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簡介：NASA火星計劃的信息傳輸托于一個名叫“深網(wǎng)”的全球工程，為保證探測器在地球自轉(zhuǎn)的任何時刻都能與地球進(jìn)行通信，該工程分別在加利福尼亞沙漠、西班牙馬德里、澳大利亞堪培拉建立通信站。

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美國宇航局需要確保毅力號火星車擁有滿格的信號強(qiáng)度。為了讓這個汽車大小的火星車能給地球“打個電話”，宇航局依賴于一個建于1958年的通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)目的。

這周一具有里程碑意義：美國宇航局毅力號火星車的10天發(fā)射倒計時正式開始了。

上圖為毅力號火星車概念圖，由美國國家航天航空局下屬的噴氣動力實驗室制造。圖源：Wikipedia

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在毅力號被送往火星之前，宇航局需保證一點：當(dāng)巡視器漫游于火星時，我們依然能與它保持聯(lián)系。通過一種名為“深空網(wǎng)絡(luò)”的全球天線網(wǎng)絡(luò)，我們有把握做到這一點。

毅力號任務(wù)的首要目標(biāo)是尋找火星上可能的遠(yuǎn)古生命存在的證據(jù)。這些證據(jù)將幫助科學(xué)家們更好的理解火星的過去（他們猜想在過去的某個時期，火星是潮濕且適宜生命生存的）。當(dāng)然，火星車會進(jìn)行些采樣封裝工作，以備未來的樣品返回。

桑尼·吉魯克斯是深空網(wǎng)絡(luò)項目研發(fā)的負(fù)責(zé)人，其所在的商業(yè)太空公司Paraton作為分包商與美國宇航局合作開展毅力號探測任務(wù)。他將與火星的通訊比作“打電話”，將通訊網(wǎng)絡(luò)本身比作諸如AT&T之類的手機(jī)供應(yīng)商，當(dāng)然，實際情況會復(fù)雜得多。

受媒體Inverse采訪時，吉魯克斯答道：“這些年來它真的沒什么實質(zhì)性的改變，硬要說有的話，不過是來回傳輸?shù)男畔⒘孔兞??！?/p>

深空網(wǎng)絡(luò)由遍布世界各地的天線網(wǎng)絡(luò)組成，上圖是其中之一，位于加州莫哈維沙漠的戈德斯通。圖源：INVERSE

深空網(wǎng)絡(luò)使用帶有專用接收器的大型天線系統(tǒng)進(jìn)行無線電頻率傳輸。該網(wǎng)絡(luò)由三大深空通訊設(shè)備組合而成，以120度地理經(jīng)度差分別放置于世界三地。其中一個設(shè)備位于加州莫哈維沙漠的戈德斯通，另外兩個分別臨近西班牙馬德里與澳大利亞堪培拉。

上圖為從北極點上空向下看的示意圖，顯示深空網(wǎng)絡(luò)觀測站的位置及視角。當(dāng)某個探測器距離地球超過30,000公里，它便隨時處于一個以上觀測站的視野之中，并將與之建立聯(lián)系。圖源：Wikipedia.

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這樣放置是為了確保在地球自轉(zhuǎn)環(huán)境的影響下，至少有一個設(shè)備能夠與宇宙飛船進(jìn)行通訊。

毅力號從地球出發(fā)時，美國宇航局將使用深空網(wǎng)絡(luò)傳送火箭發(fā)射命令，之后也將對火星車著陸、巡視任務(wù)進(jìn)行通訊指導(dǎo)。

如果宇航局不能維持通訊線路的正常運行，整個任務(wù)將前功盡棄。

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“一旦它離開地球就再沒辦法修復(fù)了?！?/p>

吉魯克斯回答道：“一旦離開地球就再沒辦法修復(fù)了，所以如果它出了故障，可能就永遠(yuǎn)無法工作了。設(shè)想我們發(fā)射了一個飛船卻無法與它有效聯(lián)絡(luò)，那將是幾百萬美元的損失?！?/p>

因此，團(tuán)隊針對如何與飛船通訊、需要多大的帶寬以及地球上通訊設(shè)備相對飛船的位置設(shè)計等問題擬定方案。另外，由于火星與地球間6.7億多千米的距離，需要考慮10-30分鐘的通訊延遲情況。

當(dāng)進(jìn)入火星車自主導(dǎo)航著陸這一基本自動化階段時，通訊延遲因素需要額外的解決方案。因為一旦著陸器進(jìn)入火星大氣，宇航局將在一段時間內(nèi)失去通訊信號，這便是所謂的“恐怖七分鐘”。

上圖為中國“天問”火星探測任務(wù)火星車懸停避障試驗，已經(jīng)于2019年11月完成。試驗?zāi)M了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降的過程，為“恐怖七分鐘”做出充足準(zhǔn)備。圖源：新華社

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吉魯克斯提到：“為了讓飛船和深空網(wǎng)絡(luò)能夠高效通訊，我們需要提前很多年去做大量的計劃和準(zhǔn)備工作。”

二十世紀(jì)六十年代始，美國宇航局開始使用深空網(wǎng)絡(luò)天線陣列與飛船通訊，平均每天向三十個飛船發(fā)送信號。

從1977年開展“旅行者號”星際探測任務(wù)（包括“旅行者一號”和“旅行者二號”兩個探測器）之后，宇航局就一直使用深空網(wǎng)絡(luò)與這對孿生探測器保持聯(lián)系。盡管現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常先進(jìn)，這種通訊方式也沒有改變。

上圖為旅行者一號飛船與地球借助深空網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊示意圖。由核電池進(jìn)行電力供應(yīng)，由圖中的“大鍋”——增益卡塞格林天線進(jìn)行深空通訊。圖源：搜狐網(wǎng)

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吉魯克斯說道：“他們當(dāng)時使用的是8字節(jié)技術(shù)，相比我們現(xiàn)在所使用的簡直小到不可思議，這是我們看到變化最大的地方。”

然而，這項技術(shù)仍然與計算機(jī)在同一技術(shù)上的運行方式相同，但比50年前先進(jìn)得多。

“過去我們的計算機(jī)系統(tǒng)體積異常龐大，而現(xiàn)在我們都能把它裝到手表上了。”吉魯克斯說道。

雖然目前的無線電傳輸技術(shù)已經(jīng)實測通過，宇航局仍在尋求向更快速高效的激光束通訊方式轉(zhuǎn)型。

上圖為美國航天局利用激光束將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸?shù)嚼@月飛行的“月球勘測軌道飛行器”上，這是人類首次利用激光在星際間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。左側(cè)為受地球大氣影響的接收圖像，右側(cè)為修正圖像。圖源：NASA

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宇航局曾發(fā)射過三個火星探測器：勇氣號、機(jī)遇號、好奇號，第三者于2012年8月著陸火星，至今仍漫游于火星表面。

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作者：INVERSE

FY：蘭陵花

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