科普：天問一號(hào)的背后，還有這項(xiàng)通信技術(shù)默默助力

7 月 23 日，萬眾矚目的 “天問一號(hào)”火星探測(cè)器在海南文昌成功發(fā)射，正式拉開了咱們國家火星探測(cè)活動(dòng)的序幕。

掐指一算，現(xiàn)在的 “天問一號(hào)”火星探測(cè)器，已經(jīng)出發(fā)了 1 個(gè)多月，距離地球約 1000 萬公里。

火星探測(cè)，是我國繼載人航天工程、探月工程之后又一個(gè)重大空間探索項(xiàng)目，也是我國首次開展地外行星空間環(huán)境探測(cè)活動(dòng)，意義極為深遠(yuǎn)。

數(shù)千年來，隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)浩瀚宇宙的了解不斷增加。

了解越多，好奇心就越重。在好奇心的驅(qū)使下，半個(gè)多世紀(jì)以來，人類開啟了 “瘋狂”的太空探索之旅。

▲ 阿波羅登月計(jì)劃，一度將這種 “瘋狂”推向了高潮。

時(shí)至今日，人類將關(guān)注焦點(diǎn)放在了火星上。作為太陽系中與地球最相似且距離較近的行星，火星已然成為太空旅行下一站的首選目標(biāo)。

“火星救援”等太空電影的熱映，加上埃隆馬斯克大膽超前的 “火星移民計(jì)劃”，讓人們對(duì)火星充滿了無限向往。

然而，即便是這顆 “距離較近”的火星，想要來一次 “親密接觸”也并不容易。

火星最遠(yuǎn)時(shí)距離地球 4 億公里，是地月距離的 1000 倍。截至目前為止，人類已對(duì)火星實(shí)施了 40 余次探測(cè)任務(wù)，其中只有 24 次獲得成功。真正實(shí)現(xiàn)探測(cè)器成功著陸并釋放火星車巡視地表的國家，只有美國。

巨大的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，高昂的資金投入，以及對(duì)技術(shù)實(shí)力的苛刻要求，讓絕大多數(shù)國家對(duì)火星探測(cè)項(xiàng)目望而卻步。而我們國家經(jīng)過多年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)具備向火星發(fā)起挑戰(zhàn)的條件。

這次我們發(fā)射的 “天問一號(hào)”探測(cè)器，將在大約 5 個(gè)半月后抵達(dá)火星附近。屆時(shí)，它將實(shí)施近火制動(dòng)和環(huán)繞火星，并擇機(jī)釋放著陸巡視器登陸火星。

也就是說，本次任務(wù)我們將一次性挑戰(zhàn) “火星環(huán)繞、著陸和巡視”3 個(gè)目標(biāo)。

此時(shí)此刻的天問一號(hào)，正在太空中獨(dú)自翱翔。那么，大家有沒有想過，這樣一個(gè)孤零零的探測(cè)器，究竟是如何實(shí)現(xiàn)飛行導(dǎo)航的呢？

目前的外太空飛行器，因?yàn)榧夹g(shù)成熟度的問題，普遍不具備深空自主導(dǎo)航能力。說白了，它們不能自己認(rèn)路，必須依賴來自地球測(cè)控系統(tǒng)的全程導(dǎo)航、跟蹤與測(cè)定軌保障。這一切的前提，就是要有分布全球的深空探測(cè)網(wǎng)。

地面測(cè)控的主要方式，有地面無線電測(cè)距、測(cè)速，以及 VLBI 測(cè)角。

無線電測(cè)距，是通過測(cè)控站向深空探測(cè)器發(fā)射無線電波，測(cè)量反射回來的信號(hào)，從而測(cè)定距離。

無線電測(cè)速，則和常見的高速公路雷達(dá)測(cè)速原理類似，主要基于多普勒頻移原理，分別測(cè)量測(cè)控站發(fā)射的無線電波和深空探測(cè)器反射回來的無線電波發(fā)射頻率變化，以此測(cè)算深空探測(cè)器相對(duì)于測(cè)控站的速度。

▲ 無線電測(cè)距測(cè)速原理

前面我們提到，火星距離地球最遠(yuǎn)約 4 億公里。因此，深空探測(cè)器反射回來的信號(hào)非常微弱。想要成功捕捉信號(hào)，必須加大天線口徑，增加發(fā)射功率，提升工作頻段，提高接收機(jī)靈敏度。

