真實的紅岸基地：中國深空網與嫦娥四號任務
主頁君說
嫦娥四號任務的圓滿成功給中國航天的2019年開了一個好頭，再加上今年年底的嫦娥五號任務，以及2020年的中國火星探測任務，都會將中國的深空探測水平推向新的高度。
但在這一系列任務順利實施的背後，是中國迅速成長的深空測控網的鼎力支持
，有了他們，中國航天的步伐才會走的更遠，更穩。
本文作者：
主筆唐駁虎，轉載已獲授權
，本文所有打賞將轉給作者本人。
對於科幻迷、半科幻迷來說，劉慈欣《三體》小說里的紅岸基地實在太有名了。
按小說設定，那是60年代冷戰背景下，在東北山區修建的一座巨型拋物面天線，以及巨型微波發射機，功率高達25兆瓦（2.5萬千瓦）。
「雷達峰是一個神秘的地方，那座陡峭的奇峰本沒有名字，只是因為它的峰頂有一面巨大的拋物面天線才得此名。其實，稍有常識的人都知道那不是雷達天線，雖然它的方向每天都會變化，但從未連續轉動過。」
實際上，在東北，的確有這麼一座對準宇宙空間的巨型天線基地。只是它誕生至今，也就不過6年多光景，比iPhone 5還新。
【從無到有的中國深空測控網】
2004年1月23日，中國正式啟動月球探測工程。
但此前中國發射的航天器都是近地軌道衛星，最遠的也只是工程啟動一個月前，2003年12月30日發射的探測一號，近地點555公里，遠地點78051公里——比預定軌道打高了一萬多公里。
雖然中國逐步組建了由國內與海外陸基站點、海基測控船，以及「天鏈」中繼衛星組成的近地軌道測控網，但面對弱信號的高軌道乃至深空測控網則是另一回事。
我們知道，這需要巨大的天線、超靈敏的接收器和功能強大的發射器，以便在遠距離傳輸和接收信號，提供雙向通信鏈路以及測控定位服務。
青島站
而當時中國航天測控網最大天線的口徑只有12米，無法滿足月球探測的需要。經過努力，用很少的經費在喀什和青島新建了2個18米直徑的天線。
喀什站
為滿足任務需求，支撐2007年就要發射的嫦娥一號繞月衛星，改裝了中科院系統幾面較大的射電望遠鏡，執行月地通信與測控任務。
但實際上當時中國的射電望遠鏡，也就是上海佘山和新疆南山的兩部25米台站。
2006年
，既為滿足嫦娥任務測控、定位、通信的需要，也為推進射電天文學研究，才在北京密雲和雲南昆明，分別建成直徑50米、40米的射電望遠鏡。以幾部性能較好的新設備為主，原有的25米天線為輔，保障了
2007年的嫦娥一號、2010年的嫦娥二號
兩次繞月任務，以及包括嫦娥二號2011年進入距地球約150萬公里的日地L2點的環繞軌道。而面對數據通信更密集、實時性要求更高的落月任務——嫦娥三號，專用設備的缺乏就逐漸凸顯。
佳木斯站建設者
從2010年起，在國土最西邊的喀什測控站，增建35米天線。
在國土最東邊的佳木斯測控站，新建66米（也有64米、65米的說法）天線——它的量級和技術都達到了蘇聯/俄羅斯、美國的水準。
佳木斯站66米天線
兩個深空專用測控站的工程建設於2012年底完成，而同期建成的上海65米天馬射電望遠鏡，就主要用於射電天文探測，當然也可加入深空測控通信任務。
喀什站35米天線
2012年12月13日，66米佳木斯深空站、65米上海天馬射電鏡和35米喀什深空站剛剛投入使用，就成功控制
嫦娥二號飛躍距地球約700萬公里
的圖塔蒂斯小行星，自然也加入了2013年嫦娥三號落月
探測行動的測控、通信保障服務。
2013年嫦娥三號落月探測行動
【中國深空網的全球布局】
東經75度的喀什站與東經130度的佳木斯站，充分利用了中國廣闊地域上的東西距離，拉開了55°的經度差距，信號覆蓋能夠覆蓋近200度的天周，但顯然仍有空缺。
嫦娥一、二、三號任務，還得到了歐洲太空局位於西班牙塞夫雷羅斯Cebreros和澳大利亞新諾爾恰New Norcia直徑35米的深空天線的協助，當然，也是按照市場價格支付了一定費用。
