深空探测 | 看天线，识卫星——漫谈卫星天线（五）
“……小时候我一直有个梦/有一天我要飞上外太空/就像夏夜繁星闪烁……”五月天演绎这首《小时候》表达了人类一直渴望摆脱地球摇篮奔向外太空的愿望。戏剧性的是，上世纪50年代中后期在冷战铁幕的阴影之下，苏联于1957年10月4日发射了人类第一颗卫星，宣布了美苏两个超级大国太空竞赛的开始，从而加速了这个梦想的实现。
美苏两国互不相让，均试图拿下更多的“第一次”！他们的想法无疑是前卫和无惧的，从下表可以看出，人造地球卫星发射后不到1年时间里，他们就争相迈出了各类太空探索的第一步，步伐和手笔之大令人感慨！
图1.1958年～1965年的10个“首次”探测项目
好比是蹒跚学步的婴儿就试图飞奔，这些初次尝试的结果，无一例外均为失败。据统计，从1958年～1965年，美苏两个大国发射的66个深空探测器，成功的仅有11个。失败的原因，包含多次运载火箭的故障，但也有不少是因为深空探测特性所增加的难度。我们先分享一下苏联在深空探测起步阶段的一些故事。
一、深空探测的先驱
——苏联的月神（LUNA）计划
科罗廖夫和他的同事在1956年即开始讨论探月任务的设想，1958年1月苏联著名的科学家马斯蒂斯拉夫·克尔德什（Mstislav Keldysh）给科罗廖夫写信，提出了探测器撞击月球并拍摄图像传输到地球的设想，在两人的说服下，苏联政府于1958年3月20日对探月项目予以立项。
图2.科罗廖夫和克尔德什都是功勋卓著的苏联科学院院士
（一）差之毫厘，谬之千里的苏联Luna 1探月尝试
探月的难度可想而知，苏联的初次尝试选择了撞月，因为万一没射中，变成绕月、环月飞行，这事也算是“首次”！为了达到11千米/秒的逃逸速度，R-7火箭加装Block-E第三级，Block-E干重1.12吨，在一对环形罐中贮存7吨煤油和液氧驱动RD-0105火箭发动机。从洲际弹道导弹衍生而来的R-7可以使用自主惯性制导系统飞行，虽然开发了更精确的制导和控制系统，但其精度仅为10公里左右。通过使用拜科努尔发射场两侧250公里处的一对无线电测控站组成地面无线电三边测量和制导系统，测距精度提高到2公里，测角精确达到1/12度，结合使用多普勒频移分析技术测速精确达到2米/秒。这种精确度对于太空探测任务至关重要！
图3.增加了第三级的R7火箭
撞月的探测器主体为一个直径80厘米的球形舱，由铝镁合金制成，重170千克，由银锌和氧化汞电池供电。和Sputnik-1卫星一样，两个半球形部分用螺栓和橡胶垫圈连接，充1.3个大气压的氮气。
图4.Luna 1探测器
科学舱带了一些苏联国旗等纪念品，还包含了一对由五角形奖章和苏联徽章组成的不锈钢球体（直径7.5和12厘米），球体内还装了炸药，在撞击时爆裂并把徽章洒向月球！（不过3.3千米/秒的撞月速度，炸药明显多余，而且纪念品应该都汽化了）
图5.撞击月球的两个不锈钢球体，7.5和12厘米直径，内有炸药，撞击月球放烟花
月神计划无疑是命运多舛的！前三次发射，分别因为燃烧不稳定、火箭燃料管线中9至13Hz的共振问题、一级发动机的过氧化氢泵故障而失败！1959年1月2日Luna 1终于成功发射，奔月速度达到11.17千米/秒。理论上撞击月球的精度可以控制在100-200公里范围，但由于地面导航系统中预设R7火箭无线电导航参数时出现了2°的偏差，导致Block-E多燃烧了几秒，Luna 1错过月球，飞行34小时后从月球身边5995公里擦肩而过，进入日心轨道。
这次“投石问路”的壮举真可谓“差之毫厘，谬之千里”！不过即便在阴差阳错下，Luna 1测量到月球没有磁场，还测量到太阳发射的等离子流——“太阳风”，并获得“第一颗人造行星”称号。
纠正了导航错误，1959年9月12日，苏联的Luna 2号精确地撞击到月球上两座环形山之间，这是人类文明史上第一次将人造物体降落（砸）在月球上。
（二）轨道设计成就“月之暗面”的第一个探测器——Luna 3
Luna 2号的成功撞击对于美国人来说无疑是一种刺激，但还没等他们缓过神来，三个星期后，Luna 3号又从发射场起飞，它重约434千克，不但成为人类近距离拍摄月球照片的首枚探测器，而且向人类传回了首张月球背面的图片。
拍照并回传，在当时来说是高难度动作，摆在面前的难题有：
1、胶片时代，没有数码相机，探测器上需要能冲洗照片并扫描成电信号回传。
2、照相机需要对准月球。
3、没有成熟的定向天线，发射机功率又有限，如何把照片信号可靠的回传地球？要知道苏联在1957年建成的第一代测控网，一共13个站点，但均集中在北半球，只能实现部分区域的测控。
图6.苏联在1957年建成的第一代测控网，13个站点均集中在北半球
针对第一个问题，列宁格勒电视科学研究所（NII-380）开发了一个光电摄像单元，结构紧凑，f / 5.6光圈的200毫米镜头和带有f / 9.5光圈的500毫米镜头可同时拍摄两张照片。耐温和抗辐射的35毫米胶片技术，是通过对缴获的美国Genetrix气球进行逆向工程研发。40个胶片存储在铅衬仓中，胶片拍摄完之后显影、定影、干燥，来自阴极发光管的光束扫描胶片，图像由光电倍增管读取并输出成像，实现了1000 x 1000的分辨率。让探测器变成了一个太空照相冲洗店。
图7.小巧紧凑的太空冲洗扫描店
