“帶我去火星”

4月29日，美國航天局（NASA）宣布將執(zhí)行“火星2020”任務(wù)的火星直升機(jī)命名為“機(jī)智”號（Ingenuity）。這個(gè)名稱來自亞拉巴馬州的中學(xué)生瓦妮扎·魯帕尼，她的提議從全美2.8萬名中小學(xué)生的投稿中勝出。而在此前的3月5日，NASA宣布新一代火星車定名為“毅力”號（Perseverance），這個(gè)名稱同樣來自一名13歲的中學(xué)生。

“火星2020”是NASA目前最重要的兩個(gè)項(xiàng)目之一（另一個(gè)是商用載人飛船）。根據(jù)計(jì)劃，“機(jī)智”號將在7、8月間與“毅力”號一起從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，預(yù)計(jì)2021年2月18日登陸火星赤道以北的耶澤洛隕石坑?！皺C(jī)智”號的任務(wù)是在火星上進(jìn)行首次動力飛行測試的技術(shù)演示，“毅力”號則負(fù)責(zé)尋找曾經(jīng)存在過的生命跡象并收集土壤樣品。這些樣品將儲存在密封設(shè)備中留在火星表面，等待今后到達(dá)火星的航天器帶回地球。

2019年5月，NASA曾舉辦過一次“送名字上火星”（Send Your Name to Mars）的活動。航天愛好者在活動網(wǎng)站提交自己的姓名和國籍后，會得到一張系統(tǒng)生成的火星“登機(jī)牌”。這次活動的參與者超過1093萬，人數(shù)最多的4個(gè)國家是土耳其、印度、美國、中國。參與者的姓名被蝕刻在硅芯片上，將隨“毅力”號一起前往火星?！暗菣C(jī)牌”右下角還特別注明，本次飛行累積的里程數(shù)是504 668 791千米。

Quick Facts

• 發(fā)射窗口：2020年7月17日至8月5日

• 發(fā)射地點(diǎn)：卡納維拉爾角空軍基地41號航天發(fā)射復(fù)合體

• 運(yùn)載火箭：宇宙神-V

• 著陸時(shí)間：2021年2月18日（預(yù)計(jì)）

• 著陸地點(diǎn)：火星耶澤洛隕石坑

發(fā)射窗口

除“火星2020”外，今年還有兩個(gè)火星探測任務(wù)蓄勢待發(fā)，即中國的“天問一號”任務(wù)和阿聯(lián)酋的“希望號”任務(wù)，2020年可謂“探火扎堆年”。原因很簡單：今年夏天是火星探測器的最佳發(fā)射窗口。

發(fā)射窗口之所以重要，是因?yàn)樵诖似陂g發(fā)射探測器能節(jié)省燃料。畢竟探測器的空間有限，需要選擇燃料消耗最少的方式前往火星。為此，探測器先在地球附近加速，進(jìn)入稱為“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”的橢圓軌道；到達(dá)火星附近時(shí)再減速，被火星捕獲后環(huán)繞其運(yùn)行。這樣一來，途中只需進(jìn)行兩次推進(jìn)操作就能到達(dá)火星，從而最大限度減少了燃料消耗。

由于探測器沿霍曼轉(zhuǎn)移軌道從地球前往火星的航行時(shí)間是不變的，因此在選擇探測器的發(fā)射時(shí)間時(shí)，地球與火星的相對位置必須滿足一個(gè)要求：霍曼轉(zhuǎn)移軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)正好與火星的公轉(zhuǎn)軌道相交。也就是說，當(dāng)探測器到達(dá)橢圓軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，火星應(yīng)該恰巧“等”在那里。這樣的機(jī)會大約每26個(gè)月出現(xiàn)一次，如果錯過則只能再等26個(gè)月。

注意，探測器的發(fā)射窗口并不是地球與火星相距最近的時(shí)候，因?yàn)樘綔y器不是沿直線、而是沿橢圓軌道（霍曼轉(zhuǎn)移軌道）前往火星的。

在好評如潮的太空模擬游戲《坎巴拉太空計(jì)劃》（KSP）中，玩家需要掌握霍曼轉(zhuǎn)移才能操作航天器從一顆行星飛往另一顆行星?！犊舶屠沼?jì)劃》也引起了航天機(jī)構(gòu)的興趣，NASA的科學(xué)家和工程師協(xié)助游戲開發(fā)商設(shè)計(jì)了火箭以及執(zhí)行任務(wù)所需的工具。

“螢火一號”：出師未捷

除“火星2020”外，今年夏天最受關(guān)注的航天活動當(dāng)屬中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”。但“天問一號”并非中國探測火星的首次嘗試，如果2011年的“螢火一號”任務(wù)沒有失敗，我們探索星辰大海的腳步可能會快很多。