為了解決在南半球和西半球沒有深空測控站的問題，更好地保障探月工程任務，2012年7月中國與阿根廷（原計劃是隔壁的智利）政府簽署協定，在阿根廷中南部的內烏肯省高原[70.1495°W，38.1914°S]，建設一座深空測控站。
這裡位於
安第斯山余脈與巴塔哥尼亞高原交界處
，海拔800米，人煙稀少，距離兩個最近的居民點Quintuco和Bajada del Agrio都有15公里以上，電磁環境較好。
與此同時，歐空局在阿根廷門多薩省也新建了一個馬拉圭Malargüe深空站，恰好位於中國深空站正北275公里的地方。
（另外，佳木斯站與俄羅斯雙城子的直線距離也就是300公里）
可見，還是自己的用起來順手。另外，中國和歐空局在阿根廷的站點都是使用35米口徑天線。
按協議，阿根廷可以獲得天線10%的使用時間，進行自己的射電天文學研究項目。
中國駐阿根廷深空站由中國交建的海外公司中國港灣（具體施工單位是中交四公局）承建，經過一番周折，終於
在2017年10月全部建成，參與保障2018年發射的嫦娥四號任務
。
另外，按中阿協議，還將在聖胡安省建設口徑40米的中阿射電望遠鏡（China-Argentina Radio Telescope, CART），由中國國家天文台與阿根廷國家科委、國立聖胡安大學三方聯合建設。
阿根廷35米站
這也將是中國放置在海外的首台中大型天文觀測設備。
【各國深空網的簡單比較】
由喀什、佳木斯、阿根廷這3個深空測控站聯網組成的中國深空探測網，還將用於支持中國未來的探月三期（採樣返回）、載人登月、火星探測及其他深空探測任務。
喀什、佳木斯、阿根廷3個深空測控站
相對俄羅斯國內2個站（雖然依託廣袤的跨洲國土，拉開了相隔100°的經度間距）的深空網，中國用3個站實現了准全周覆蓋。
同時，阿根廷站可以與國內的深空站構成較好的基線方向，利於進行高精度角度測量。
中國交建四公局承建阿根廷站
阿根廷站與佳木斯站和喀什站的經度間距各為160°、145°。雖然因為國內兩站經度跨度略小，尚不能做到360°無縫覆蓋，但空白段已經比較小了。
而歐空局在西澳大利亞的站點經度為東經115度左右，與阿根廷站的間距達到了185°，比佳木斯站-阿根廷站的160°間距還大，遺漏空白段自然更多。
2018年投入「嫦娥四號」任務保障的阿根廷站
歐空局阿根廷（西經70度）-西班牙（接近0度）-西澳（東經115度）全係為35米口徑的天線，可以支撐10億公里土星木星這些中太陽系目標；
而中國有佳木斯站66米口徑天線，能夠通聯海王星以遠、70億公里的外太陽系。
所以，綜合來看，短短几年，中國深空網覆蓋率與性能已經從近乎空白，躍升到世界第二。
紅點-中國，藍點-俄羅斯，綠點-歐洲，黃點-美國
當然，最理想的還是美國的東澳大利亞（比西澳靠東33°，也比佳木斯靠東18°）-太平洋沿岸加州（比阿根廷靠西達48°）-西班牙的均勻間隔布局，全系70米口徑主天線，真正實現深空目標百分之百無縫覆蓋，這才是最佳的。
佳木斯66米天線，矗立林海雪原
【真實的深空網與假想的「紅岸基地」】
佳木斯測控站一分站(深空站)的66米口徑天線，就是現實版的「紅岸基地」。
它具體坐落在佳木斯市與樺南縣之間的七峰林場，這裡人煙稀少，而且位於兩山之間的谷地，便於減少周邊電磁干擾。
這裡必須要說，劉慈欣對冰天雪地「雷達峰」的設定，雖然視覺想定很酷，但其實是完全不符合工程與科學現實的。
《三體》電影宣傳海報，跳票好幾年了
把防空雷達站搬上山，是為了盡量減少低空盲區、延展地平線視距，儘早發現敵機——地平線上下的遠方低空，將是敵人戰機來襲的主要方向。