近十幾年來，我國分別建成了新疆喀什 35 米口徑深空站和黑龍江佳木斯 66 米口徑深空站，并在地球另一側(cè)建設(shè)了阿根廷 35 米口徑深空站，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深空探測(cè)器的全天候測(cè)距和測(cè)速。

▲ 阿根廷深空站（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

無線電測(cè)速和測(cè)距，在視線方向上（也就是測(cè)控站和深空探測(cè)器的連線方向）具有較高的靈敏度。但深空探測(cè)器還有與視線垂直方向上的位置變化，尤其是探測(cè)器的地火轉(zhuǎn)移階段、近火制動(dòng)階段等測(cè)控弧段，這就需要 VLBI 測(cè)角技術(shù)。

VLBI 測(cè)角的 VLBI，全名是 Very Long Baseline Interferometry（甚長基線干涉）。它的技術(shù)原理有點(diǎn)復(fù)雜，大家只需要知道，通過四個(gè)不同位置的射電天文站臺(tái)，采用 VLBI 技術(shù)，就可以準(zhǔn)確測(cè)量深空探測(cè)器的角度數(shù)據(jù)，測(cè)角精度能夠達(dá)到 1.5 度的百萬分之一。射電天文站臺(tái)之間的距離越遠(yuǎn)，測(cè)量精度就越高。

▲ Cosθ=ΔT*c/B，ΔT 為不同站臺(tái)反射型號(hào)時(shí)延差值，c 為光速，B 為站臺(tái)距離基線。VLBI 測(cè)角原理

我們國家的 VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)，由上海佘山站、北京密云站、烏魯木齊南山站、昆明鳳凰山站和上海天文臺(tái) VLBI 數(shù)據(jù)處理中心共同組成?！八恼疽恢行摹狈植加谔炷系乇保浞掷昧宋覈膰量v深。

▲ 昆明鳳凰山站（圖片來源：中科院昆明天文臺(tái)）

為了準(zhǔn)確地對(duì)深空探測(cè)器進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)向深空探測(cè)器發(fā)出控制指令，各觀測(cè)站必須將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再上報(bào)到位于北京的航天測(cè)控中心。

▲ VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)的組成

以 VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng) “四站一中心”之間的數(shù)據(jù)通信為例，這一看似簡(jiǎn)單的任務(wù)，暗藏著對(duì)數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)的一系列挑戰(zhàn)：

1、數(shù)據(jù)傳輸速率必須要高：

“天問一號(hào)”探測(cè)器的 VLBI 數(shù)據(jù)速率為 128Mbps，數(shù)據(jù)傳輸專線的帶寬要求不小于 200Mbps。

2、數(shù)據(jù)傳輸過程必須要穩(wěn)：

VLBI 數(shù)據(jù)采集的頻率和采集字長恒定，也就是說，某站臺(tái)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)流始終是 128Mbps，不會(huì)增加也不會(huì)減少。為了保持穩(wěn)定的傳輸，“天問一號(hào)”探測(cè)器的 VLBI 數(shù)據(jù)傳輸專線帶寬可用率，要求必須大于 80%。

3、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，必須要有確定性低時(shí)延：

VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)的四站一中心基線長度從 1100 多千米到 3200 多千米不等，數(shù)據(jù)傳輸專線的實(shí)際鏈路距離更長。VLBI 數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí)延低且恒定，從原始數(shù)據(jù)觀測(cè)到測(cè)定軌數(shù)據(jù)發(fā)布，VLBI 系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性指標(biāo)要求不超過 1 分鐘?！疤靻栆惶?hào)”探測(cè)器的 VLBI 數(shù)據(jù)傳輸專線單向網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不超過百毫秒，且時(shí)延抖動(dòng)幅度應(yīng)小于 20 毫秒。

4、數(shù)據(jù)傳輸必須足夠可靠：

VLBI 數(shù)據(jù)傳輸可容忍的丟包率要求不大于 0.01%，一旦丟包事件發(fā)生，其窗口恢復(fù)時(shí)間高達(dá) 40 分鐘！“天問一號(hào)”探測(cè)器的 VLBI 數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求極高，需要采用兩個(gè)運(yùn)營商的專用線路互為備份，主備網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間小于 3 秒。