“螢火一號”屬于中俄航天合作項(xiàng)目之一。當(dāng)時(shí)俄羅斯正在積極推進(jìn)“福布斯-土壤”任務(wù)，這是自蘇聯(lián)解體以來俄羅斯首次總體規(guī)劃的火星探測任務(wù)。根據(jù)原先的計(jì)劃，“螢火一號”探測器將搭乘俄方運(yùn)載火箭進(jìn)入火星軌道，然后自主開展火星空間環(huán)境的探測任務(wù)。而“福布斯-土壤”探測器將在“火衛(wèi)一”表面著陸，采集土壤樣品后返回地球。

不過俄羅斯的技術(shù)積累并不盡如人意，加上航天部門預(yù)算不足，因此很長一段時(shí)間以來沒有實(shí)施火星探測。俄羅斯的上一次火星探測任務(wù)還要追溯到1996年。當(dāng)時(shí)搭載“火星96”探測器的“質(zhì)子號”運(yùn)載火箭第四級點(diǎn)火失敗，火箭和探測器最終墜入太平洋。航天界調(diào)侃“火星不屬于俄羅斯”，但火星探測的難度極大，失敗也是平常之事。

“螢火一號”原計(jì)劃于2009年10月發(fā)射。但在發(fā)射前，俄羅斯以確保項(xiàng)目可靠性為由將發(fā)射時(shí)間延后兩年。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2011年11月9日，攜帶“螢火一號”的“福布斯-土壤”探測器從哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場升空，但不久后就從測控網(wǎng)中消失。測控中心后來發(fā)現(xiàn)，“福布斯-土壤”探測器與火箭分離后未能成功變軌，被困在地球向火星過渡的橢圓軌道上，最終于2012年1月15日墜入太平洋。

求人不如求己，“螢火一號”任務(wù)失敗后，中國決定自主進(jìn)行火星探測。但“螢火一號”只是一顆“搭便車”的微小衛(wèi)星，只負(fù)責(zé)進(jìn)入火星軌道開展探測。而現(xiàn)在從運(yùn)載火箭、軌道器、著陸器、火星車到深空測控網(wǎng)，全部需要獨(dú)立完成。這就如同原本只是搭車前往目的地，現(xiàn)在卻要自造一臺車一樣，難度可想而知。

日月安屬？列星安陳？

2016年1月11日，中國火星探測任務(wù)正式立項(xiàng)。2020年4月24日，中國首次火星探測任務(wù)定名為“天問一號”。這個(gè)名稱征集自全球近3.6萬份投稿，“天問”從最終入圍的8個(gè)候選名稱中脫穎而出。

“螢火”任務(wù)原計(jì)劃分四個(gè)階段完成“繞”、“落”、“巡”、“回”，而“天問一號”將一次性完成“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)，這在航天史上尚無先例。僅以“落”為例，所有火星探測器都要經(jīng)歷“恐怖7分鐘”的考驗(yàn)。探測器進(jìn)入火星大氣時(shí)的速度約為每秒2.1萬千米，而速度需要在7分鐘內(nèi)降至零。由于通信延時(shí)較長，因此探測器只能依靠事先注入的指令下降和著陸，且必須自行處理遇到的所有問題。

根據(jù)計(jì)劃，“天問一號”將在7、8月間從海南文昌搭乘“胖五”升空，預(yù)計(jì)2021年4月23日在火星烏托邦平原著陸，這里也是當(dāng)年“海盜二號”探測器的著陸地點(diǎn)。

烏托邦平原的直徑約為3300千米，是太陽系最大的撞擊坑?！疤靻栆惶枴蹦壳斑x定的兩個(gè)著陸點(diǎn)在埃律西昂山附近，面積約為40千米×100千米。

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2300年前，屈原在長詩《天問》中發(fā)出“日月安屬？列星安陳？”的慨嘆。再過兩個(gè)多月，“天問一號”就將踏上征程。

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Quick Facts

• 發(fā)射窗口：2020年7月23日至8月5日

• 發(fā)射地點(diǎn)：文昌航天發(fā)射場101工位

• ?運(yùn)載火箭：長征五號遙四

• 著陸時(shí)間：2021年4月23日（預(yù)計(jì)）

• 著陸地點(diǎn)：火星烏托邦平原

地火通信如何進(jìn)行

那么，數(shù)據(jù)如何從火星傳回地球呢？地火通信目前以微波或激光作為傳輸介質(zhì)，使用中繼通信模式。比如在“天問一號”任務(wù)中，軌道器將為著陸器和火星車提供中繼通信鏈路。

每次執(zhí)行火星探測任務(wù)時(shí)，探測器的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力的工作。因此科研人員設(shè)想在今后構(gòu)建一種由多顆中繼衛(wèi)星組成的火星全球定位系統(tǒng)，以承擔(dān)通信任務(wù)。簡單來說，火星車將數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)火中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星進(jìn)入與地球通信的區(qū)域后，再通過微波或激光將數(shù)據(jù)發(fā)送給地球接收系統(tǒng)（環(huán)地衛(wèi)星或地面站）。