针对第二个问题，苏联科学家Boris Raushenbakh首次研制出探测器的三轴稳定系统，称为Chaike（Seagull）“查克”控制系统。前后8个广角光电管测量太阳光，下图中（S）和（B）标注，一个窄角月光传感器（m）通过摄像窗口探测月光，三个陀螺仪（d）测量角速度，由继电器构成的专用计算机控制8个微型喷嘴，它们可以发出1/10秒的脉冲，由压力为150大气压的氮气罐提供动力。这套系统能够让相机稳定对准月球拍摄。
图8.Luna 3的三轴稳定系统，右为太阳传感器和氮气喷嘴
第三个问题其实最难！受到卫星条件限制，“冲洗”完的照片数据只能使用3瓦的功率在183.6 MHz载波上发送图片信号。地月距离在36～40万公里范围，是上期《GEO通信卫星的秘密 | 看天线，识卫星——漫谈卫星天线（四）》讲的GEO轨道的十倍，探测器发回的信号与发射同样功率的地球同步轨道卫星信号相比，强度只有后者的1/127！当时苏联的地球站还不具备远距离接收这么微弱信号的能力，怎么办？
图9.照片信号通过Luna 3头部四根鞭状旋转场天线发射（183.6 MHz），功率仅3瓦
LUNA计划发起者，苏联著名的科学家马斯蒂斯拉夫·克尔德什想了个率性、大胆也是高风险的解决方案——飞回来再接收！探测器借月球引力，辅助机动折返地球，靠近北半球之后再传送信号！这在当时是最复杂的航天器太空机动。
首先必须精确控制好R7火箭第三级的速度，Block-E关机后的速度必须比地球逃逸速度低60-90米/秒，不能超，否则回不来！
图10.从北面出发，从北面回来，月球引力辅助机动完美解决当时苏联深空探测的短板
其次，要控制好方向，苏联跟踪和制导系统现状只能向北发射，但发射后必须偏转，瞄准月球南极附近，在距离其表面几千公里绕行，受月球引力影响后绕回地球北面，也就是苏联领土上方的无线电测控区域回传数据。在Steklov数学研究所的Strela-1计算机模拟了地球、月球和太阳的引力，精确计算了轨道，并为苏联远东堪察加半岛的耶利佐沃遥测站和西端克里米亚南部的卡什卡山站两个无线电测控提供了建议。
作为向人造地球卫星发射两周年纪念的致敬，1959年10月4日，Luna 3探测器成功发射，获得了10.855公里/秒的亚地球逃逸速度。在长途奔袭中失去测控，主要依靠定时器按照设定的时序自动开展各项工作，因此Luna 3的另一个称谓是“The Automatic Interplanetary Station”（自动行星际站）。
图11.在太空Luna 3尾部弹出两根钢带天线构成V型偶极子测控天线（39.986 MHz）
令人佩服的是Luna 3首次成功的拍摄到了月球背面的照片。在返程中，由于回传的信号实在太微弱，当探测器靠近地球至4万公里时照片传输才得以有效进行！本次拍摄并成功洗出17张照片，其图像需要8个小时传输，体装式太阳能发电贴片的供电却跟不上，Luna 3的无线电发射器只能传一个小时，然后在待机模式等着用太阳能给电池充电两小时再继续……最终花了25小时传送了十多张照片。
说实话，千辛万苦传回的照片质量相当糟糕，但却是人类第一次见到神秘的月之暗面（The Hidden Side Of The Moon），这是首次从太空视角向人们展现月球，以至于在世界各地出版时，引起了广泛的兴奋和兴趣。
图12.月之暗面——左图为1959年Luna 3拍摄，右图为2009年月球勘测轨道飞行器拍摄
苏联月神计划中，地面仅有为数不多的10kW发射机测控站，探测器是区区数瓦的全向发射天线，这些低增益天线系统着实增加了深空探测任务的难度！而测控精度上的细微纰漏又直接影响到任务成功与否。
再来看看美国，作为Pioneer / Able计划的一部分，美国也试图向月球发送简陋的探测器，而所有这些任务都失败了，Pioneer-4是1959年3月3日第一个达到地球逃逸速度的美国航天器，执行的月球飞越任务却偏离了月球有6万公里之多。
月球其实是地球人进行深空探测时家门口的第一站，都遇到了这么多麻烦，后续怎么办！细细分析并归纳起来，难题可以分为三类，而通过几十年的努力也有了一些解决策略。
（一）深空探测的测控难
国际上对于测控定义为Tracking，Telemetry&Command，即前几期经常提到的TT&C，中文通常称之为“跟踪、遥测及遥控”。对航天测控的跟踪通常包含测距、测速及测角三种操作，对于深空探测来说，用雷达回波时延测试超长距离会面临回波微弱，难以和噪声区别、检测困难的问题，必须采用比特位长特别长的伪随机码才能满足超长距离测距的需要；对于测角来说，传统采用方向性极强的天线波束对准目标航天器，实现对其偏离轴向的方向和大小的测量，该方法对木星以远的深空探测存在精度不足的问题，70年代后期采用了VLBI（甚长基线干涉测量法）。
简单来说，VLBI就是把几个小望远镜联合起来，多个测控站相隔几千公里组成基线很长的天线阵干涉测量，分别在同一时刻接收同一射电源的信号，对各自的数据记录并进行相关运算，求出观测值，达到一架大望远镜的观测效果，从而极大地提高了分辨率，满足精度要求。一个地日距离下，目前精度已经可以小于1nrad，相当于误差低于150米；实时性要求高的还可以采用NASA 1990年代开发的CEI（Contiguous Elements Interferometer），连接元干涉仪技术实现实时测角。
