美国深空网与旅行者号的极限灵敏度：把 10⁻¹⁶ 瓦“听”成可读数据的工程实力

【路德社·报道 ET 2025年9月21日】

1977年发射的旅行者一号，如今远在约 168 个天文单位之外。（一个天文单位是地球到太阳的平均距离，约 1.496×10⁸ 千米，所以 168 个天文单位相当于地球赤道绕行约六十多万圈的路程）以太阳为参照，它正以约 17 千米每秒的速度离去。地球与它之间的单程光时约 23 小时，意思是地面发出一条指令，需要 23 小时才到达航天器，它返回的答复再需要 23 小时回到地面，指令到回执往返接近两天。这种极端距离与时延，对通信与维修提出了苛刻要求。

旅行者一号能在今天继续“说话”，更能在星际空间完成“远程修复”，靠的是美国深空网的极限灵敏度。下行链路上，航天器的发射机只有十几瓦功率，主要使用 X 波段，通过直径约 3.7 米的高增益天线精确指向地球。信号跨越百余个天文单位后，到达地面天线面前仅剩约 10⁻¹⁶ 瓦的量级，这比一块电子表的耗电还要小许多数量级。深空网用 70 米和 34 米口径的抛物面天线接住这束能量，天线越大，朝着目标方向的能量越能被“聚拢”，别的方向的噪声越被抑制。接收机的第一只低噪声放大器采用低温冷却，把系统噪声温度压到十几开尔文量级，等效地把“噪声地板”拉低。随后依靠长时间积分把极窄带载波从噪声里“抠”出来，再用卷积码与 Reed-Solomon 等级联纠错把错误的比特纠回来。结果就是，十万亿分之一瓦也能稳定被锁定、解调和译码，哪怕下行数据率常年只有一百多比特每秒。

上行链路同样关键。深空网的 S 波段指令发射机是万瓦量级，通过巨大口径天线形成极窄的波束，准度和等效辐射功率都很高。只要航天器接收机仍工作、几何位置允许，即使高增益天线一度偏离地球，也能用“高功率上行喊话”把它拉回指向，重建通讯。这套“能听清、也能喊到”的能力，是远程修复得以实施的前提。

远程修复本身并不神秘，它是面向“超长光时、超低码率”的严谨流程。以 2023 至 2024 年旅行者一号的“乱码事件”为例：飞行数据子系统的部分内存损坏，导致打包给下行发射机的帧不可解读。地面首先用极低速的 S 波段指令读取在轨内存映像，确认损坏范围约占内存的数个百分点。接下来把关键的参数表与打包程序迁移到未损坏的地址空间，拆分成几十到上百条很小的指令依次发送；每发出一组，就等待单程 23 小时后的反馈，再根据反馈决定是否继续、是否回滚。修复按风险顺序推进，先恢复工程遥测，让地面重新看到温度、电压、姿态指向等“生命体征”，再逐台恢复科学仪器的数据回传。整个过程必须设置安全阈值与回退路径，防止把航天器写进“死胡同”。这不是一次“妙手回春”，而是一次在极慢节拍下完成的在轨移植与配置重建，背后是对链路预算、指令序列、容错策略的长期工程积累。

旅行者任务还经历过一次上下行同时中断的情况。2023 年夏天，旅行者二号因地面指令使高增益天线偏离地球约两度，既收不到指令，也发不回数据。深空网在最佳几何时窗对航天器实施高功率 S 波段上行，航天器执行复位后重新指向地球，链路恢复。另有一次在 2020 年，二号因为地面 70 米天线升级，无法接收上行指令，但下行科学与工程数传一直可见，这不属于“看不见”。这些案例共同说明，极限灵敏度与高功率上行相配合，才能在星际尺度上把问题一步步“拉回来”。

深空通信的维系还体现在细枝末节。下行采用 X 波段，常规遥测约 160 bit/s，在需要回放等离子体波等数据时短时间提高码率，之后再回落以保证稳定和能量预算。上行指令链路只有十几比特每秒，补丁必须拆得足够细，否则在 23 小时单程光时的条件下，一次写错将代价巨大。多站协同接收与长积分可以在关键时段为极弱信号再“加一分把握”。姿态保持方面，2017 年重启备用小推力器分担微小点火任务，延长了高增益天线的指向寿命窗口，这些都服务于“让天线始终对准地球”的首要目标。

这项能力意味着几方面的具体结果。第一，星际尺度的可维护性成为现实。旅行者一号在百余个天文单位之外完成在轨程序迁移与数据链路重建，四台科学仪器全面恢复，这就是最直观的例子。第二，任务设计可以走得更远也更久。未来的远日点或星际任务可以接受更小的在轨发射功率和更慢的数据率，把电力和质量留给科学仪器与寿命，而把“听得见、喊得到”的重担交给地面体系。第三，信号处理与时频技术在其他场景外溢。深空网的超稳时频基准和超窄带处理直接服务深空导航与多普勒测速，也可用于行星雷达成像和精密测距。第四，这是体系化国力的体现。大型天线群、低噪微波器件、原子钟与时间同步、数字信号处理、全球运维调度与多年稳定经费，任何一环短板都会拖垮整体。旅行者之所以“能被听见、还能修好”，正是这套体系在几十年尺度上的可靠性展示。

把 10⁻¹⁶ 瓦听成数据，把 23 小时的单程光时当作节拍来组织维修，把十几比特每秒的指令拆成能落地的步骤，再用万瓦上行把航天器“喊回来”。旅行者一号站在星际空间，证明美国深空网的极限灵敏度不是口号，而是一整套可重复、可扩展、能救命的工程能力。