源 | 科學公園 文 | 飛蠓
「東風程序轉彎。酒泉光學跟蹤正常，青山USB雷達跟蹤正常，遙測信號正常。雙城光學雷達跟蹤正常。東風光學USB雷達跟蹤正常，遙測信號正常，東風飛行正常。」這是我們經常從中國太空飛行器發射直播現場聽到的聲音，您知道這裡面的USB是什麼意思嗎？
它不是我們電腦上用的那個接口（Universal Serial Bus，通用串行總線）的意思，而是另外一個英語短語Unified S-Band （統一S波段）的縮寫。在美國發展載人航天的早期，載人飛船和地面的語音與遙測信號是通過超高頻（UHF）和甚高頻（VHF）系統發送接收的，而對飛船的跟蹤則由地面雷達使用C波段信標實現的。由於阿波羅飛船將飛向38萬千米外的深空，如果船載通信設備還是各搞一套，勢必要在飛船上疊床架屋安裝很多儀器，這既提高了通信系統的複雜度，也與阿波羅飛船千方百計減重的大目標背道而馳，1962年，NASA的通信工程師們決定採納麻省理工學院林肯實驗室的建議，用單個集成通信和跟蹤系統來實現地面與阿波羅飛船的通信遙測和測距功能。這個系統因為使用了無線電的S波段，後來被命名為「統一S波段」系統（我國航天測控網從90年代開始採用這一先進和標準的測控體制，1999年5月10日發射的實踐五號衛星是我國第一個採用統一S波段測控體制的太空飛行器）。
阿波羅計劃中使用的這套通信系統的核心思想是雙重調製，具體方法是：地面把語音和數據信號先調製在副載波上，然後再複合上測距用的偽碼，用這個信號再對要發送的上行載波頻率進行相位調製，進而發射出去；接收到信號後，太空飛行器從載波中提取副載波，並恢復成語音和命令數據，然後提取出測距偽碼，太空飛行器要下發的語音和遙測數據同樣先調製到副載波上，然後複合先前提取出的測距偽碼，再對下行載波頻率進行相位調製，然後發射回地球；太空飛行器還可以對下行載波進行頻率調製，以便傳輸電視信號或數據。
圖1、登月艙下行調頻信號頻譜圖
阿波羅計劃中下行鏈路的頻率範圍是2200 - 2290MHz，其中分配給指令勤務艙下行調相信號（可以傳輸測距碼）的頻率是2287.5MHz，下行調頻信號（可用於傳輸視頻，II型阿波羅飛船設計時加入）的頻率是2272.5MHz，分配給登月艙的下行頻率是2282.5MHz，分配給月球漫遊車的下行頻率是2265.5MHz；上行鏈路的頻率範圍是2025-2120 MHz，其中分配給指令勤務艙的上行頻率是2106.40625MHz，分配給登月艙、月球車及S-IVB（土星5號第三級火箭或者土星1B的第二級火箭）的上行頻率均為2101.802083MHz。發射功率方面，地面發射功率是10千瓦，而阿波羅飛船上的發射功率是20瓦。有報導稱蘇聯監聽了這些上、下行信號。
登月艙下行鏈路通信帶寬初期設計是3MHz，其中1.25MHz分配給了語音通信，遙測信號分到了1.024MHz，剩餘的通信需求只分到了700KHz。這種帶寬分配方案證明在阿波羅計劃的初期NASA並沒有認真考慮向公眾進行電視直播這件事，要知道當時美國標準制式電視廣播信號所需帶寬約為4.5MHz，與上述帶寬分配方案中的剩餘帶寬相差甚遠。很多工程師甚至反對在阿波羅飛船內配備攝像機，理由只有一個：為飛船減重。
最終NASA還是計劃在阿波羅指令艙裡安裝電視攝像機，不過這種攝像機所佔用通信帶寬必須限制在幾百KHz範圍之內，當時唯有50年代末問世的慢掃描電視技術能夠滿足條件。1962年，NASA為還處在設計階段的I型指令勤務艙內使用的電視攝像機發出了招標書，規定這種電視攝像機的主要技術規格為：黑白信號，幀率為10幀/秒，逐行掃描，320行掃描線，解析度為200行，信號帶寬500KHz。1964年NASA又決定這種電視攝像機必要時能達到解析度500行，當然這時幀率可以降到0.625幀/秒，目的是能夠記錄和傳輸月面上某些實時的有科學意義的高解析度畫面。雖然這時候已經有了在登月艙上攜帶電視攝像機的意圖，但對大眾進行電視直播依然不在NASA的考慮範圍之內。
