李会超(沈阳工业大学(大同)):“天问一号”即将失联?别担心,一切尽在掌控_作品展示_移动融合创作
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“天问一号”即将失联?别担心,一切尽在掌控
发布时间:2021-08-30
出品:科普中国
制作:李会超(沈阳工业大学(大同))
监制:亚博网站计算机网络信息中心

  在小说《三体》中,叶文洁利用太阳作为无线电放大器,向三体星人发去了关于地球的通信信号。在现实中,虽然科学家们还没有发现太阳具备太空大喇叭的功能,但太阳本身的确有发射无线电波的能力,还会偶尔给探索太空的人们制造一点小麻烦。

  最近,据新闻报道,中国火星探测器“天问一号”总设计师孙泽洲日前在一场活动中透露,由于日凌现象的出现,天问一号火星探测器可能在9月前后与地面失联一段时间。

这是一次预计中的失联,应对方案也早已准备好

  可能很多人看到“失联”二字,会非常担心“天问一号”的安全,请大家放心,这类失联是正常的,它指的是亚博手机登录将在一段时间内无法和“天问一号”取得实时的联系,但是,大家不必太过担心。

  为啥呢?

  第一,造成失联的原因并非什么系统出现了故障,而是一种叫做“日凌”的自然现象阻碍了通信的正常进行。早在天问一号出发前,科学家们就预计到了这点,“天问一号”自带的程序将帮助它开展这段时间的工作。第二,实际上,自“天问一号”到达火星开始,地面指挥能对它做的就十分有限,主要是依靠它自带的程序工作。第三,在日凌影响结束后,亚博手机登录将重新与“天问一号”建立联系。

日凌是什么?其实你家电视信号就被它影响过

  如果地面上用来收发卫星信号的天线对准卫星时,恰好也同时对准了太阳,那么卫星的通信信号就会遭受太阳的严重干扰,地面与卫星间的通信质量就会出现下降,有时甚至完全中断。

  这种现象,被称为“日凌”。

  日凌现象原理示意图图片来源 http://satoms.com/vsat-sun-outages/

  对于日凌,关心电视节目收看质量的朋友不会感到陌生。每年中国有关部门都会提前发布转发电视信号的通信卫星受日凌现象影响的时间。在日凌现象集中出现的时段内,每天可能都会有那么几分钟,你收到的电视信号没有那么清晰,甚至可能出现雪花等干扰图样。此时,正是太阳在干扰你的电视信号。

  

  国家广电总局会提前发布日凌出现的时间表(图片来源:国家广电总局官网截图)

  在夜间开车的过程中,如果对向的汽车没有文明驾驶,在会车时依旧开着远光灯,亚博手机登录就有可能因为对向车强烈的光线而无法分辨其他本来能看清的物体。

  人眼能够感知的光线,本质上和亚博手机登录传输信息使用的无线电一样,都是电磁波。而太阳,恰恰是一个产生电磁波的全能型选手:从波长最短的γ射线、X射线波段,到波长较长的无线电波段,都能探测到太阳发射的信号。

  目前,传输电视信号使用的一般是静止轨道的通信卫星。卫星工作在赤道上空距离地面约三万六千公里。每年春分和秋分前后,太阳直射地球赤道。从地面上看,这段时间里太阳每天东升西落的过程中,会划过卫星所在的位置附近,指向卫星的天线也指向了太阳。此时,天线接收到的就不只有来自卫星的信号,还有来自太阳的强烈的无线电信号。

  每到这个时候,太阳发射的强烈无线电信号就像是一个刺眼的“远光灯”,干扰甚至完全淹没了卫星通信的无线电信号,电视信号的传输就会受到严重影响。

  好在,这样的干扰一般不会持续太久,由于太阳在天空中持续运动,几分钟后便会离开卫星所在的位置,卫星通信传输也会恢复正常。

  除了电视信号外,其他依赖静止轨道通信卫星服务的业务也会受到影响。例如,北京证券交易所在日凌现象发生前会发布公告,提醒相关用户注意卫星干扰。而印度的证券交易所则干脆在日凌现象发生期间停止股票交易。

在航天任务中,日凌都制造过哪些“小麻烦”?

