真实的红岸基地：中国深空网与嫦娥四号任务

主页君说

嫦娥四号任务的圆满成功给中国航天的2019年开了一个好头，再加上今年年底的嫦娥五号任务，以及2020年的中国火星探测任务，都会将中国的深空探测水平推向新的高度。

但在这一系列任务顺利实施的背后，是中国迅速成长的深空测控网的鼎力支持

，有了他们，中国航天的步伐才会走的更远，更稳。

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主笔唐驳虎，转载已获授权

，本文所有打赏将转给作者本人。

对于科幻迷、半科幻迷来说，刘慈欣《三体》小说里的红岸基地实在太有名了。

按小说设定，那是60年代冷战背景下，在东北山区修建的一座巨型抛物面天线，以及巨型微波发射机，功率高达25兆瓦（2.5万千瓦）。

“雷达峰是一个神秘的地方，那座陡峭的奇峰本没有名字，只是因为它的峰顶有一面巨大的抛物面天线才得此名。其实，稍有常识的人都知道那不是雷达天线，虽然它的方向每天都会变化，但从未连续转动过。”

实际上，在东北，的确有这么一座对准宇宙空间的巨型天线基地。只是它诞生至今，也就不过6年多光景，比iPhone 5还新。

【从无到有的中国深空测控网】

2004年1月23日，中国正式启动月球探测工程。

但此前中国发射的航天器都是近地轨道卫星，最远的也只是工程启动一个月前，2003年12月30日发射的探测一号，近地点555公里，远地点78051公里——比预定轨道打高了一万多公里。

虽然中国逐步组建了由国内与海外陆基站点、海基测控船，以及“天链”中继卫星组成的近地轨道测控网，但面对弱信号的高轨道乃至深空测控网则是另一回事。

我们知道，这需要巨大的天线、超灵敏的接收器和功能强大的发射器，以便在远距离传输和接收信号，提供双向通信链路以及测控定位服务。

青岛站

而当时中国航天测控网最大天线的口径只有12米，无法满足月球探测的需要。经过努力，用很少的经费在喀什和青岛新建了2个18米直径的天线。

喀什站

为满足任务需求，支撑2007年就要发射的嫦娥一号绕月卫星，改装了中科院系统几面较大的射电望远镜，执行月地通信与测控任务。

但实际上当时中国的射电望远镜，也就是上海佘山和**南山的两部25米台站。

2006年

以几部性能较好的新设备为主，原有的25米天线为辅，保障了

2007年的嫦娥一号、2010年的嫦娥二号

而面对数据通信更密集、实时性要求更高的落月任务——嫦娥三号，专用设备的缺乏就逐渐凸显。

佳木斯站建设者

从2010年起，在国土最西边的喀什测控站，增建35米天线。

在国土最东边的佳木斯测控站，新建66米（也有64米、65米的说法）天线——它的量级和技术都达到了苏联/俄罗斯、美国的水准。

佳木斯站66米天线

两个深空专用测控站的工程建设于2012年底完成，而同期建成的上海65米天马射电望远镜，就主要用于射电天文探测，当然也可加入深空测控通信任务。

喀什站35米天线

2012年12月13日，66米佳木斯深空站、65米上海天马射电镜和35米喀什深空站刚刚投入使用，就成功控制

嫦娥二号飞跃距地球约700万公里

2013年嫦娥三号落月

探测行动的测控、通信保障服务。

2013年嫦娥三号落月探测行动

【中国深空网的全球布局】

东经75度的喀什站与东经130度的佳木斯站，充分利用了中国广阔地域上的东西距离，拉开了55°的经度差距，信号覆盖能够覆盖近200度的天周，但显然仍有空缺。

嫦娥一、二、三号任务，还得到了欧洲太空局位于西班牙塞夫雷罗斯Cebreros和澳大利亚新诺尔恰New Norcia直径35米的深空天线的协助，当然，也是按照市场价格支付了一定费用。

为了解决在南半球和西半球没有深空测控站的问题，更好地保障探月工程任务，2012年7月中国与阿根廷（原计划是隔壁的智利）政府签署协定，在阿根廷中南部的内乌肯省高原[70.1495°W，38.1914°S]，建设一座深空测控站。

这里位于

安第斯山余脉与巴塔哥尼亚高原交界处

与此同时，欧空局在阿根廷门多萨省也新建了一个马拉圭Malargüe深空站，恰好位于中国深空站正北275公里的地方。

（另外，佳木斯站与俄罗斯双城子的直线距离也就是300公里）

可见，还是自己的用起来顺手。另外，中国和欧空局在阿根廷的站点都是使用35米口径天线。

按协议，阿根廷可以获得天线10%的使用时间，进行自己的射电天文学研究项目。

中国驻阿根廷深空站由中国交建的海外公司中国港湾（具体施工单位是中交四公局）承建，经过一番周折，终于

在2017年10月全部建成，参与保障2018年发射的嫦娥四号任务

。

另外，按中阿协议，还将在圣胡安省建设口径40米的中阿射电望远镜（China-Argentina Radio Telescope, CART），由中国国家天文台与阿根廷国家科委、国立圣胡安大学三方联合建设。