由于兩顆行星的相對運(yùn)動，地火之間的通信延時(shí)隨時(shí)都在變化。如果“天問一號”按計(jì)劃在2021年4月23日登陸火星，那時(shí)地火之間的距離約為2.94億千米，地球發(fā)出的指令經(jīng)過16.32分鐘才能到達(dá)“天問一號”，需要等待同樣的時(shí)間才能收到“天問一號”的回復(fù)，而信號衰減尚未考慮在內(nèi)。

2021年4月23日地火單向通信延時(shí)示意圖 圖/星際移民中心

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當(dāng)?shù)厍蚺c火星相距最近時(shí)，單向通信延時(shí)約為3.5分鐘；而當(dāng)?shù)厍蚺c火星相距最遠(yuǎn)時(shí)，單向通信延時(shí)將達(dá)到22分鐘。相比之下，信息從地球傳至月球僅需1.3秒。從這個(gè)意義上說，月球可謂“近在咫尺”。

在電影《火星救援》中，男主角最初通過火星探測器的攝像機(jī)接收來自地球的信息，雙方利用十六進(jìn)制相互通信：男主角在探測器周圍插上一圈寫有數(shù)字0到9、字母A到F的牌子，攝像機(jī)指向哪個(gè)牌子就記下相應(yīng)的字符，然后對照ASCII表解讀信息。

為什么采用十六進(jìn)制而不是十進(jìn)制或二進(jìn)制呢？因?yàn)锳SCII定義了128個(gè)字符，表示同樣一個(gè)字符時(shí)，十六進(jìn)制比十進(jìn)制或二進(jìn)制使用的比特?cái)?shù)更少，攝像機(jī)轉(zhuǎn)動的次數(shù)因而更少。畢竟地球與火星之間的通信延時(shí)太長，攝像機(jī)轉(zhuǎn)動的次數(shù)越多，接收完整信息需要等待的時(shí)間就越長。

如果采用十進(jìn)制接收信息，那么攝像機(jī)需要轉(zhuǎn)動3次才能表示一個(gè)字符（000到127）。比如我們希望發(fā)送“How”，這3個(gè)字母的十進(jìn)制值分別為072、111、119，所以攝像機(jī)一共需要轉(zhuǎn)動9次。如果采用二進(jìn)制接收信息，那么攝像機(jī)需要轉(zhuǎn)動7次才能表示一個(gè)字符（0000000到1111111）。同樣以接收“How”為例，這3個(gè)字母的二進(jìn)制值分別為1001000、1101111、1110111，所以攝像機(jī)一共需要轉(zhuǎn)動21次。而采用十六進(jìn)制時(shí)，攝像機(jī)僅需轉(zhuǎn)動2次就能表示一個(gè)字符（0x00到0x7F）?！癏ow”這3個(gè)字母的十六進(jìn)制值分別為0x48、0x6F、0x77，所以攝像機(jī)只要轉(zhuǎn)動6次即可。

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地火通信并非《無線通信簡史》重點(diǎn)討論的內(nèi)容，但探尋電磁波的發(fā)展歷程是一件很有意思的事情。麥克斯韋建立電磁場理論后，赫茲率先通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。他的實(shí)驗(yàn)意義非凡，但赫茲最初并未意識到電磁波在通信中的巨大潛力，他認(rèn)為電磁波可能“毫無用處”。這位德國物理學(xué)家沒有想到，無線通信技術(shù)不僅徹底改變了人類的日常生活，也從根本上改變了世界歷史的進(jìn)程。

在移動通信領(lǐng)域，諾基亞曾經(jīng)是當(dāng)之無愧的王者。從1997年到2011年的14年間，這家芬蘭電信巨頭牢牢占據(jù)全球手機(jī)銷量第一的寶座。鼎盛時(shí)期的諾基亞為芬蘭貢獻(xiàn)了4%的國民生產(chǎn)總值和25%的出口額，芬蘭也一度被稱為“諾基亞王國”。

所以由前諾基亞副總裁來梳理這段波瀾壯闊的無線通信發(fā)展史，或許能為讀者提供觀察問題的另一個(gè)視角。作為業(yè)界知名的通信專家，彼得里·勞尼艾寧是諾基亞歷史的見證者，他以引人入勝的筆法描述了諾基亞的迭起興衰。

從無線電、電視、手機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航、身份識別、Wi-Fi到5G，如今無處不在的移動生活，或許都能追溯到150年前那個(gè)“毫無用處”的發(fā)現(xiàn)。

作者簡介

彼得里·勞尼艾寧（Petri Launiainen），前諾基亞副總裁、諾基亞巴西研發(fā)中心首席技術(shù)官，目前擔(dān)任初創(chuàng)企業(yè)Datumize首席技術(shù)官。勞尼艾寧在通信行業(yè)浸淫30余年，是業(yè)界知名的通信專家，對計(jì)算機(jī)和移動通信的發(fā)展擁有深刻洞見。

譯者簡介

譯者蔣楠，出身電子與計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的產(chǎn)品經(jīng)理，多年來致力于產(chǎn)品開發(fā)與軟件架構(gòu)規(guī)劃，對算法與數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用同樣興趣濃厚。業(yè)余科技圖書譯者，嚴(yán)肅馬拉松跑者。