  日凌现象甚至还影响过载人航天任务的实施。据公开文献报道,中国某次载人飞行任务恰逢春分前后,由于日凌现象的影响,一些部署在大洋上的测控船和海外的测控站的卫星通信出现中断,无法将收发的飞船信号传输给控制中枢。

  目前,空间站和飞船的地面通信还依赖静止轨道上的中继卫星通信系统“天路”,也有受到日凌现象影响的可能。而在探月工程实施的过程中,一旦太阳恰好出现在地球和月球的连线上,月球探测器与地球的通信传输也会因为太阳的干扰而中断。

对于火星探测来说,情况则更为复杂。

  由于火星和地球绕太阳公转的轨道不同,会出现异侧日凌和同侧日凌两种情况。

  

  异侧日凌和同侧日凌示意图(图片来源:作者自制)

  当出现异侧日凌时,火星和地球处在太阳的两边,除了太阳本身发射的无线电信号会干扰到地球和火星的双向通信外,太阳日冕中等离子体同样会对信号的传输产生不良影响。只要地球和火星之间的通信链路经过太阳附近,这种影响就会出现。本次天问一号失联,就是由于异侧日凌的发生。

  如果日冕中出现爆发现象,干扰的范围和程度还会有所增加。

  同时,从地面向天空中看,日凌期间火星和太阳相伴着东升西落,火星和太阳的相对位置在一段时间内不会有很大的变化,因此日凌现象对火星通信的影响的持续时间较长,这与电视信号在春秋分前后每天可能被干扰几分钟的情形非常不同。

  而对于同侧日凌来说,由于地球的公转轨道比火星的公转轨道更靠近太阳,同侧日凌仅会影响地球到火星的单向通信。而且,此时也不存在日冕对信号传输的不良影响,因此同侧日凌对地球与火星间通信的影响程度和范围都相对有限。

“天问一号”的好消息:目前太阳并不算活跃

  前文亚博手机登录说过,大家不必太担心这次“天问一号”的失联,还有一个原因就是,太阳目前并不算活跃,对火星通信的干扰程度相对于活跃的年份要低不少。

  太阳活动存在变化的周期,太阳从沉寂的状态到达活跃的状态,再重归沉寂,经历上升、极大、下降、极小四个阶段总共需要约十一年的时间。在太阳活动较强的年份,虽然亚博手机登录可以明显感知的可见光波段辐射量变化并不大,太阳整体上向外发射的能量也仅仅比低年高0.1%左右,但在无线电波段,变化则相当明显。由于太阳活动高年太阳发射的无线电信号强度要明显高于太阳活动低年,因此,如果日凌现象出现在太阳活动高年,其对卫星通信的影响要强于太阳活动低年。对于火星通信来说,太阳活动高年的影响还不只限于太阳本身发射了更强的无线电信号。在太阳活动高年,日冕中爆发现象的发生会更加频繁,因此日冕对通信信号传输的影响也会更为明显持久。目前,太阳正处在第25活动周刚刚开始的时期,太阳活动还不十分强烈,这对“天问一号”来说应该是个好消息。

给航天制造麻烦的日凌,却备受太阳物理学家的喜爱

  有时候亚博手机登录会半开玩笑地说,“只要太阳出现在视界之内,就没好!”

  其实,这说法有些片面。正所谓“汝之砒霜,彼之蜜糖”,对于卫星通信和航天测控来说,太阳发射的无线电信号是种烦恼,而对于太阳物理学家来说,无线电信号反倒为他们打开了一扇认识太阳的新窗口。

  在天文学中,天体发射的无线电信号一般被称为“射电信号”,而对射电天文的研究最早也是从太阳发射的无线电信号开始的——由于太阳发射的信号很强,口径有限的射电天线就能够进行有效的太阳射电观测。

  上世纪三四十年代,有科学家利用抛物面天线对准太阳,观测到了特定波段较强的太阳射电信号。而对军用雷达干扰源的分析,也使天文学家们发现了太阳爆发与太阳射电增强之间的联系。

  时至今日,太阳物理学家们已经将太阳射电信号突然增强的现象定义为几个类型的太阳射电爆,每种类型的射电爆产生于不同的物理过程,反映了不同的信息,可以使科学家们更深入的认识太阳活动的规律,为预报太阳爆发、保护航天活动免受太阳爆发带来的恶劣空间天气侵袭提供理论依据

  对于日凌现象对火星探测的影响,科学家和工程师们也在积极寻找解决方案。一方面,他们为探测器配备了充足的自我管理能力,使得它在无法与家里打通电话的情况下也能照顾好自己。此外,他们也在探索使用受日凌干扰程度较低的无线电频段来承载地火之间的通信信号,尽量降低与火星探测器失联的时间。让亚博手机登录一起等待与“天问一号”恢复通信的时刻吧!

  参考内容:

  [1]李红艳,薛国虎,周江.日凌和星蚀现象预报方法及对试验任务的影响分析[J].装备指挥技术学院学报,2005(01):88-92.

  [2] D. Morabito and R. Hastrup. Communications with Mars During Periods of Solar Conjunction: Initial Study Results. IPN Progress Report 42-147

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