遥测通常是指通过遥测系统来获取航天器各系统的工作及环境状态等信息，为航天器的运行或故障处理等提供依据，遥控是指对空间中的航天器进行远距离控制，主要用于对航天器进行数据注入、各种开关控制、载荷控制、轨道控制和姿态控制等。遥测和遥控在数据传输上数量不大，一般而言实时性要求极高，然而对于深空探测来说，30万公里/秒的光速都嫌慢，从下表中可以发现到月球还是秒级的时延，但对于7535～4297百万公里以外的冥王星，单程时延已经长达4～7小时，如果有操作人员按下“发动机点火”的开关，传递到冥王星探测器上，黄花菜也凉了！即便是大家津津乐道的火星，单程时延也达到3.31～22.294分钟，打电话给移民火星的地球人基本不可能，发个短信估计要吃上一顿饭才能收到回复，未来要打星际电话，恐怕只能指望星球大战里的原力成真，实现全息视频通信。
图13.与各个行星之间的超长距离，带来了测控和通信的大难题
因此，对于月球探测通信，还勉强可以采用准实时的遥控方式控制航天器平台和有效载荷；对于其他更遥远的行星，需要探测器在不同飞行阶段具备一定的自主导航和制导控制能力。
（二）深空探测的通信难
深空探测器采集到的任务相关数据，比如照片、科学数据，往往数据量比较大，然而长距离造成了极大的信号路径损失，降低了接收信号的信噪比，限制了传输速率的提高。因此，增大天线口径，缩小波束宽度，能量尽可能集中而不浪费在空间，采用抛物面定向天线是较好的办法，这也是题图各式探测器大多“头顶一口锅”的由来。但由于受到航天器安装尺寸、重量的限制，天线口径受限，对于木星及以外的外行星探测还必须采用其他的办法来提高天线增益：
1、尽可能增大天线口径，使用更高的频段
天线增益和天线口径成正比，和波长的平方成反比，理论指导实践，主要的几个航天大国地球站口径从一开始的26米、32米、34米，向64米、70米、100米进军，相当于用大喇叭喊话和大耳廓聆听；也有通过几个天线组阵方式增加天线口径，如在卡西尼造访土星的时候，每天发回的数据量达到4Gb，为了解决这个问题，34米和70米口径天线组阵满足任务需求。
探测器上的天线口径也一样，阿波罗计划探测月球使用的天线口径仅0.6～1.5米，旅行者号增加到3.66米，1989年发射的伽利略号土星探测器增加到4.8米，几乎达到运载火箭整流罩的容纳极限。深空探测的通信频段也在不断提高，1960年代广泛使用S波段作为上下行，1970年代开始启用X波段，1990年代卡西尼号探测器甚至启用Ka波段作为下行。更高的频段，波长更小、天线增益更高，同时也不易受到电离层和太阳等离子区中带电粒子的影响，不过短波长对于天线的加工精度、变形等要求增加，对地球站的热变形、阵风变形、重力下垂变形等考验极大。
图14. 国际上对于深空通信上下行链路的频率分配
2、增加发射功率
为了提高发射功率，深空探测地球站使用数百千瓦到一千千瓦的信号放大器；对于航天器来说，采用高性能太阳能发电帆板供电，木星距离以远的行星，采用同位素热电偶（RTG）发电，以达到最低几十瓦级别的发射功率。
3、采用信道编码、信源压缩技术
由于信号微弱、干扰等原因，地球站接收的数据难免有错，如果采用重传的方式，在大时延的情况下，一来一去，会非常的痛苦。因此纠错编码是一种有效的办法，现有的深空探测器都无一例外地采用了有效的纠错编码方案，典型方案是以卷积码作为内码、里德一所罗门(R-S)码作为外码的级联码。随着计算处理能力的发展，也逐步采用具有优异性能的Toubo码和LDPC码等长码进行信道编码。
另外日常办公使用的数据压缩技术也当仁不让地应用在深空探测上，在相同的传输能力下，能够将更多的数据传回地球，缓解对数据通信的压力。只不过对于耗资巨大、千辛万苦获得的原始图像和科学数据，必须采用无损压缩，一般做到3：1的压缩率。
5、降低地面接收系统的噪声温度
深空探测任务中返回的信号十分微弱，信噪比极低，为了努力降低地面接收系统的噪声水平，普遍在地球站采用低温制冷超低噪声温度放大器。
（三）深空探测的通信保持难
地球在不停地旋转，要和天上的探测器保持7×24小时不间断的通信，要求在地球表面间布下全球性的陆基深空网，理论上在地心角相距120度的地方各建一座地球测控站，即可对巡航期间的航天器进行全天时连续观测。
深空探测虽难，但只要思想不滑坡，办法总比困难多！两个超级大国为了在太空竞赛中拿到更多的第一，在深空探测上可谓拿出了举国之力，然而结局却截然不同……
三、赢在起跑线，却未能笑到终点
——苏联深空探测辛酸史
拿到了撞月、探月的多个第一，也深刻认识到测控网的重要性，工欲善其事，必先利其器，苏联下定决心克服地球测控站的短板！
在科罗廖夫和克尔德什的提议下，1959年作为金星探测计划的一部分，代号为“冥王星”的深空测控网项目启动，在不到一年的时间里，在克里米亚半岛的叶夫帕托里亚建成了一座深空通信中心。
“冥王星”深空测控网由三个ADU-1000天线组成。每个天线有8个直径16米的铝制卡塞格伦天线，由退役柴电潜艇的原型耐压壳体作为支撑结构，支撑结构的旋转基座安装在铁路桥桁架上，而为了承受天线和基座1500吨的巨大重量，天线的旋转底座甚至采用了重型巡洋舰三联装305毫米主炮塔的炮塔座圈，带有浓浓的北极熊后现代粗旷风格。不过这些七拼八凑，其实是在和时间赛跑！
图15. 8个直径16米天线组阵，达到更大的天线孔径