阿根廷35米站

这也将是中国放置在海外的首台中大型天文观测设备。

【各国深空网的简单比较】

由喀什、佳木斯、阿根廷这3个深空测控站联网组成的中国深空探测网，还将用于支持中国未来的探月三期（采样返回）、载人登月、火星探测及其他深空探测任务。

喀什、佳木斯、阿根廷3个深空测控站

相对俄罗斯国内2个站（虽然依托广袤的跨洲国土，拉开了相隔100°的经度间距）的深空网，中国用3个站实现了准全周覆盖。

同时，阿根廷站可以与国内的深空站构成较好的基线方向，利于进行高精度角度测量。

中国交建四公局承建阿根廷站

阿根廷站与佳木斯站和喀什站的经度间距各为160°、145°。虽然因为国内两站经度跨度略小，尚不能做到360°无缝覆盖，但空白段已经比较小了。

而欧空局在西澳大利亚的站点经度为东经115度左右，与阿根廷站的间距达到了185°，比佳木斯站-阿根廷站的160°间距还大，遗漏空白段自然更多。

2018年投入“嫦娥四号”任务保障的阿根廷站

欧空局阿根廷（西经70度）-西班牙（接近0度）-西澳（东经115度）全系为35米口径的天线，可以支撑10亿公里土星木星这些中太阳系目标；

而中国有佳木斯站66米口径天线，能够通联海王星以远、70亿公里的外太阳系。

所以，综合来看，短短几年，中国深空网覆盖率与性能已经从近乎空白，跃升到世界第二。

红点-中国，蓝点-俄罗斯，绿点-欧洲，黄点-美国

当然，最理想的还是美国的东澳大利亚（比西澳靠东33°，也比佳木斯靠东18°）-太平洋沿岸加州（比阿根廷靠西达48°）-西班牙的均匀间隔布局，全系70米口径主天线，真正实现深空目标百分之百无缝覆盖，这才是最佳的。