巨大的「太空雷達」要面對的，卻是整個天頂廣袤的宇宙空間，加上地球自轉和多點布局，不差那一點邊緣極限角度。
66米，是3000多噸重
而且收集微弱信號，精準聚焦角度的大型射電天線，對反射匯聚面的精度有極高要求——
相對於理想拋物面的變形誤差，不得高于波長的1/20
。
66米，是這麼大……
如果放置在環境惡劣的「陡峭奇峰」高處，天線反射面將受到強風、冷熱、濕度、重力等共同作用的影響，出現嚴重變形。
尤其是瞬變性的強風，即使對反射面進行主動調節，精度也無法保證。
所以在現實中，這些巨型天線其實大多布置在封閉性的盆地、谷地里，以便減少周邊電磁干擾。
而且選址要追求氣象穩定，
盡量避免災害性天氣，降雨也最好盡量少（雨水會加大微弱電波損耗）
。
真實的佳木斯站，在一個平緩山谷里
另外，從建築力學來看，巨大的可動天線，需要一個堅實、穩定、廣闊的基座。不可能把幾千噸的重量，集中承載在一個內部還留有設備、人工空間的狹小人工建築基座上。
《三體》電影的概念設計圖
而再考慮風力壓強。作用於巨大天線面的強大摧毀性作用……
《三體》電影的概念設計圖
【暫時不去那麼遠，但可以先看別人怎麼去】
總之，口徑大是王道，被動接收就是天線，主動收發就可以變成太空雷達。有了如此重磅的利器。在沒有探月任務的時刻，中國的深空網幹啥呢？
建設中的阿根廷站35米天線
人和設備當然都不能閑著，根據宣傳視頻和公開論文透露的情況，除了測量內太陽系天體目標練手，充實資料庫之外，還把主動信號對準了其他國家發射的遙遠深空探測器。
佳木斯站視頻，來自「我們的太空」視頻頻道
2017年9月，佳木斯站主動監測了歐空局「卡西尼號」土星探測器，墜入土星大氣層自毀的全過程。還有對NASA「朱諾號」木星探測器回傳信號的收錄與檢測。
而在2015年夏季，更是成功實施了對「新視野號」飛掠冥王星過程的信號跟蹤觀測，積累了有益的技術與經驗。因為
同樣是大口徑天線，同樣具備10的負19次方瓦信號的檢出能力
。所以，只要深空測控網全系配齊66米天線，
中國就同樣具備保障飛向冥王星甚至柯伊伯帶天體探測器的能力
。
【中國探月任務的逐次進化】
深空網設備性能的提升，也體現在了歷次嫦娥任務的通信改進上。2007年的嫦娥一號対地通信仍採用傳統的S波段（7.5厘米~15厘米），理論速率3 Mbps。
2010年的嫦娥二號雖然原來是一號的備份星，但改用了高頻高帶寬、但損耗也較大、對天線要求高的X波段（2.5~3.75厘米），帶寬增加到 6 Mbps，還試驗了 12 Mbps 傳輸，達到國際主流水準。
而隨著66米、35米專用天線的落成，2013年嫦娥三號的著陸器、月球車，
在受任務所限，無法使用大型天線的背景下，只用小號天線直傳地球
，卻依然取得了不錯的、滿足任務需求的速率：
嫦娥三號著陸器的數據傳輸，使用中增益天線時等效功率為16瓦，速率為500 kbps ，使用定向天線時等效功率316瓦，
速率為 2.5 Mbps
。
月兔一號月球車無需著陸器中轉，可單獨、直接與地球通信，經過聚焦後的天線等效功率為250瓦，
下行速率 2 Mbps（實驗信道4 Mbps）
。
可見，即使有一方用小天線，只要另一方用大天線，在一定距離內，依然可以取得不錯的傳輸速率。
佳木斯站
【複雜組合的嫦娥四號任務】
待到阿根廷站建成，一大段測控空白期被填補上，2018年實施月背著陸的嫦娥四號，終於具備發射條件。
很少見到的阿根廷站內部運作圖片
由於月球被潮汐鎖定，背面從地球方向永遠看不見
。搭建中繼通信鏈路，是實現月背探測的第一步，也是要解決的重要難題之一。
在月球軌道上真實拍攝的月球與地球
中繼星「鵲橋」發射質量448公斤，是一個長方體加太陽翼和天線的簡單結構。
（其實也不算小了，為滿足脫離太陽系的火箭助推高初速的限制，「新視野號」的發射重量也只是478公斤）