在北场，建造了两个接收天线，用液氮冷却的低噪声参数MASER放大器接收信号，灵敏度提高了六倍，最高数据接收能力达到4Mbps/秒；距离北站8.5公里处的南站建造了一个发射机，最大发射功率80kW。“冥王星”深空测控网支持了所有苏联太空计划，直到1978年Yevpatoria RT-70射电望远镜建成后才转为备用系统。他是1966年美国金石（Goldstone）64米深空站之前世界上最大的深空通信系统。说实话，三体迷最担心的事情，其实他早干了！1962年11月19日和24日，它朝天秤座星座HD131336的方向发送了“MIR”、“LENIN”和“CCCP”！这些信息（分别为和平、列宁、苏联）是人类历史上第一个向地外文明的无线电广播，而令人感慨的是，如今，发这些信息的政体已经不复存在……
图16. RT-70项目中P-2500天线，直径70米，发射功率200kW
为了弥补陆基测控站的不足，苏联自1967年开始改装和建造航天测量船，数量达到十多艘。其中“尤里·加加林”（Kosmonaut Yuri Gagarin）级（1909型）是世界上最著名、也是吨位最大的航天测控船，满载排水量53500吨。另外还建造了核动力的“泰坦”（Titan）级（1941型）核动力大型情报/指挥/测控船（北约代号“白菜”）。
图17. “加加林”号装有最大25米直径的天线，能同时跟踪2个航天器
有了深空探测的装备，苏联马不停蹄地进行了金星、火星探测……
（一）实为地狱——残酷而痛苦的金星探测史
金星半径为6051公里，和地球的6378公里非常接近，这意味着在金星地面上的重力加速度可能和地球差不多（8.87m/s²），行走跑步体感舒适，属于星际移民加分项；其明亮的云层反射了70％的辐射，厚厚的云层通常被解释为金星是一个潮湿的热带世界的标志，使得金星可能具有适宜居住的气候（尽管对金星地表水的光谱检测产生了相互矛盾的结果）。金星比地球离太阳更近，在20世纪50年代早期，美国诺贝尔奖获得者Harold Urey计算出金星的表面温度为53°C（127°F）。但在20世纪50年代后期，通过观察到一个不寻常的无线电频谱，表明金星同时存在高温和低温两种情况。科学家提出各种理论进行假设，但专业意见各不相同。看来，只有探测器降落金星实测，才能揭开厚厚云层下的真实面目！
1960年代起，苏联发射了大量的金星探测器！其中有16艘航天器被命名为Venera（Venera是俄语中金星的意思，Венера），以及许多未被起名的失败任务（主要是苏联喜欢报喜不报忧），为了拿第一，苏联硬着头皮，失败了再发射，这些造型千奇百怪的探测器前赴后继，从开始发射直到第一次成功的探测经历了6年和11次发射！
图18.博物馆展出的Venera-1模型，2米直径的可折叠伞状抛物面天线无奈的耷拉着
Venera-1金星探测器重643.5千克，携带三组天线与地球通信。2.4米长的全向天线在近地轨道作为TT&C天线；在离开地球附近之后安装在太阳能电池板上的T形天线以每秒1.6比特的数据速率在分米无线电波段上传输TT&C信号；配置了一个2米直径的可折叠伞状抛物面天线，用于在922.8 MHz的频率从金星向地球发送科学数据，这是同类天线的第三次出场和第一次成功使用（前两次是苏联的Mars-1960A/B，不过两次都没能顺利上天）！Venera-1于1961年2月发射，同年5月19日飞越金星。然而，在距离金星10万公里左右，地面与探测器的无线电失联，导致她没有传回任何数据，出师未捷身先死！不幸的事件后续接二连三出现，这里简要列出苏联金星探测的几个里程碑：
1、Venera-4终于进入金星大气层：1967年6月12日发射后，同年10月18日着陆舱终于进入金星大气层，展开降落伞后徐徐降落，过程中将金星大气成分数据传回地球，但设计极限压强为25个大气压的舱体在下降到距离金星表面为24.96公里处受不了了被压瘪，信号停止发射！Venera-5号命运类似。Venera-6号着陆舱下降到距离金星表面10〜12公里。
2、Venera-7终于在金星表面着陆：Venera-7于1970年8月17日发射，同年12月15日到达金星，这次战斗民族发了点狠，着陆舱能承受180个大气压，没有在下降过程中夭折，但降落伞受损，以每秒17米的速度撞击地面并翻倒，幸免于难后虽工作了23分钟，但偏离预定着陆区域且天线未对准，探测效果大打折扣，艰难地回传了大气温度。
3、Venera-8在金星表面首次成功登陆，工作了50多分钟，发回了关于压力、温度等数据，证实了金星地狱般的恶劣大气条件。
图19. Venera-8着陆舱顶部是一个锥形螺旋天线
4、Venera-9发回金星表面的第一张图片：1975年，Venera-9的摄像机拍摄的照片被成功发回地球，坚持工作53分钟后香消玉殒。
图20. Venera-9发回金星表面的第一张图片
5、Venera-13发回金星地表第一张彩色图像：Venera-13于1981年抵达金星地表，并坚持工作了127分钟。
图21. Venera-13发回的金星地表第一张彩色全景图
不能把苏联金星探测史当成励志故事，作为探测器天线的专题，终于要回归本期主题了。其实苏联探测器中可以学到很多螺旋天线的知识。螺旋天线除了在《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（二）》上讲到组阵作为L波段定相天线外，其变种，锥形螺旋天线（Conical Spiral Antennas）由于圆极化、频带宽、增益相对较高、天线尺寸小等优点，被广泛地用作TT&C天线，并可以通过改型满足不同场景的需要。