5、數(shù)據(jù)傳輸項(xiàng)目的開通，必須快、必須靈活：

當(dāng)深空探測(cè)項(xiàng)目結(jié)束后，VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)的觀測(cè)活動(dòng)也完成。歷次 “嫦娥”探月工程中，月球探測(cè)器的 VLBI 數(shù)據(jù)傳輸專線往往在項(xiàng)目啟動(dòng)前 1-2 個(gè)月開啟，在項(xiàng)目結(jié)束后關(guān)閉。盡管 “天問一號(hào)”火星探測(cè)的項(xiàng)目周期遠(yuǎn)長于歷次 “嫦娥”工程，但 VLBI 數(shù)據(jù)傳輸專線的快速開通、靈活調(diào)整功能依然重要。

簡(jiǎn)而言之，這個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)必須滿足大帶寬、高穩(wěn)定、高可靠、確定性低時(shí)延、快速開通的要求。符合這個(gè)要求的技術(shù)方案只有一種，那就是光專線。

2007 年的 “嫦娥”探月計(jì)劃，運(yùn)營商的光專線就已經(jīng)應(yīng)用于測(cè)控?cái)?shù)據(jù)地面?zhèn)鬏敗?/p>

當(dāng)時(shí)的 “嫦娥一號(hào)”探測(cè)器 VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)，首先引入運(yùn)營商 SDH 硬管道專線，帶寬是 34Mbps。

從 “嫦娥二號(hào)”起，VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸陸續(xù)啟用 MSTP 硬管道專線，支持以太網(wǎng)接口直連，簡(jiǎn)化接入設(shè)備組網(wǎng)，帶寬也升級(jí)到 100Mbps 以上。

近年來，運(yùn)營商紛紛建設(shè)了覆蓋全國省會(huì)城市和重點(diǎn)城市的 OTN 政企專網(wǎng)。“天問一號(hào)”火星探測(cè)器發(fā)射前，運(yùn)營商首次將上海到昆明、上海到北京密云射電天文站臺(tái)之間的光專線升級(jí)到 OTN 政企專網(wǎng)或 OTN 骨干網(wǎng)絡(luò)，為 VLBI 數(shù)據(jù)傳輸提供了更可靠更便捷的服務(wù)。

▲ “天問一號(hào)”VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸專線組網(wǎng)

OTN，英文全稱是 Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)。這是一種以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)、在光層組織網(wǎng)絡(luò)的新一代傳送網(wǎng)，它也是目前倡導(dǎo)的全光網(wǎng)絡(luò)的代表性技術(shù)?；?OTN 技術(shù)的 OTN 專線，是 SDH/MSTP 等存量光專線的升級(jí)產(chǎn)品。

▲ OTN 設(shè)備

OTN 具有硬管道帶寬獨(dú)享的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，傳輸速率極高，可以輕松應(yīng)對(duì) VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)的需求。

OTN 高品質(zhì)專線還支持 99.99% 以上的超高可用率，時(shí)延也進(jìn)一步降低，可以控制在每 200 公里一毫秒左右。

OTN 高品質(zhì)專線還具備業(yè)務(wù)快速開通功能，在發(fā)射窗口啟動(dòng)前一次上站即可開通，能夠大幅縮短調(diào)試時(shí)間。

從 “天問一號(hào)”探測(cè)器 7 月 23 日發(fā)射到 8 月上旬，運(yùn)營商的高品質(zhì)光專線發(fā)揮穩(wěn)定，保障了包括 VLBI 測(cè)軌分系統(tǒng)在內(nèi)的深空探測(cè)網(wǎng)能夠正常工作。8 月 2 日 “天問一號(hào)”探測(cè)器首次軌道中途修正，也在高品質(zhì)光專線的支撐下圓滿完成。

從 “嫦娥”到 “天問”，中國的深空探測(cè)項(xiàng)目正在穩(wěn)步向前推進(jìn)。隨著綜合國力的提升，我們國家類似的重大項(xiàng)目會(huì)越來越多。

這些關(guān)系到國計(jì)民生以及未來科技話語權(quán)的重大項(xiàng)目，離不開高性能 ICT 信息通信基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)的支撐。以 OTN 專線為代表的高品質(zhì)光專線，就是重要支撐之一。對(duì)廣大科研、政企用戶來說，它能夠解決很多實(shí)際需求，應(yīng)用前景非常廣闊。

在數(shù)字化浪潮下，F(xiàn)5G 全光固定網(wǎng)絡(luò)，將和 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一起，拓寬聯(lián)接的邊界，為百行千業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。