有陰謀論者質疑稱，根據他們的所謂「熱力學計算」，人類無法在地面上接收到從月面傳回的視頻信號。實際計算一下就能知道這種說法是荒謬的。首先我們先了解一點基本的通信原理。一個點狀無線電信號源發出的無線電波在真空中傳播的時候是球面波，隨著通信距離的延長，接收到的信號強度會迅速衰減，這種信號強度的衰減叫做路徑損耗，具體衰減的程度由下面的公式可以估算：
Ls=32.45+20lg(f)+20lg(d)，其中f為信號頻率，單位是MHz，d是傳輸距離，單位是千米。
阿波羅飛船用的是S波段，登月艙下行頻率近似值取2.2GHz，地月距離近似值取384000千米，代入後計算可知為衰減量約為211dB。阿波羅登月艙上的高增益天線是20dBi，地面接收站的64米天線的增益是59dBi（均為2GHz條件下），登月艙的發射功率是20瓦（即43dBm），可以計算出信號傳到地面接收站後的功率為43+20+59-211=-89dBm，而64米天線的信號接收閾值為-157dBm，接收這樣強度的信號是沒有任何問題的，即使用26米天線（增益約50dBi）也能夠收到。
陰謀論者或許會強辯，即便地面能收到信號，信道傳輸速度也不一定能達到傳輸視頻的標準。我們還可以通過計算來回答。還是先來學一點基本的通信原理。通信學上計算信道最高傳輸速度的公式是：
C = W×log2(1+S/N)，其中W是帶寬，單位是Hz，S/N是信噪比，計算結果單位是bps。
阿波羅上的黑白攝像機佔用帶寬是500KHz，就算信道信噪比是30dB（即S/N=1000，一般電話線的語音通話質量），計算下來最高通信傳輸速率約為5000kbps，約合625kB/s，如果是數字信道，理論上講傳輸720*480的DVD畫質的數位訊號都可以，實際傳輸個200線黑白模擬電視信號當然不在話下。
一共有兩家美國公司拿到了NASA的合同，一家是RCA（1962年拿到合同），另一家是西屋電氣（Westinghouse Electric，1964年拿到合同）。RCA生產的黑白SSTV用在了阿波羅7號和8號任務指令艙上，其感光元件為1英寸光導攝像管，功率為6.5瓦，質量為2千克；後者生產的黑白SSTV用在阿波羅9號指令艙和11號登月艙上（此外作為阿波羅13號、14號、15號及16號這四個登月艙的備用攝像機），感光元件為1/2英寸的二次電子導電攝像管，功率6.5瓦，質量為3.25千克，能提供兩種解析度的信號（200線@10 fps，500線@0.625 fps）。
圖2、RCA生產的指令艙艙內黑白電視攝像機
圖3、西屋電氣生產的登月艙和月面用黑白電視攝像機
因為NASA一開始並沒有計劃讓太空人在月面上對大眾進行電視直播，所以他們僅僅準備讓登月太空人帶上一部16mm電影攝像機和一定數量的彩色膠片，把月面上一些關鍵活動拍下來帶回地球衝洗並製作成記錄片。但是很多人，特別是NASA內部負責公共信息發布的那些人就感覺對於這麼一次偉大的行動，用這樣的方式來記錄是過於吝嗇了。例如1964年4月，阿波羅辦公室副主任威廉·A·李就在給管理層的信中指出：
阿波羅計劃的一個[目標]是以我們的太空實力給世界留下深刻印象。可以設想首次登陸月球的嘗試將引起全世界的高度關注……文明世界裡的很大一部分人將在電視機前搞清楚這次嘗試是成功還是失敗。（One [objective] of the Apollo Program is to impress the world withour space supremacy. It may be assumed that the first attempt to land on themoon will have generated a high degree of interest around the world. . . . Alarge portion of the civilized world will be at their TV sets wondering whetherthe attempt will succeed or fail.）