锥形螺旋天线可以产生各种辐射方向图，螺旋的切线与圆锥母线间的夹角称螺旋角，螺旋角的大小在确定天线方位角上起到主要作用（另一个因素是锥体的锥角），螺旋角的角度越小，即绕线越陡，波束宽度越宽，其范围从沿着轴发射的梨形波束到以较宽角度辐射的漏斗形波束。
图22.螺旋角的大小确定辐射图案，会产生两种不同应用场景的天线
通常在苏联的一些卫星和探测器上能看到2~3个不同形状的锥形天线，飞行途中通过调用不同天线波束特性的锥形螺旋天线发射和接收信号，保持和地球的联系，确保测控正常。
图23. Venera-4两种不同的锥形螺旋天线，同时也可以看到其伞状可折叠抛物面天线
那么对于金星着陆任务来说，一个新问题出现了，如何把着陆器收集到的科学数据和照片回传地球？方法有两种，一种是直发，将遥测信号直接发射到地球。这种方案看似简单，但需要着陆器的半定向天线对准地球，卯足了劲发射信号！另一种是转发，以金星探测器轨道舱作为中继，将着陆舱的信号转发回地球，这个方案看上去更靠谱，但如何让着陆舱的天线瞄准不停绕圈的轨道舱是个难题。
苏联科学家并没有采用会摇头跟踪的定向天线锅，而是对锥形螺旋天线挖潜，充分使用其嬗变的特性，简化着陆舱天线设计，提高可靠性（美国在后续的火星车上，采用了两轴旋转的定向天线）。另外考虑到着陆舱在金星也就工作几十分钟，但金星到地球双向需要几十分钟左右的时延，着陆舱干脆就只发送，不接收了！战斗民族就是这么实在！
Venera-7金星着陆舱采用了直发的方案，天线（下图左）的锥形螺旋天线被设计用于产生梨形天线方向图。她本计划降落在金星的背阳面中间，头顶地球传送信号。不幸的是，Venera-7以大约17米/秒的速度硬着陆在金星侧面，导致信号降至正常强度的3％左右，仅发送了温度信息，就马上被高温和高压吞噬了。
图24.Venera-7～9三个金星着陆舱配置了三种不同的锥形螺旋天线
Venera-8金星着陆舱也采用了直发的方案，由于降落地点是在金星新月形区域，探测器从金星看地球，地球是在高出地平线30°左右的侧面。因此她的双线螺旋天线（上图中）被设计成产生漏斗形辐射方向图，这次成功了！Venera-8的着陆舱在分米波频带上以1比特/秒的速度，成功传回了关于温度和气压的科学数据。
Venera-9的着陆舱（上图右）的天线设计采用了转发模式，其天线为四臂螺旋天线，通过调节四个相隔90°的发射单元的相位偏移，控制天线辐射方位图，生成可变的波束跟踪仍在绕金星飞行的探测器轨道舱，并将图像和科学数据在两个频段上传。
作为中继的轨道舱的接收天线，苏联也喜欢使用朴实无华、简简单单的螺旋天线。比如Vega金星/哈雷彗星探测器，“Vega”是俄语金星Venera和俄语哈雷彗星Gallei的字母组合，她的太阳能电池板的背面可以看到大型米波段螺旋天线，是用于轨道舱和着陆舱之间的工作在186 MHz频点上的数据链路天线。
图25.Vega金星/哈雷彗星探测器头顶着陆舱，伸出两个“弹簧手”
直到今天，Venera/Vega系列探测器的着陆舱仍是绝无仅有的能够触及金星表面的航天器！但对金星的探测可以说是赴汤蹈火却一场空，因为最终发现金星表面的气体主要是二氧化碳（96.5%）和氮气，根本无法呼吸，气压超过90个大气压，表面温度更是平均超过了400摄氏度。
金星可以说是太阳系内行星中最神圣的地方，每次都在2小时内干掉了触碰到其表面的苏联探测器。金星成为了苏联探测器的地狱！
图26.金星，苏联探测器的地狱（效果图）
（二）火星——苏联深空探测科学家的梦魇
火星是自然环境最接近地球的行星，被认为是最适合人类移民的星球，是世界各国组织实施深空探测活动的重点。1957年第一颗人造地球卫星成功发射后3年，苏联率先起征火星，1960年10月10日和14日发射的Mars-1960A/B均为Mars 1M型号，与Venera-1探测器一样，均为科罗廖夫的OKB-1设计局设计，结构几乎完全相同。
图27. Mars 1M与Venera-1设计几乎完全相同（像不像I am your father!）
Mars 1M在天线方面值得一提的是采用直径为2.80米的高增益抛物面天线，由7平方米的两个太阳能电池供电；两个低增益圆锥螺旋天线用作TT&C。
图28. 找到直径为2.80米的高增益抛物面天线和两个低增益圆锥螺旋天线了吗？
上节讲到苏联金星探测计划跌跌撞撞的历程，统计从1961年到1984年超过23年的时间里、23个Venera/Vega探测器的结果，其中有15次成功地从金星大气层传输数据，而仅有11个探测器幸存到达金星地面并发回信息（数据可能由于不同的源头和口径有偏差），成功率不高。但苏联/俄罗斯的火星探测更糟糕！下表中罗列了全部20次发射任务，完全成功仅2次，部分成功2次。你可以体会到苏联/俄罗斯火星探测科学家和工程师的苦闷！
图29. 苏联的火星探测中了“失败”的魔咒，直至俄罗斯也怎么样都甩不掉
火星探测有一个窗口期，此时路程最短，一旦错过这个窗口，就必须等待下一个，而这一等就将是漫长的26个月。
图30.火星探测路程最短的窗口，每26个月才有一次
