會(huì)更加頻繁、劇烈，有可能對(duì)探測(cè)器通信造成更大的影響。

除了CME現(xiàn)象外，日冕中持續(xù)存在的冕流，也可能會(huì)妨礙通信傳輸。和偶發(fā)的CME不同，冕流是日冕中的“常態(tài)”現(xiàn)象，始終存在于日冕中，但其位置會(huì)隨著太陽磁場(chǎng)的變化而緩慢變化。冕流附近的等離子體密度較高，且存在著比較明顯的空間變化和各類小尺度時(shí)間變化。如果通信信號(hào)剛好穿過冕流附近，通信信號(hào)的閃爍也會(huì)變得明顯，對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響。

除了探測(cè)木星的伽利略號(hào)探測(cè)器外，探測(cè)火星、金星甚至太陽系以外的深空探測(cè)器，都不可避免地會(huì)受到太陽活動(dòng)的干擾，探測(cè)火星的天問一號(hào)也不例外。

天問一號(hào)需要同時(shí)完成環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)三項(xiàng)任務(wù)，這對(duì)太空中數(shù)據(jù)通信的可靠性有著較高的要求。為了解決太陽帶來的麻煩，克服太陽引起的信號(hào)閃爍對(duì)深空通信可能的干擾，技術(shù)人員已經(jīng)提出了多種應(yīng)對(duì)策略。

研究表明，通信信號(hào)的頻率越高，受太陽閃爍現(xiàn)象的干擾就越小。因此，技術(shù)人員們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(gè)波段的信號(hào)穿透地球大氣層的能力較弱。因此在使用Ka波段進(jìn)行深空通信時(shí)，可以在地球附近先設(shè)置一顆中繼衛(wèi)星，衛(wèi)星在接收到深空傳來的Ka波段信號(hào)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)變?yōu)閄波段信號(hào)再向地面轉(zhuǎn)發(fā)。此外，技術(shù)人員也提出可以采用具有“超強(qiáng)糾錯(cuò)”功能的通信編碼和控制方式，增強(qiáng)通信鏈路的抗干擾能力。天線組陣技術(shù)也是可行的途徑之一，通過多個(gè)大型天線的組合，地面天線的收發(fā)功能能夠更加強(qiáng)大，也就能在出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象時(shí)更從容的應(yīng)對(duì)。

無線電閃爍不一定是壞事，也能用來搞研究

太陽活動(dòng)不僅會(huì)干擾通信，異常強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴還可能直接損壞探測(cè)器上的器件。2003年萬圣節(jié)前后，太陽上持續(xù)發(fā)生了一連串強(qiáng)烈的爆發(fā)事件。這些爆發(fā)事件除了嚴(yán)重的影響了地球附近的航天器和地面上的技術(shù)系統(tǒng)外，還讓在火星附近工作的美國(guó)科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星火星奧德賽號(hào)的MARIE儀器報(bào)廢。

太陽活動(dòng)的確給本就未知的深空探測(cè)帶來了更大的風(fēng)險(xiǎn)。如果通過研究能夠準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)太陽附近的情況，技術(shù)人員就能提前分析出干擾可能發(fā)生的時(shí)間、范圍和具體形式，做好充足的準(zhǔn)備。當(dāng)太陽風(fēng)暴尚在孕育中時(shí)，我們就能夠依靠對(duì)空間天氣活動(dòng)的深入認(rèn)識(shí)，以及超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)值模型的輔助，提前對(duì)爆發(fā)的可能和影響做出判斷。一旦爆發(fā)發(fā)生，我們能夠趕在爆發(fā)傳播到地球和火星之前，預(yù)知其潛在的影響。

對(duì)于空間天氣研究，無線電的閃爍現(xiàn)象也反倒是一種可利用的研究手段。宇宙中存在類星體等天然射電信號(hào)源，當(dāng)日常的背景太陽風(fēng)起伏或爆發(fā)的太陽風(fēng)暴掠過射電源和地球的連線時(shí)，地球上接收到的天然射電源信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)與深空通信類似的閃爍現(xiàn)象。通過對(duì)閃爍現(xiàn)象的分析，科學(xué)家們可以反推等離子體的速度、密度等信息。

由于衛(wèi)星探測(cè)的成本高、難度大，利用衛(wèi)星對(duì)太陽風(fēng)暴的進(jìn)行探測(cè)還存在較大困難。

通過這種行星際閃爍（IPS）的觀測(cè)方式獲取的信息，能夠很好地補(bǔ)足衛(wèi)星觀測(cè)的“空白”，也能為衛(wèi)星局地的觀測(cè)提供全局性的分析，讓我們更深入地認(rèn)識(shí)太陽活動(dòng)所產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)地球和太陽系的影響。

我國(guó)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程二期，就部署了IPS觀測(cè)設(shè)備。這套IPS觀測(cè)設(shè)備由位于內(nèi)蒙古明安圖的主站和位于內(nèi)蒙古克什克騰、阿巴嘎的兩個(gè)輔站組成。三個(gè)站點(diǎn)的組合觀測(cè)，可以提高觀測(cè)精度，獲得更精準(zhǔn)的太陽風(fēng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)信息，為我國(guó)科學(xué)家開展空間天氣研究提供一手?jǐn)?shù)據(jù)。

深空探測(cè)的系列任務(wù)還在繼續(xù)，挑戰(zhàn)不斷，通信等支持也在時(shí)刻升級(jí)，我們期待著來自太空更多的好消息……
責(zé)編AJX