跟火星的電話打不通了?也許是太陽在干擾信號

大年三十前一晚,太空傳來了好消息:天問一號探測器點火剎車15分鍾,成功進入環繞火星的軌道。
中國的探測器開始了與火星的第一次「親密接觸」。

在天問一號這樣的深空探測任務中,探測器與地面的通信聯絡至關重要。地面控制人員需要通過無線電測控信號掌握探測器的運行狀態,及時發送必要的指令,接收獲取的探測數據。

跟火星的電話打不通了?也許是太陽在干擾信號

天問一號示意圖。圖片來源:http://www.smoc.ac.cn/

如此重要的深空無線電通信,也面臨着偶爾「連線」失敗的問題。對信號造成干擾的,不是未知的事物,而是我們再熟悉不過的光熱之源——太陽。

突然中斷的星際通信

1997年的2月7日,正在執行木星探測任務的伽利略號飛船,在與地面進行數據傳輸時信號突然中斷。對於其他的探測器,遇到干擾後也許可以等待一會再繼續傳輸數據。但在當時,伽利略號飛船上「網速「比較快的高增益天線已經無法正常工作,因此不得不依靠一些帶寬較低的通信鏈路進行傳輸。由於這些鏈路的「網速」不快,就要細水長流的持續傳輸。這期間通信一旦中斷,有些珍貴的科學數據可能會面臨永遠無法被傳回的風險。

跟火星的電話打不通了?也許是太陽在干擾信號

伽利略號探測器,圖中直徑最大的高增益天線在飛行過程中出現了故障。圖片來源: Wikipedia

通信的中斷使伽利略團隊的科學家和工程技術人員隨即陷入了焦慮之中,除了心疼寶貴的數據,他們更擔心探測器本身出現了故障。好在信號的中斷僅僅是暫時的,與探測器的聯絡在一段時間後又恢復了正常。

隨後的技術排查發現地面的天線設備和太空中的探測器的工作狀態都是正常的。搗亂的,是當時處於地球和探測器通信鏈路上的太陽大氣——日冕。

這似乎更讓人不解了,地球和探測器間的通信,日冕怎麼搗亂呢?

當我們仰望星空時,有時會看到星星一閃一閃的在「眨眼睛」。

這是因為星星發出的光線需要穿過地球的大氣層才能到達我們眼中,而大氣層中有時會出現不穩定的湍動——你可以將這種湍動理解成大氣的顫動。由於大氣湍動影響了空氣折射光線的過程,因此才會看到星星一閃一閃的情況。

與之類似的閃爍現象在地球與探測器的通信鏈路剛好穿過日冕時,也有可能出現。日冕不穩定的「顫動」,會使無線電的傳播出現和星星眨眼睛類似的閃爍現象,輕則會讓探測器和地球間的傳輸「網速」變慢,重則能使探測器與地球間的聯系徹底中斷。具體來說,這是因為日冕是由離子、電子已經分離的等離子體組成,能夠與電磁場發生相互作用。一旦日冕出現如「顫抖」一樣的湍動,引起信號傳輸路徑上的密度變化,就會對承載信號的電磁波傳輸產生影響。

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當地球與行星附近的探測器的通信鏈路剛好經過太陽附近的日冕時,探測器與地區間的通信就會受到干擾。圖片來源:作者自製

太陽日冕等離子體湍動對信號的影響,主要分為三種現象。如果把地球與探測器之間的通信看做打電話,那麼第一種強度的閃爍現象,就像是通話的音量會忽大忽小;第二種相位閃爍現,就像是通話的音調忽高忽低;而第三種頻率擴展現象,則意味着原本單一的通話音色變的多變,聽話者不得不一直調整適應。

太陽放「大招」,干擾通信傳輸

這種能夠對通信產生干擾的太陽活動現象有特定的名稱——日冕物質拋射(CME),它是太陽產生的一種爆發現象,簡單來說就是高密度的等離子體團從太陽附近被高速拋射到太空之中。在前進過程中,CME還會擠壓來不及躲避的背景(原來存在的)等離子體,形成激波等壓縮結構。如果日冕物質拋射的傳播軌跡剛好橫越探測器的通信鏈路,其拋射運動引起的日冕密度迅速而劇烈的變化,會在通信信號中產生嚴重的閃爍現象,這種干擾足以中斷深空通信傳輸。

在對1997年2月伽利略號通信中斷事件的事後分析中,科學家們發現當時的確有CME事件發生,而且出現的還是規模最大的暈狀CME。CME是一種偶發的爆發現象,而1997年還是太陽活動的低谷,CME的爆發並不十分頻繁。如果趕上太陽活動的高峰,CME的爆發會更加頻繁、劇烈,有可能對探測器通信造成更大的影響。