它使用CAST100-C小衛星平台，採用了近4平方米的高性能三結砷化鎵太陽電池陣、45安時的高性能鋰離子電池組，最大功率800瓦，平均功率大於260瓦。
「鵲橋」的軌道，以約1萬公裡間距，環繞著地月引力平衡的拉格朗日L2點（距離月球約6.5萬公里）。
它在這個複雜的三維動態軌道上，讓直線傳播的信號，得以繞過直徑3500公里的月球遮蔽，直通地球。
這樣，才能為降落在月球背面的「嫦娥四號」，提供地月中繼測控通信。
由於主要功能是作為信號轉發的通信衛星，「鵲橋」本身雖不大，但卻帶了一個直徑達 4.2 米的傘狀拋物面天線。
地面測試時摺疊的4.2米天線
這也是有史以來人類深空探測器直徑最大的天線
。像卡西尼號、新視野號之類，天線都沒它這麼大。
空中打開
這是因為嫦娥四號著陸器與月兔二號月球車，同樣受制於小天線（天線太大將遮蓋其他關鍵探測設備與周邊月面），發射增益上不去。
就白框里這麼大天線，先要打到7萬公里外
「鵲橋」作為接收-中轉端，如果再不用大天線，那就真廢了——
因為它距離月球表面也達到了近7萬公里
。
所以，只能盡量提高「鵲橋」的接收天線大小，提高接收增益，才能保證系統通信鏈路的暢通。
4.2米口徑的高增益傘狀拋物面天線，是人類深空探測任務史上最大口徑的通信天線
這樣，「鵲橋」與月球背面的
嫦娥四號著陸器的最高通信速率為 560 kbps，對月兔二號月球車為 280 kbps
。
嫦娥四號上很小的天線，要直傳7萬公里，還要保證一定通信速率
而由於因為月、地通信其實都來自同一個方向，為避免發生干擾，具備同時工作的能力，探月工程對各通信鏈路的頻段與載波體制，進行了兼容性安排：
「嫦娥四號」、「月兔二號」
——
「鵲橋」之間的月球中繼，採用X波段（波長2.5~3.75厘米）；「鵲橋」——地球之間的通信，採用S波段（波長7.5~15厘米）。
對地球發送，使用螺旋狀的中增益天線，
在S波段下，最高通信速率為 2 Mbps
。這個速率已經完全滿足轉發嫦娥四號、月兔二號的通訊需求了。當然，理論上「鵲橋」還可以調轉方向，用傘狀天線對地實現 10 Mbps的X波段數據傳輸，只是它本身沒太多數據可傳的。
鵲橋」除了通信轉發功能，只搭載了荷蘭研製的低頻射電天線等科學載荷，進行相關試驗。
但它可以實現對地、對月、對日和對慣性空間任意目標指向與跟蹤的三軸穩定控制，為著陸器、巡視器與地面站之間的測控與數據傳輸提供了有力支撐。
【與美國火星任務的通信對比】
沒有對比就沒有參照系，也缺乏說服力。
目前除了中國，沒有其他國家有月球表面任務，但在火星有，也是需要火星車、探測器與火星軌道上的信號中轉。
目前，NASA在火星上有如下工作的探測器：2004年著陸的「機遇」號、2012年著陸的「好奇」號、2018年降落的「洞察」號。
但「洞察」號是固定設備，創造了月球車火星車工作時間14年最高記錄的「機遇」號，去年在火星多年不遇的超級大沙塵暴中斷電，至今未能喚醒，估計凶多吉少。所以只討論900公斤的「好奇」號。
美國的從小到大三代火星車：90年代火星探路者，2014年機遇號、勇氣號，2012年好奇號
NASA現有的火星中繼網路由多個火星軌道器組成：
2001年抵達的「奧德賽」（ODY），低軌；2003年抵達的歐空局「火星快車」（MEX），高軌；2006年抵達的火星軌道偵察器（MRO），低軌；2014年抵達的火星大氣與揮發物演化蹤（MAVEN），高軌；2016年抵達的歐空局氣體跟蹤軌道器（ExoMars），低軌。
這幾個在軌衛星都有中繼轉發功能，但由於MAVEN、ExoMars還在忙於火星大氣探測任務、MEX碼率太低（最高速率128kbps），所以已經沒有什麼任務的MRO、ODY成了中繼通信的主力。