佳木斯66米天线，矗立林海雪原

【真实的深空网与假想的“红岸基地”】

佳木斯测控站一分站(深空站)的66米口径天线，就是现实版的“红岸基地”。

它具体坐落在佳木斯市与桦南县之间的七峰林场，这里人烟稀少，而且位于两山之间的谷地，便于减少周边电磁干扰。

这里必须要说，刘慈欣对冰天雪地“雷达峰”的设定，虽然视觉想定很酷，但其实是完全不符合工程与科学现实的。

《三体》电影宣传海报，跳票好几年了

把防空雷达站搬上山，是为了尽量减少低空盲区、延展地平线视距，尽早发现敌机——地平线上下的远方低空，将是敌人战机来袭的主要方向。

巨大的“太空雷达”要面对的，却是整个天顶广袤的宇宙空间，加上地球自转和多点布局，不差那一点边缘极限角度。

66米，是3000多吨重

而且收集微弱信号，精准聚焦角度的大型射电天线，对反射汇聚面的精度有极高要求——

相对于理想抛物面的变形误差，不得高于波长的1/20

66米，是这么大……

如果放置在环境恶劣的“陡峭奇峰”高处，天线反射面将受到强风、冷热、湿度、重力等共同作用的影响，出现严重变形。

尤其是瞬变性的强风，即使对反射面进行主动调节，精度也无法保证。

所以在现实中，这些巨型天线其实大多布置在封闭性的盆地、谷地里，以便减少周边电磁干扰。

而且选址要追求气象稳定，

尽量避免灾害性天气，降雨也最好尽量少（雨水会加大微弱电波损耗）

真实的佳木斯站，在一个平缓山谷里

另外，从建筑力学来看，巨大的可动天线，需要一个坚实、稳定、广阔的基座。不可能把几千吨的重量，集中承载在一个内部还留有设备、人工空间的狭小人工建筑基座上。

《三体》电影的概念设计图

而再考虑风力压强。作用于巨大天线面的强大摧毁性作用……

《三体》电影的概念设计图

【暂时不去那么远，但可以先看别人怎么去】

总之，口径大是王道，被动接收就是天线，主动收发就可以变成太空雷达。有了如此重磅的利器。在没有探月任务的时刻，中国的深空网干啥呢？

建设中的阿根廷站35米天线

人和设备当然都不能闲着，根据宣传视频和公开论文透露的情况，除了测量内太阳系天体目标练手，充实数据库之外，还把主动信号对准了其他国家发射的遥远深空探测器。

播放

而在2015年夏季，更是成功实施了对“新视野号”飞掠冥王星过程的信号跟踪观测，积累了有益的技术与经验。因为

同样是大口径天线，同样具备10的负19次方瓦信号的检出能力

所以，只要深空测控网全系配齐66米天线，

中国就同样具备保障飞向冥王星甚至柯伊伯带天体探测器的能力

【中国探月任务的逐次进化】

深空网设备性能的提升，也体现在了历次嫦娥任务的通信改进上。2007年的嫦娥一号対地通信仍采用传统的S波段（7.5厘米~15厘米），理论速率3 Mbps。

2010年的嫦娥二号虽然原来是一号的备份星，但改用了高频高带宽、但损耗也较大、对天线要求高的X波段（2.5~3.75厘米），带宽增加到 6 Mbps，还试验了 12 Mbps 传输，达到国际主流水准。

而随着66米、35米专用天线的落成，2013年嫦娥三号的着陆器、月球车，

在受任务所限，无法使用大型天线的背景下，只用小号天线直传地球

嫦娥三号着陆器的数据传输，使用中增益天线时等效功率为16瓦，速率为500 kbps ，使用定向天线时等效功率316瓦，

速率为 2.5 Mbps

月兔一号月球车无需着陆器中转，可单独、直接与地球通信，经过聚焦后的天线等效功率为250瓦，

下行速率 2 Mbps（实验信道4 Mbps）

可见，即使有一方用小天线，只要另一方用大天线，在一定距离内，依然可以取得不错的传输速率。

佳木斯站

【复杂组合的嫦娥四号任务】

待到阿根廷站建成，一大段测控空白期被填补上，2018年实施月背着陆的嫦娥四号，终于具备发射条件。

很少见到的阿根廷站内部运作图片

由于月球被潮汐锁定，背面从地球方向永远看不见

在月球轨道上真实拍摄的月球与地球

中继星“鹊桥”发射质量448公斤，是一个长方体加太阳翼和天线的简单结构。

（其实也不算小了，为满足脱离太阳系的火箭助推高初速的限制，“新视野号”的发射重量也只是478公斤）

它使用CAST100-C小卫星平台，采用了近4平方米的高性能三结砷化镓太阳电池阵、45安时的高性能锂离子电池组，最大功率800瓦，平均功率大于260瓦。

“鹊桥”的轨道，以约1万公里间距，环绕着地月引力平衡的拉格朗日L2点（距离月球约6.5万公里）。

它在这个复杂的三维动态轨道上，让直线传播的信号，得以绕过直径3500公里的月球遮蔽，直通地球。

这样，才能为降落在月球背面的“嫦娥四号”，提供地月中继测控通信。

由于主要功能是作为信号转发的通信卫星，“鹊桥”本身虽不大，但却带了一个直径达 4.2 米的伞状抛物面天线。

地面测试时折叠的4.2米天线

这也是有史以来人类深空探测器直径最大的天线

空中打开

这是因为嫦娥四号着陆器与月兔二号月球车，同样受制于小天线（天线太大将遮盖其他关键探测设备与周边月面），发射增益上不去。

就白框里这么大天线，先要打到7万公里外

“鹊桥”作为接收-中转端，如果再不用大天线，那就真废了——

因为它距离月球表面也达到了近7万公里

所以，只能尽量提高“鹊桥”的接收天线大小，提高接收增益，才能保证系统通信链路的畅通。

4.2米口径的高增益伞状抛物面天线，是人类深空探测任务史上最大口径的通信天线

这样，“鹊桥”与月球背面的

嫦娥四号着陆器的最高通信速率为 560 kbps，对月兔二号月球车为 280 kbps

嫦娥四号上很小的天线，要直传7万公里，还要保证一定通信速率

而由于因为月、地通信其实都来自同一个方向，为避免发生干扰，具备同时工作的能力，探月工程对各通信链路的频段与载波体制，进行了兼容性安排：

“嫦娥四号”、“月兔二号”

——

“鹊桥”——地球之间的通信，采用S波段（波长7.5~15厘米）。

对地球发送，使用螺旋状的中增益天线，

在S波段下，最高通信速率为 2 Mbps

当然，理论上“鹊桥”还可以调转方向，用伞状天线对地实现 10 Mbps的X波段数据传输，只是它本身没太多数据可传的。

鹊桥”除了通信转发功能，只搭载了荷兰研制的低频射电天线等科学载荷，进行相关试验。

但它可以实现对地、对月、对日和对惯性空间任意目标指向与跟踪的三轴稳定控制，为着陆器、巡视器与地面站之间的测控与数据传输提供了有力支撑。

【与美国火星任务的通信对比】

没有对比就没有参照系，也缺乏说服力。

目前除了中国，没有其他国家有月球表面任务，但在火星有，也是需要火星车、探测器与火星轨道上的信号中转。

目前，NASA在火星上有如下工作的探测器：2004年着陆的“机遇”号、2012年着陆的“好奇”号、2018年降落的“洞察”号。

但“洞察”号是固定设备，创造了月球车火星车工作时间14年最高记录的“机遇”号，去年在火星多年不遇的超级大沙尘暴中断电，至今未能唤醒，估计凶多吉少。所以只讨论900公斤的“好奇”号。