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伽利略號受到干擾時,用於監控太陽活動的SOHO飛船的LASCO日冕儀觀測到的CME現象。圖片來源:參考內容1

除了CME現象外,日冕中持續存在的冕流,也可能會妨礙通信傳輸。和偶發的CME不同,冕流是日冕中的「常態」現象,始終存在於日冕中,但其位置會隨着太陽磁場的變化而緩慢變化。冕流附近的等離子體密度較高,且存在着比較明顯的空間變化和各類小尺度時間變化。如果通信信號剛好穿過冕流附近,通信信號的閃爍也會變得明顯,對通信質量產生顯着的影響。

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日食期間拍攝的日冕結構,向外延伸只遠處的亮帶就是冕流。圖片來源:NASA

除了探測木星的伽利略號探測器外,探測火星、金星甚至太陽系以外的深空探測器,都不可避免地會受到太陽活動的干擾,探測火星的天問一號也不例外。

天問一號需要同時完成環繞、着陸和巡視探測三項任務,這對太空中數據通信的可靠性有着較高的要求。為了解決太陽帶來的麻煩,克服太陽引起的信號閃爍對深空通信可能的干擾,技術人員已經提出了多種應對策略。

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日冕儀記錄下的一次CME爆發過程。圖片來源:NASA

研究表明,通信信號的頻率越高,受太陽閃爍現象的干擾就越小。因此,技術人員們考慮採用頻率更高的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,但這個波段的信號穿透地球大氣層的能力較弱。因此在使用Ka波段進行深空通信時,可以在地球附近先設置一顆中繼衛星,衛星在接收到深空傳來的Ka波段信號後,會將其轉變為X波段信號再向地面轉發。此外,技術人員也提出可以採用具有「超強糾錯」功能的通信編碼和控制方式,增強通信鏈路的抗干擾能力。天線組陣技術也是可行的途徑之一,通過多個大型天線的組合,地面天線的收發功能能夠更加強大,也就能在出現閃爍現象時更從容的應對。

無線電閃爍不一定是壞事,也能用來搞研究

太陽活動不僅會干擾通信,異常強烈的太陽風暴還可能直接損壞探測器上的器件。2003年萬聖節前後,太陽上持續發生了一連串強烈的爆發事件。這些爆發事件除了嚴重的影響了地球附近的航天器和地面上的技術系統外,還讓在火星附近工作的美國科學探測衛星火星奧德賽號的MARIE儀器報廢。

太陽活動的確給本就未知的深空探測帶來了更大的風險。如果通過研究能夠准確的預報太陽附近的情況,技術人員就能提前分析出干擾可能發生的時間、范圍和具體形式,做好充足的准備。當太陽風暴尚在孕育中時,我們就能夠依靠對空間天氣活動的深入認識,以及超級計算機數值模型的輔助,提前對爆發的可能和影響做出判斷。一旦爆發發生,我們能夠趕在爆發傳播到地球和火星之前,預知其潛在的影響。

跟火星的電話打不通了?也許是太陽在干擾信號

使用行星際閃爍手段探測太陽風的原理圖。來源:名古屋大學

對於空間天氣研究,無線電的閃爍現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源,當日常的背景太陽風起伏或爆發的太陽風暴掠過射電源和地球的連線時,地球上接收到的天然射電源信號就會出現與深空通信類似的閃爍現象。通過對閃爍現象的分析,科學家們可以反推等離子體的速度、密度等信息。

由於衛星探測的成本高、難度大,利用衛星對太陽風暴的進行探測還存在較大困難。

通過這種行星際閃爍(IPS)的觀測方式獲取的信息,能夠很好地補足衛星觀測的「空白」,也能為衛星局地的觀測提供全局性的分析,讓我們更深入地認識太陽活動所產生的物質對地球和太陽系的影響。

跟火星的電話打不通了?也許是太陽在干擾信號

名古屋大學設置在富士山附近的IPS觀測天線  來源:名古屋大學

我國的重大科技基礎設施——子午工程二期,就部署了IPS觀測設備。這套IPS觀測設備由位於內蒙古明安圖的主站和位於內蒙古克什克騰、阿巴嘎的兩個輔站組成。三個站點的組合觀測,可以提高觀測精度,獲得更精準的太陽風參數與結構信息,為我國科學家開展空間天氣研究提供一手數據。

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子午工程二期IPS站點和主站天線示意圖,圖片來源:參考內容3

深空探測的系列任務還在繼續,挑戰不斷,通信等支持也在時刻升級,我們期待着來自太空更多的好消息……

來源:cnBeta