为了提高探测的成功率，苏联采取了双保险的方案，每次发射一对，甚至把月神计划中的撞击大法也拿出来，试图提高成功率！到了后期，1973年那个窗口，简直是梭哈，一个批次发射四个，两个环绕，两个着陆，终于有了寥寥几个成功，然而探测器着陆之后也是相当短命，4个“成功”和“部分成功”的含金量太低！和同时期美国的大获全胜形成鲜明的对比，苏联不仅仅输掉了载人登月，也在深空探测上完全败下阵来。甚至在1996年和2011年，改朝换代之后的俄罗斯也再次犯下低级错误，由于火箭的故障，火星探测又遭遇两连败。
匪夷所思的是，俄罗斯于2003年6月2日在拜科努尔发射场用联盟号/ Fregat运载火箭替欧空局发射其第一个火星快车探测器，居然一次成功！而且到目前为止，火星快车依旧工作正常。似乎火星真的不欢迎北极熊！
所有失败的火星任务中，剔除明确的8次运载器、上面级故障，另有异常失联8次，这当中固然有战斗民族作风胆大粗糙，技术基础不扎实，以及在太空竞赛中巨大的政治压力下赶进度、动作变形的缘故，也有相当证据表明俄罗斯深空测控网不给力，比如Phobos-2在进入环绕火星轨道后失联前最后发出的消息其实是美国人收到的。
不管怎么说，要感谢苏联这位值得尊敬的参赛选手，因为他着实引领了一个时代，并让竞争对手美国在深空探测上卯足了劲地追逐、赶超并取得全人类引以自豪的成就！
四、全球布局打好深空测控网基础
美国9大行星探测大满贯
在深空探测竞赛中，苏联在起跑阶段的领先着实刺痛了美国！美国决定兵分两路，在准备阿波罗登月项目的同时，拿出一部分人力和财力进行深空探测。1962年7月22日，NASA发射了第一颗金星探测器——水手1号（Mariner-1），未成功。1964年11月，NASA发射了第一颗火星探测器——水手3号，仍未成功，但紧急进行整流罩改造后，同月成功发射了水手4号，并于次年7月14日抵达距离火星表面不到9800千米的地方，拍摄了21张火星照片，同时探测到火星大气压还不到地球的1%，终结了所有“火星人”的科幻情节。
水手4号取得了前所未有的成功！但当时美国的深空测控网还比较简陋，数据传输限制在8.33比特/秒，这意味着来自水手4号的256×256像素的火星图像需要数周才能传输完。美国下定决心要建设一张更扎实的深空测控网，作为深空探测的千里眼和顺风耳！
美国深空测控通信网简称深空网，即DSN(Deep Space Network)。由于地球的自转，单个测控站的连续跟踪能力有限(8h〜10.5h)，在一个国家或组织的地域内难以做到不间断连续跟踪测量。美国财大气粗，霸气侧漏，从1966年到1972年在美国加州的金石(Goldstone)、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉分别建造了64米天线，比原有26米天线灵敏度提高了六倍以上，跟踪范围增加了一倍多。1966年3月，金石站新装备的64米DSS-14天线重新建立了与水手4的联系，把上次没传送的16和17两张照片成功断点下传，创造奇迹！
图31.金石金石，石破天惊！
它们以接近120°的经度间隔均匀地分布在地球上，通过这三个深空联合体的交互配合，可以将无覆盖区域压制到南大西洋等个别区域。
图32.距地球3万公里，波束即可以实现无缝覆盖
（一）水手系列探测器小试牛刀初露锋芒
水手任务是1960年代和70年代的太空计划，其目的是访问内太阳系和地球以外的三个行星：水星、金星和火星。
图33.水手1/2号是美版金星探测器
水手1号因为运载器问题发射失败，作为其备用星，水手2号在1962年8月27日发射升空，当年12月成功飞掠金星，用红外线和微波辐射仪，证实了金星表面被厚厚的二氧化碳云层覆盖及其高温地表，反驳了之前认为金星上存在海洋的理论。
图34.水手1/2号的天线和科学仪器结构图
水手1/2号的天线系统很大程度上是从突击者（Ranger）探测器继承而来，采用四个天线来满足各种飞行中的通信要求。
1、指令天线系统由安装在太阳能电池板背面的旋转场天线和安装在太阳能电池板前侧的偶极天线组成，用作入轨前后的通信，工作频段890MHz。
2、探测器在中途机动之前，由位于探测器顶端的全向天线负责和地面站进行通信，工作频段960MHz。
3、在中途机动后并且在航天器的姿态得到纠正之后，位于探测器六角形结构底部的1.2米直径抛物面高增益定向天线开始工作，由金属丝网作为反射面，整个天线重量控制在5公斤以下；和Ranger 6/7一样，采用旋转场天线馈源发射960 MHz右旋圆极化波。
在有了初步探测结果之后，美国并没有像苏联一样死磕价值不大的金星，而是迅速研发了水手3/4号转战火星探测任务，抢夺另一个“第一”。
由于火星的距离比金星远了近一倍，水手3/4号的天线较上一代探测器有两个方面的改动：
一是高增益定向天线出现了一张新面孔，反射器是一个椭圆形抛物面，长轴为1.17米，短轴为0.53米，馈源由两个旋转场天线构成，由玻璃纤维支撑桁架进行固定，发射右旋圆极化，但频段提升到S波段提高增益。
图35.在洁净室测试的水手3号探测器上可以看到顶部的全向天线、定向天线有改动
二是启用S波段低增益天线替代之前的全向L波段天线，该天线为长2.1米、直径0.10米的铝制圆波导棍，在末端是一个带反射器的十字形波导缝隙右旋极化波发射天线。
图36.水手3/4号的低增益天线在进行测试
