好奇号火星车的信息传输

“好奇号”火星车的信息传输好奇号成功着陆火星并传回现场照片以来，许多朋友都很好奇：火星上的好奇号与地球上的美国人是如何实现信息传递的？

为了探讨美国科学家如何解决这个问题，我们有必要先了解：火星和地球间距离的变化规律；好奇号须传递信息的内容；无线电波传输信息的一般特性和方法。

一、火星和地球间距离的变化规律

地球和火星分别是太阳系由内往外数的第三和第四颗行星，都属于类地行星，都有主要成份为二氧化碳的大气层。从下表中我们可发现：火星直径约为地球的一半，质量约为地球的九分之一，自转轴倾角、自转周期均与地球相近，公转一周约为地球公转时间的两倍。所以其有“袖珍地球”之称，是未来人类移民的一个希望所在。

表一火星与地球的部分参数比较

我们还可发现：火星与地球间距离是一直在变化的。目前的相对位置关系如图一所示。最近距离约为5500万公里，最远距离则超过4亿公里。据专家推算，两者之间的近距离接触大约每15年出现一次。2003年8月27日，火星将运行到近6万年来距离地球最近的位

置。届时，火星与地球的距离约为5576万公里。2018年两者之间的距离将达到5760万公里。这两个行星兄弟下一次再相距这么近，则要等到2287年了。了解火星和地球间距离的变化规律，把握火星和地球距离近的时机，对火星探索活动中的信息传输至为重要。

二、好奇号须传递信息的内容

美国在好奇号的信息传输中利用了2011年10月24日成功进入火星轨道的探测器“奥德赛”号提供的中继支持（见图二）。

图二火星轨道探测器“奥德赛”号

为了掌握好奇号的工作状态，确保好奇号按要求行活动，获得好奇号在火星上的工作成果，美国航空航天局（NASA）科学家们至少需要以下内容的信息交互：

●向火星轨道探测器发送（对其姿态、电源、计算机、各设备的）控制指令（遥控信

息）；

●向好奇号发送（对其电源、计算机、各设备的）控制指令（遥控信息）；

●接收火星轨道探测器、好奇号收到控制指令后的验证和执行信息（遥控信息）；

●接收火星轨道探测器发送的好奇号位置、环境信息（外测信息）；

●接收好奇号发送的关于自身各设备和系统的工作状态信息（内测信息）；

●接收好奇号发送的科学探测成果信息（10大科学仪器产生和收集的数据、图片、

视频及活动记录等）。

对于以上各类信息，因其用途需要、数据量大小、产生的频度的不同，须采用不同的信息传输策略和设备。

三、无线电波一般特性和传输信息的方法

好奇号的交互信息是利用无线电波传递的。了解一点无线电波一般特性和传输信息的方法有助于我们研究好奇号信息传递的实现问题。包括：

●无线电波在空间传输中随着距离的增加会很快地衰减，其衰减程度与距离的平方成

正比；

●通常，天线面积越大，越能将发射出去的定向无线电波汇聚成更细的波束使其传播

得更远（作用距离），或越能将传输来的无线电波汇聚得更多从而提高接收微弱信

号的效果（接收灵敏度）；

●尽管无线电波的传播速度是30万km/s，但不同频段的无线电波其特性和用途是不

完全一样的，其规律详见表二；

表二无线电波的频段划分和特性比较

●无线电波之所以能传递含有（声音、图片、数字、视频）信息的电信号，是因为电

波频率、幅度或相位可以人为地使其按信号的变化而变化（信号调制），即调频（FM）、调幅（AM）或调相（PM）；将接收到的无线电波携带信息还原出来的过程为“解调”。

●信息电信号可以是连续变化的（即：模拟信号），也可以是脉冲信号或“有”、“无”

不断变化的标准脉冲序列（即：数字信号）。模拟信号或脉冲信号与数字信号是能够相互变换的，即：A/D和D/A；

●通常，电子设备产生的或我们所说的“某频率的无线电波”，并不单是一个该频率

的正弦波电磁波，而是指以该频率为中心频率、规定频率范围（带宽）内的所有的正弦波电磁波的全部。

●“某频率的无线电波”也叫“载波”，因为用多个不同频率的、携带了需传输信息

的低频电信号（副载波）对载波同时进行“调制”，可使其规定频率范围内的不同正弦波同时分别携带多个不同的信息。这有点像一辆公共汽车可以同时载多位乘客一样。

好，现在可以讨论我们所好奇的问题了。首先，我们来看一帧好奇号的图片（图三）：

图三好奇号设备分布示意图

图中，好奇号有3个天线：RUHF Antenna、RLGA Antenna和High Gain Antenna。分别对应三个无线电系统：

RUHF Antenna与UHF频段的收发单元配套成系统，工作频率在400MHz之间，主要用于火星上的通讯，即向奥德赛号传送内测数据和科学实验的成果数据并接收经其转发的控制信息。该系统的数据传输速率最高，其数据带宽可达2MB/s。“奥德赛”每天能与地球有16小时的直连，它与地球通讯的数据带宽为256 kb/s。当探测器从好奇号上空飞过，每次能通信八分钟，最多能传输250MB的数据。这250MB数据由“奥德赛”用X频段无线电波传输到地球需花20小时时间。

RLGA Antenna和High Gain Antenna，这2个天线分别与一个“X band transmitter and receiver”（X频段收/发系统－集成电路模块）配套成系统，工作频率在7～8GHz之间。低增益全向天线的系统：能以非常低的数据传输速率（数据带宽大约8 kb/s左右）将信号持续地传输回地球，不过它的主要功能是及时接受来自地球的指令。这种工作模式可解决好奇号受遮挡不能与地球通视时的困扰，但耗电多，连续工作时间受有限电力的制约。X频段高增益定向天线是可以转动的，直径约为1英尺，在好奇号与地球通视时可以方便地将波束准确指向地球，得到远距离高质量的双向沟通。该系统的数据传输速率同样很低。这种工作模式相对省电，但受与地球通视条件的限制。

原来，好奇号对地球的信息传递是通过2个途径实现的：一是用X频段无线电波与地球