美国的从小到大三代火星车：90年代火星探路者，2014年机遇号、勇气号，2012年好奇号

NASA现有的火星中继网络由多个火星轨道器组成：

2001年抵达的“奥德赛”（ODY），低轨；2003年抵达的欧空局“火星快车”（MEX），高轨；2006年抵达的火星轨道侦察器（MRO），低轨；2014年抵达的火星大气与挥发物演化踪（MAVEN），高轨；2016年抵达的欧空局气体跟踪轨道器（ExoMars），低轨。

这几个在轨卫星都有中继转发功能，但由于MAVEN、ExoMars还在忙于火星大气探测任务、MEX码率太低（最高速率128kbps），所以已经没有什么任务的MRO、ODY成了中继通信的主力。

火星车的三个转发路径

而工作寿命已有18年的ODY最高速率也只是256kbps，MRO（以及MAVEN、ExoMars）却装有新式收发信机，虽然是UHF（分米级波段），理论最高速度却达到了2 Mbps，成为当仁不让的传输主力。

看上去，挺强大是不是？

“奥德赛”在火星轨道服役已17年—因为太阳风暴吹到火星，对卫星元件的摧毁比地球更弱

但MRO、ODY作为轨道高度300、400公里的低轨卫星，每天经过同一地点（“好奇”号工作位置）

平均只有2.5次，每次过顶时间平均只有8分钟

每天短短的20分钟传输窗口，加上其他工作任务限制，

即使MRO每天也只能中转40 MB数据，ODY 14MB。所以，还真不咋地啊

而高轨的MAVEN卫星（远火点6200公里）虽然因为轨道高耸，每次可见时间超过1个小时，但实际传输速率却因损耗大减，

实际也只有22 MB

另外，火星车可以以32 kbps 与地球直接通信，但由于速度太慢，仅用于紧急情况。

2003年抵达的欧空局“火星快车”（MEX），在轨服役已15年

所以，

相当程度上，强大的“好奇”号火星车，实在是被通信狠狠地掐了脖子

相比之下，

“鹊桥”在距离月球7万公里（低轨高度的230多倍）处实现560 kbps + 280 kbps的不间断持续通信能力

所以，合理的办法是部署位于火星赤道的同步轨道（高度约17030公里）中继卫星，一颗卫星就能能不间断覆盖到半球的大部分区域。当然，需要两口够大的天线来分别接收、中转信号。

这或许就是未来中国搞火星落地探测任务时，需要先发射的保障星。

火星轨道侦察器（MRO），配备3米直径天线

另外，从火星轨道到地球的传送，火星与地球之间的距离，最小6000万公里，最大4亿公里。以MRO的3米口径天线，最近处速率可达6 Mbps，但最远处则严重下降。

这就对未来载人登火的通信保障提出了重大挑战。大概得需要一块类似韦伯太空望远镜6米甚至10米的大天线。

韦伯太空望远镜的发射日期从2007年推到2021年，预算已经向100亿美元进发

目前中国深空网与嫦娥四号任务情况大致就是这样。

先别说中太阳系、外太阳系任务，一次飞掠，慢慢传一两年的模式；就拿最近的月球、火星任务来说，保障落地探测、不间断传输也是一件很具挑战的事情。

可以说，都很难。

据透露，中国第一次火星探测任务，

计划在2020年7月份正式发射火星探测器，经过10个月的飞行，到2021年到达火星，着陆火星表面并进行巡视探测

其后，

计划2028年左右进行第二次火星探测任务，采集火星土壤返回地球

此外，还将在2030年前后开展木星系探测和行星系探测。

说到底，探索星辰大海，基础还是得在地球上。

而这还只是内太阳系而已。由此进一步延伸，射电望远镜、脉冲星、深空探测、外星文明，这些就更不是一篇文章能说得清楚的了，以后再慢慢聊吧。

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1、题图、尾图为

@COLTZ

2、佳木斯站等中国深空测控网图片、视频，主要来自中国航天相关官方微博 

@我们的太空微博 

@China航天

3、主要参考资料：吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, 张玮, 宁远明, 卢亮亮，< “嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计>，《深空探测学报》2017-2

（全文完）

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