前幾天看到英國退歐的消息，腦子一熱就溜去看《獨立日2》了……噫，怎么說呢，中國元素多的我尷尬癥都要犯了，不知道周圍那些老外心里怎么想……（“Thank you for using QQ”還算好的，那個讓我臉盲的中國女演員抵達月球基地的時候一群人圍上去要簽名的鏡頭，雞皮疙瘩掉了一地好嗎……那個牛奶的違和堪與《變形金剛3》里有的一比，都是我家鄉(xiāng)企業(yè)，我也不說啥了……）
　　但是有人問，能否像電影中那樣在地月之間視頻通話？當(dāng)然能。不嚴(yán)格的說，半個世紀(jì)前我們就做到了。

　　這是1969年7月20日，阿波羅11號帶著阿姆斯特朗和奧爾德林兩人首次登上月球時的電視直播畫面——沒錯，是直播，不是錄播。
　　阿波羅任務(wù)本身就有人說是“開著洗衣機橫渡了太平洋”，在1960年代完成這樣的壯舉，確實有很多技術(shù)問題需要解決：電視直播作為美宣部（又名NASA【誤】）造大新聞的重點，當(dāng)然要萬無一失。
　　要解決的問題最根本就是，怎么讓信號在非常有限的數(shù)據(jù)傳輸能力下靠譜得傳回來、靠譜得接收到。

　　一方面，NASA從攝像設(shè)備入手，盡可能減小產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量：當(dāng)時美國的電視標(biāo)準(zhǔn)是采用525線隔行掃描、每秒30幀的格式，而NASA給阿波羅任務(wù)專門定制了320線逐行掃描、每秒10幀的慢速掃描攝像機，這種特別定制的攝像機讓電視信號回傳所需的帶寬降為標(biāo)準(zhǔn)格式的十分之一。

　　由西屋電氣制造的這款攝像機品質(zhì)其實還是相當(dāng)不錯的。上面左圖就是這款攝像機拍攝的原始畫面，可以看到宇航員面罩上清晰的映出飛船和人影。不過由于和標(biāo)準(zhǔn)電視畫面格式不同，在實時轉(zhuǎn)換的過程中，原始圖像的畫質(zhì)被毀了不少（上面右圖）。
　　另一方面，由通信領(lǐng)域的基本定理“香農(nóng)·哈特利定理”我們知道，信道傳輸信息的速率與帶寬及信噪比有直接關(guān)系。而提升信噪比最簡單粗暴的辦法就是——用更大口徑的天線。

　　阿波羅8號時，NASA用于任務(wù)的地面接收站由美國加州Goldstone、澳大利亞堪培拉和西班牙馬德里的三架26米天線組成，使用這三個兩兩經(jīng)度差約為120°的天線，可以實現(xiàn)不間斷的通信。
　　1961年，澳大利亞建成Parkes 64m望遠(yuǎn)鏡，成為當(dāng)時世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡之一、南半球最大的射電望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡的成功建造引來了美國人的效仿：1966年，NASA就在美國深空網(wǎng)（DSN）的核心Goldstone建成了同樣口徑為64米的射電望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡甫一建成，就成為美國火星探測的主力，被稱作“火星天線”。


左為Goldstone 64米“火星天線”，右為水手四號發(fā)回的火星影像

　　到了1969年肯尼迪劃定的十年大限，NASA終于準(zhǔn)備好進行真正的首次載人登月任務(wù)，阿波羅11號。為了支持阿波羅11號任務(wù)的電視直播，NASA同時動用了Goldstone和澳大利亞Parkes兩臺64米望遠(yuǎn)鏡。這兩面大口徑望遠(yuǎn)鏡的加入，將接收下行信號的靈敏度提升了約6到10倍——64米口徑望遠(yuǎn)鏡的接收面積為26米望遠(yuǎn)鏡的6倍。
　　每每為澳洲射電天文學(xué)界所稱道的，是Parkes望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)異性能。雖然兩臺64米望遠(yuǎn)鏡先后被用于直播信號接收，但在NASA發(fā)現(xiàn)Parkes的效果比Goldstone好很多后，剩余直播全程都是采用Parkes接收的信號——這期間Parkes所在地不巧刮起強風(fēng)，望遠(yuǎn)鏡始終在超出機械結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的狀態(tài)下堅持工作，不辱使命。
　　比較有意思的是，當(dāng)時阿姆斯特朗跟奧爾德林倆人到達月球后，按計劃應(yīng)該先休息7個小時再出艙，因為只有那時月球才能進入Parkes望遠(yuǎn)鏡可觀測的地平高度以上；然而阿姆斯特朗實在太激動，登月心切，提前開始張羅著要出艙，差點讓Parkes趕不上直播——只是出艙的宇航服太難穿上了，才讓阿姆斯特朗折騰半天之后，最終還是基本按照原定的時間出艙。
　　這段軼事還被拍成了電影《鍋》（The Dish，此處電影中譯名為筆者杜撰）： 為什么是綿羊不是袋鼠？