水手3号的太阳能帆板因整流罩缘故未能打开，导致探测器失效，NASA在3周内对该问题作了紧急处理，水手4号作为其姐妹探测器于1964年11月28日成功发射，到达火星后第一次拍摄了火星写真。
搞定火星之后，NASA腾出手用水手探测器再次造访了金星（水手5）、火星（水手6/7/8/9），赋予其更多的科学探测任务。
要完成内行星探测大满贯，只剩下最难啃的水星，由于减速需要巨大的ΔV，做了大量隔热改造的水手10号第一次使用一颗行星（金星）引力辅助减速到达另一颗行星（水星），顺便又观测了一次金星，成为第一个探测两颗行星的探测器。同时她也是第一个使用太阳风作用在太阳能电池板上，积少成多辅助航向修正的航天器。
图37.带了双摄像头的水手10古灵精怪，为了防止被太阳烤焦，穿了厚厚隔热衣
排除掉中间个别小问题，如水手7号电池气体泄漏导致的短暂遥测信号丢失、水手10号掉油漆导致姿态失稳、水手10号星载计算机偶尔无故重启之外，项目整体如果和苏联比起来，可以说是顺风顺水，拿下多个“第一”。没有比较，真没有伤害。
（二）旅行者号的外行星探测历程
美国人下一步的雄心是把木星、土星、天王星、海王星这4颗外行星一网打尽，恰好在这个时候遇到了176年一遇的机会，这4颗行星的几何排列会帮助深空探测器一路“化缘”借天体引力加速，完成不可能在这么短时间内完成的探测任务。NASA设计了旅行者号两姐妹：姐姐旅行者1号定位为“快”，主要探测木星及土星，因此比她的妹妹还要晚发射，利用更快速的轨道到达木星及土星；妹妹旅行者2号，求“稳”，被设计可以利用一个不寻常的路线来探测4颗外行星，完成史诗般的“行星之旅计划（Planetary Grand Tour，它是NASA在60年代末、70年代初所发展的计划）”。现在要解决的问题是超远距离的深空测控和通信，这个距离比内行星要大一个数量级以上。
铺垫工作其实在之前提到的水手10号上已经启动，1973年的水手10号进行了X波段试验。采用8GHz的X波段，同样的收、发天线尺寸和S波段相比可以增加11.32dB的增益，换句话讲可以让10米直径的天线发挥出36.8米的效果，优势显著。
水手10号探测器采用X波段与普通S波段相干下行链路把测距误差下降了80%，同时还利用X波段进行更高精度的空间科学探测试验，证明了X波段链路的可行性。因此旅行者号的主天线采用了S/X双频天线，而且是大锅顶小锅，一个顶三个。
图38.远看一口锅，近看是S/X双频大锅顶了个S频段的小天线
旅行者号的抛物面主天线直径3.66米，引入了一个频率选择副反射面（A frequency selective subreflector，FSS），这个副反射面反射高频段X频段信号，但对低频段S波段畅通无阻，因此是同时作为X波段的卡塞格伦天线和S波段的正馈抛物面天线，S波段的馈源安装在副反射面后。其中X波段的主天线增益为47dB，兼有12和22瓦两档功率的发射模式。另外设计者又巧妙的在副反射面上装上了一个S波段的低增益天线，一举三得。低增益天线直接向地球发射圆极化波，波束宽度90度，在初始飞行阶段不需要精确对准，降低探测器姿态控制要求。
图39. 旅行者号的抛物面主天线的结构
神奇的频率选择副反射面是Nomex蜂窝芯夹层为结构，两面包覆Kevlar材料，铝制偶极子无源谐振单元整齐排列，镶嵌在内外表面，形成对X频段电波的反射，原理就像你家微波炉的面板，网孔形状就能把2.4G的微波予以反射隔绝。测量数据显示，旅行者号的这款FSS在S波段透射损耗<0.1 dB，在X波段反射损耗在0.1和0.2 dB之间。
图40. 频率选择副反射面的表面贴满十字形的阵子反射X频段电波
随着旅途不断的延伸，NASA的科学家使出了各种招数，旅行者号和地面的DSN不断接受硬件和软件的改造以适应渐行渐远的距离，保持通信并高速下载获取的照片和科学数据：
1、采用天线组阵技术：
1974年9月，金石使用两个26米天线和64米天线进行组阵接收水手10号的信号，达到了117 kbps的速度，验证了天线组阵技术的可行性，为旅行者号的地面信号接收能力拓展做好了技术储备。
1980年8月中旬，64米和34米的天线组阵应用于旅行者1号，阵列增益与单独的64米天线相比增加了0.62dB（约15％）；当旅行者2号于1981年8月到达土星时，阵列增益与单独的64米天线相比增加了0.8dB（约20％），这是双天线组阵迄今为止最好的工作成绩。
2、天线改造：
在1982年〜1988年期间，DSN将64米天线的直径扩展为70米，而且同时支持X波段以及S波段来作为上行和下行传输的载波，大大增加了探测能力，从而可以支持旅行者2号与海王星相遇活动中的跟踪与控制任务。
图41.DSN金石64米站改造成为70米
3、采用压缩技术：
为了更高效的传送数据，1986年“旅行者”号探测器遭遇天王星时，NASA首次将数据压缩技术用于深空应用中，压缩率为2.5：1。
4、启用新的编码技术：
旅行者2号在探测天王星时，启用(7，1/2)卷积码和(275，223)RS码级连，信噪比门限下降至2.53dB，比无编码的PSK调制改善增益7.97 dB。
5、采用异地天线组阵技术：
旅行者2号在抵近海王星时，位于美国加州金石的70米天线及2个34米天线，与相距1000多公里、位于新墨西哥州国家射电天文台（National Radio Astronomy Observatory，NRAO）的27个直径25米超大规模阵列天线实现组阵，完成了高质量的信号接收任务。