在這些人士的積極建言和努力下，1968年5月，NASA改變了主意，決心要把登月太空人在月面上的活動直播到全世界。然而當時美國標準電視信號是30幀/秒，隔行掃描，525行掃描線，此時阿波羅首次載人飛行已經箭在弦上，根本不可能停下來等著合適的攝像機開發出來（1967年1月阿波羅1號悲劇性的大火之後，NASA考慮修改II型指令勤務艙的設計方案，順便給它增加了足以傳輸完整視頻信號的通信帶寬），所以NASA當時最可行的做法就是把原定不公開的慢掃描電視信號公開給大眾傳媒。然而原始的慢掃描電視信號不能直接拿來進行電視廣播，必須進行格式轉換。NASA採用了一個機（bèn）智（zhǔo）而有效的辦法：地面收到的慢掃描電視信號分成兩路，一路傳輸到一個磁帶記錄裝置那裡，保存在磁帶上，另一路傳輸到掃描轉換器，也就是一臺10英寸的顯示屏上，在那裡，一臺RCA公司的TK-22型電視攝像機的鏡頭對準了這個顯示屏，用信號重複播放的辦法補足慢掃描電視信號和NTSC標準信號之間每秒相差的20幀，最終形成標準的無閃爍的NTSC信號，這個可以用來廣播的電視信號經過休斯頓傳輸到紐約，然後廣播到全世界。用現在的眼光來看，經過這種複雜轉換後的電視畫質慘不忍睹，但在當時已經足夠轟動全球了。
圖4、RCA生產的視頻掃描轉換設備
為了接收和發送無線電信號，阿波羅飛船上安裝了很多天線。其中指令勤務艙尾部有一個吊臂頂端安裝了由四面0.79米拋物面天線組成的天線陣，叫做高增益天線（High-Gain Antenna，HGA），它裝在活動關節上，能夠自由轉動，並能夠像可調光手電筒一樣形成三種波束：寬波束，中波束和窄波束，依次收窄天線方向圖，使其聚集成更窄的波束，以便匯聚能量從而在更遙遠的距離上與地面保持通信，指令勤務艙內的電視信號主要通過這個天線發送到地球；在登月艙上升級上安裝了一副0.66米拋物面天線，用於對地面的大帶寬通信；阿波羅12號和阿波羅14號著陸後，太空人在月面上架設了直徑約3米的拋物面天線，用於對地面的電視直播；從阿波羅15號開始，由於攜帶了月球漫遊車，拋物面天線改為架設在月球車上，這樣就可以在遠離登月艙的地方向地球傳輸電視信號了，不過由於天線只能手動調整方向，所以只能在月球車停下來之後才能把天線對準地球，這時才能開始直播。
圖5、阿波羅指令勤務艙，請注意其尾部的高增益天線陣
圖6、在月面上展開的大直徑可摺疊拋物面天線，由阿波羅12號太空人部署
由於地月距離太過遙遠，所以處在月球軌道距離上的太空飛行器發出的信號傳播到地球上強度已經非常微弱，這就影響到了傳輸速度，根據信息學裡著名的香農-哈特利定律，給定帶寬的情況下，信噪比越高，信道傳輸速度也就越高，而要提高信噪比，最簡單粗暴的辦法就是加大接收天線直徑。為此，NASA在原有三面26米直徑拋物面天線組成的深空網的基礎之上，又引入了兩臺64米直徑的「大鍋」，一面是澳大利亞1961年建成的帕克斯（Parkes）射電望遠鏡，一面是美國1966年建成的戈德斯通（Goldstone）射電望遠鏡，從而把接收下行信號的靈敏度提高了8到10倍。正因為如此，阿波羅11號登月後太空人僅用登月艙上的拋物面天線就實現了月面直播，而不需要花費時間架設大口徑可摺疊拋物面天線。
圖7、60年代初期的澳大利亞帕克斯射電望遠鏡
圖8、位於澳大利亞坎培拉的金銀花溪地面跟蹤站，由NASA建設和管理
為了測試慢掃描電視的直播性能，1968年10月，阿波羅7號乘員組首次攜帶RCA生產的黑白電視攝像機進入近地軌道，但是由於太空人們感冒後身體不適，情緒失控，與地面飛控人員發生了衝突，當地面飛控人員要求他們使用電視攝像機進行第一次直播時，指令長沃利·休拉（Wally Schirra）拒絕了，不過在後來和地面關係緩和之後，直播還是進行了。
由於這次飛行是繞地飛行，與單個地面站通信的時間有限，所以每次直播的時間都不長。太空人們通過固定機位的艙內電視攝像機向飛控中心和公眾展示了他們在軌生活，引起了公眾的極大興趣。這次直播使NASA獲得了艾美獎。
未完待續