火星車的三個轉發路徑
而工作壽命已有18年的ODY最高速率也只是256kbps，MRO（以及MAVEN、ExoMars）卻裝有新式收發信機，雖然是UHF（分米級波段），理論最高速度卻達到了2 Mbps，成為當仁不讓的傳輸主力。
看上去，挺強大是不是？
「奧德賽」在火星軌道服役已17年—因為太陽風暴吹到火星，對衛星元件的摧毀比地球更弱
但MRO、ODY作為軌道高度300、400公里的低軌衛星，每天經過同一地點（「好奇」號工作位置）
平均只有2.5次，每次過頂時間平均只有8分鐘
。每天短短的20分鐘傳輸窗口，加上其他工作任務限制，
即使MRO每天也只能中轉40 MB數據，ODY 14MB。所以，還真不咋地啊
。
而高軌的MAVEN衛星（遠火點6200公里）雖然因為軌道高聳，每次可見時間超過1個小時，但實際傳輸速率卻因損耗大減，
實際也只有22 MB
。另外，火星車可以以32 kbps 與地球直接通信，但由於速度太慢，僅用於緊急情況。
2003年抵達的歐空局「火星快車」（MEX），在軌服役已15年
所以，
相當程度上，強大的「好奇」號火星車，實在是被通信狠狠地掐了脖子
。相比之下，
「鵲橋」在距離月球7萬公里（低軌高度的230多倍）處實現560 kbps + 280 kbps的不間斷持續通信能力
，算可以了。
所以，合理的辦法是部署位於火星赤道的同步軌道（高度約17030公里）中繼衛星，一顆衛星就能能不間斷覆蓋到半球的大部分區域。當然，需要兩口夠大的天線來分別接收、中轉信號。
這或許就是未來中國搞火星落地探測任務時，需要先發射的保障星。
火星軌道偵察器（MRO），配備3米直徑天線
另外，從火星軌道到地球的傳送，火星與地球之間的距離，最小6000萬公里，最大4億公里。以MRO的3米口徑天線，最近處速率可達6 Mbps，但最遠處則嚴重下降。
這就對未來載人登火的通信保障提出了重大挑戰。大概得需要一塊類似韋伯太空望遠鏡6米甚至10米的大天線。
韋伯太空望遠鏡的發射日期從2007年推到2021年，預算已經向100億美元進發
目前中國深空網與嫦娥四號任務情況大致就是這樣。
先別說中太陽系、外太陽系任務，一次飛掠，慢慢傳一兩年的模式；就拿最近的月球、火星任務來說，保障落地探測、不間斷傳輸也是一件很具挑戰的事情。
可以說，都很難。
據透露，中國第一次火星探測任務，
計劃在2020年7月份正式發射火星探測器，經過10個月的飛行，到2021年到達火星，著陸火星表面並進行巡視探測
。其後，
計劃2028年左右進行第二次火星探測任務，採集火星土壤返回地球
。此外，還將在2030年前後開展木星系探測和行星系探測。
說到底，探索星辰大海，基礎還是得在地球上。
而這還只是內太陽系而已。由此進一步延伸，射電望遠鏡、脈衝星、深空探測、外星文明，這些就更不是一篇文章能說得清楚的了，以後再慢慢聊吧。
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1、題圖、尾圖為
@COLTZ
2012年繪製的一整套《三體》系列概念圖的其中兩張。更多精美原創概念繪圖，可訪問 @COLTZ 微博相冊。2、佳木斯站等中國深空測控網圖片、視頻，主要來自中國航天相關官方微博
@我們的太空微博
@China航天
，主要攝影者 呂炳宏。 特此感謝。3、主要參考資料：吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 於國斌, 劉繼忠, 張瑋, 寧遠明, 盧亮亮，< 「嫦娥4號」月球背面軟著陸任務設計>，《深空探測學報》2017-2
（全文完）
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