2024年5月27日发(作者：)
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——漫谈卫星天线（五）：深空探测器的“大锅”及其测控网（下）
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袁东
看天线，识卫星
深空探测器，一旦踏上漫漫星际征途，就一去不返，渐行渐远，飞得最远的旅
行者1号探测器距离地球已经有144个地日距离（AU，1个地日距离约1.5亿公
里）。然而依靠特殊的天线技术，地球至今仍能够和这些无畏的使者保持联系。
请看本期——深空探测器的“大锅”及其测控网（下）。
三、赢在起跑线，却未能笑到终点的苏联深
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！（参见图15）
在北场，建造了两个接收天线，用液氮
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《卫星与网络》2019年8月
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
图15 8个直径16米天线组阵，达到更大的天线孔径
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（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……（参见图16）
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”）。（参见图17）
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/s
2
），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
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
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
图16 RT-70项目中P-2500天线，直径70米，发射功率200kW
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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！（参见图18）
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。（参见图
19）
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
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《卫星与网络》2019年8月
图19 Venera-8着陆舱顶部是一个锥形螺旋天线
图20 Venera-9发回金星表面的第一张图片
图21 Venera-13发回的金星地表第一张彩色全景图
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
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被成功发回地球，坚持工作53分钟后香消玉
殒。（参见图20）
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。（参见图21）
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）》中讲到组阵
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。（参见图22）
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。
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。（参见图23）
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
图25 Vega金星/哈雷彗星探测器头顶着陆舱，伸出两个“弹簧手”
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
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
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陆舱干脆就只发送，不接收了！战斗民族就
是这么实在！（参见图24）
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。
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。（参见图25）
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！
（参见图26）
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《卫星与网络》2019年8月
图26 金星，苏联探测器的地狱（效果
图）
图27 Mars 1M与Venera-1设计几乎完全
相同（像不像I am your father!）
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？
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
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（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。（参见图27）
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。（参见图28）
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！
（参见图29）
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。（参见图
30）
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
图32 距地球3万公里，波束即可以实现无缝覆盖
图31 金石金石，石破天惊！
图30 火星探测路程最短的窗口，每26个月才有一次
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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！
图33 水手1/2号是美版金星探测器
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
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《卫星与网络》2019年8月
图34 水手1/2号的天线和科学仪器结构图
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
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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！（参见图31）
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。（参见图32）
（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。（参见图33）
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。（参见图34）
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
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。
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
图36 水手3/4号的低增益天线在进行测试
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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。
（参见图35）
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。（参
见图36）
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。（参见图37）
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
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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。（参见图38）
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
图39 旅行者号的抛物面主天线的结构
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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。（参见图39）
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。（参见图40）
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。（参见图41）
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
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
图42 位于新墨西哥州国家射电天文台豪华的天线阵列
图40 频率选择副反射面的表面贴满十图41 DSN金石64米站改造成为70米
字形的阵子反射X频段电波
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星空闪烁
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Star
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。
（参见图42）
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！（参见图44）
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
五、后旅行者号的深空探测器时代
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。（参见图43）
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
064
《卫星与网络》2019年8月
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）
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
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Frontier Research
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前沿探索
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！（参见图45）
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”。（参见图46）
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。（参见图47、48）
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！（参见图49）
据悉嫦娥四号将在2018年12月8日凌晨发
射，此次任务将实现人类首次在月球背面登
陆，任务相关的“鹊桥”中继星也已发射成
功。衷心祝愿此次任务成功，让我国在深空
探测上能够越走越远！（全文完）
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图48 目前新视野号正在奔往柯伊柏带小
行星群
图49 佳木斯深空站的工作人员（来源 |
科学大院）
图46 卡西尼号的“多用途”天线图47 新视野号的结构图
结束语
本节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
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