為什么是綿羊不是袋鼠？

　　不過幾十年之后人們仔細(xì)檢查當(dāng)時的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這個畫質(zhì)不好的“鍋”可能不能全讓Goldstone“火星天線”來背。原來是Goldstone接收到慢速掃描視頻信號后，在轉(zhuǎn)換成正常電視信號格式時，黑色色階的值設(shè)置錯誤，導(dǎo)致暗部細(xì)節(jié)全部沒能顯示。這是當(dāng)時Goldstone和Parkes的圖像對比（分別為左、右）：

　　由于Parkes 64m望遠(yuǎn)鏡的高靈敏度保障了電視直播的有效進行，阿波羅11號的著陸艙僅憑自帶的一個較小的S波段可動天線（下圖所示“Steerable S-band Antenna”）就保證了信號傳輸?shù)捻樌M行——他們本可以在地上再另外撐起一個臨時天線的。因為Parkes足夠給力，他們不必多此一舉，為緊張的月表工作節(jié)約了時間。


S-bandAntenna

阿波羅12號臨時安置天線

　　后來，阿波羅12號把攜帶出艙的攝像機從黑白的變成了彩色的，為了保證更大流量信號的順利傳輸，使用了這個S波段的臨時天線來增強信號（飛船右側(cè)的倒傘形）。
　　當(dāng)然比起《獨立日2》電影里這段QQ視頻聊天，阿波羅任務(wù)的電視直播還算不上真正的“視頻聊天”——畢竟只有單方向的視頻傳輸，從地球到登月飛船就只有語音了。


劇照

　　這畫質(zhì)，少說也得有720P吧？720P的碼率一般在5Mbps左右，可能是阿波羅11號電視信號的10倍（這個數(shù)字是我估計的，可能不準(zhǔn)）。當(dāng)然，在摩爾定律狂飆突進幾十年后的今天，如果只需要提升十倍數(shù)據(jù)傳輸能力，現(xiàn)在的人類當(dāng)然做的到。（感謝熱心人士的專業(yè)補充：如果使用HEVC編碼的話，720P碼率可以壓縮到1Mbps甚至600kbps，那樣的話即使是阿波羅時代的數(shù)據(jù)傳輸能力也差不多能實現(xiàn)了。）
　　比如2010年發(fā)射的嫦娥2號繞月探測器，其搭載的X頻段通信載荷能夠達到12Mbps的數(shù)據(jù)下行速率——別說720p了，1440p也快夠了。而即使走得遠(yuǎn)一點，到其他行星去，現(xiàn)代深空通信保障能力也足夠讓我們驚訝：在土星工作的卡西尼號飛船，每天傳回4GB的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于一部小電影（【誤】）；遠(yuǎn)在冥王星的新視野號，每天也能傳回約20MB的數(shù)據(jù)，讓我們得以探索冥王星上冰下海的蹤跡。
　　咱們的嫦娥任務(wù)產(chǎn)生的信號的地面接收，用到的是我國幾面較大的射電望遠(yuǎn)鏡/測控站天線，包括：云南昆明40米望遠(yuǎn)鏡、北京密云50米望遠(yuǎn)鏡、上海天馬65米望遠(yuǎn)鏡、新疆喀什35米深空測控站、黑龍江佳木斯64米深空測控站，中國現(xiàn)在還在尋求在阿根廷、澳大利亞等地建立海外陸基測控站。當(dāng)然，坑已經(jīng)基本填好，馬上就要在今年9月開光的貴州500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST如果參與深空支持，還將以其靈敏度優(yōu)勢極大的提升深空數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　多面天線的組合使用不僅能增大總接收面積、提升信噪比，還能有效提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)健性。相比于相同接收面積的單個鏡面，多個小口徑天線其每一個的主波束更寬，有利于對沖望遠(yuǎn)鏡指向可能出現(xiàn)的微小誤差。相距幾千公里的這些射電望遠(yuǎn)鏡組成的陣列更是可以進行甚長基線干涉，準(zhǔn)確測定航天器的位置。
　　總之，造這么多鋼鐵巨獸，不僅僅是為了讓我們能在月球上QQ視頻——不過也許有一天，這些努力終究會讓我們真的可以在月球基地聊個痛快吧！

《獨立日2》：地月通信的實現(xiàn)

圖文簡介

看過《獨立日2》，有人問，能否像電影中那樣在月球和妹子聊QQ呢？對于……