图42.位于新墨西哥州国家射电天文台豪华的天线阵列
水手系列、先驱者系列、海盗1/2号的火星登陆以及旅行者号在冷战的太空竞赛中拿下了无数第一，完成了对太阳及各大行星的“泛读”，求得了深空探测的极限，随后发达国家独立或者合作开启了对各大行星的“精读”模式，不过美国依然是领头羊。
1989年5月5日美国发射“麦哲伦”号金星探测器。拥有直径为3.66米的主天线，是旅行者者项目3/4号取消遗留下来的，不过在此次任务中既用做深空通信用天线，也当成雷达，而且是合成孔径雷达的天线，以不低于300米的分辨率测绘金星，这样高的精度是以往探测金星的航天器所未曾达到的。
图43. “麦哲伦”号金星探测器。直径为3.7米的主天线一物两用
1989年发射的伽利略号木星探测器是美国和联邦德国合作的项目，也采用了旅行者号同样的三合一天线设计，只不过抛物面改为了可展开的伞面，直径达到了惊人的4.8米，由2台放射性同位素热电偶发电，可提供0～480瓦的电力。不过，阴差阳错，这个伞在太空因为润滑剂干燥没有正常打开，只能靠顶部的低增益天线临时替补，传输功率仅为高增益天线的万分之一。怎么办？项目团队依靠DSN的天线组阵技术，临时启用更强自纠错能力的卷积码和R-S码级联降低信噪比门限，以整数余弦变换（ICT）压缩算法实现高达20：1的图像压缩比（有损，也是无奈之举），挽救了整个探测任务。
伽利略号木星探测器在1994年7月近距离观察到了苏梅克-列维九号彗星罕见的撞击木星现象，这是人们首次直接观测太阳系的天体撞击事件。另外传回的数据表明，在木卫二的表层下可能有海洋。“木卫二上有水”的猜想期待着进一步的探索！
图44.伽利略号借鉴了旅行者号的三合一天线设计，抛物面天线改为了可展开的伞面（实际未展开）
受到伽利略号成功的鼓舞，美国和欧洲等17国进一步合作，又研制了一个飞向土星的太空探测器，并且为了纪念法国天文学家多米尼克·卡西尼当年发现土星光环的环缝，就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器，取名为“惠更斯号”。S波段演进到X波段通信的效果是非常显著的，科学家从1980年开始研究和开发启用更高的Ka波段（32 GHz），可以较S波段提升22.9dB增益，卡西尼号是这个研究的受益者，她的高增益主天线可以在S/X/Ku/Ka四个无线电频段进行信号收发。卡西尼号同样是核能驱动，2017年，任务结束之后进入土星大气成为一颗亮丽的流星！
图45.卡西尼号的主天线可以在S/X/Ku/Ka四个无线电频段进行信号收发
另外值得注意的是在天线下方的主馈源边上，还有一些小喇叭，这其实是卡西尼号携带的Ku波段合成孔径雷达的馈源，一共分为4组20个小喇叭，专门用来探测不少人提出的“最合适人类移居的星球”——“泰坦”（土卫六），确认了泰坦有一个由纯液态甲烷组成的巨大“海洋”。
图46.卡西尼号的“多用途”天线
惠更斯号探测仪原本通过卡西尼号做中继，向地球回传信息，但欧洲工程师犯下低级错误，卡西尼和惠更斯号探测器之间出现通讯障碍，这次又是深空测控网救场，做了调整直接捕捉惠更斯号发出的微弱信号，获得了50%的照片，再一次挽救了任务。
NASA另外于2006年1月19日发射了“新视野”号探测器，其主要任务是探测冥王星及其最大的卫星“卡戎”（冥卫一）和探测位于柯伊柏带的小行星群。但该探测器还在赶路时，国际天文学联合会就开除了冥王星的“行星”资格，此次探测任务的意义无形中也被“降级”。
“新视野”重478.4公斤，整个外形有点像三角钢琴顶了一口大锅。此次去冥王星的路途非常遥远，天线设计也颇为讲究。高增益天线抛物面盘的直径为2.1米，高增益波束仅0.3度宽，即便在遥远的36倍日地距离下也可以达到600bit / s的回传速率，但要求航天器准确地指向地球，这对于姿态调整来说是件辛苦的工作，要不断地跟踪、指令控制和指令引导，而且往往要消耗宝贵的推进剂。因此“新视野”号带了中增益和低增益天线分别在不同阶段使用。其中低增益全向天线在大约1倍日地距离下工作，为初始任务阶段调试提供通信；30厘米碟形天线的中增益天线波束宽度4度，只要探测器粗粗指向地球都能满足通信需求，简化了任务。
图47.新视野号的结构图
图48.目前新视野号正在奔往柯伊柏带小行星群
本期在介绍深空探测器天线的同时，顺道对人类深空探测史进行了简要介绍。事实上，目前的深空探测已经由行星延伸到小行星，科学任务由着陆、地表漫游取样分析拓展到将样品带回地球，这方面美国、日本、欧洲暂时领先。
飞向深空的探测器取得令全人类自豪的成绩，但不能忘了在地面默默无闻工作的深空测控网，可以说深空测控网能看到多远、听的多清、算到多准，决定了深空探测器能够走到多远！唯有他给力的测控，搭建起与探测器天线之间可靠的信息桥梁，才能让我们获知更多地外的奥秘！
视线转到中国，我国的深空探测起步较晚，投入不多，也尝到过俄罗斯火箭不靠谱的痛苦，但还是步履扎实往前走。新增了上海65米射电望远镜和佳木斯66米、喀什35米、阿根廷35米三个深空测控站。其中最大的佳木斯深空站波束宽度为0.04度，其深空探测作用距离达到4亿公里，为嫦娥1～3号探月任务保驾护航，协助攻克了“绕、落、回”前两个难关！
图49.佳木斯深空站的工作人员
（来源 | 科学大院）