“帶我去火星”
4月29日，美國航天局（NASA）宣佈將執行“火星2020”任務的火星直升機命名爲“機智”號（Ingenuity）。這個名稱來自亞拉巴馬州的中學生瓦妮扎·魯帕尼，她的提議從全美2.8萬名中小學生的投稿中勝出。而在此前的3月5日，NASA宣佈新一代火星車定名爲“毅力”號（Perseverance），這個名稱同樣來自一名13歲的中學生。
安裝在“毅力”號火星車上的“機智”號火星直升機 圖/NASA
“火星2020”是NASA目前最重要的兩個項目之一（另一個是商用載人飛船）。根據計劃，“機智”號將在7、8月間與“毅力”號一起從卡納維拉爾角空軍基地發射升空，預計2021年2月18日登陸火星赤道以北的耶澤洛隕石坑。“機智”號的任務是在火星上進行首次動力飛行測試的技術演示，“毅力”號則負責尋找曾經存在過的生命跡象並收集土壤樣品。這些樣品將儲存在密封設備中留在火星表面，等待今後到達火星的航天器帶回地球。
“毅力”號的攝像機 圖/NASA
2019年5月，NASA曾舉辦過一次“送名字上火星”（Send Your Name to Mars）的活動。航天愛好者在活動網站提交自己的姓名和國籍後，會得到一張系統生成的火星“登機牌”。這次活動的參與者超過1093萬，人數最多的4個國家是土耳其、印度、美國、中國。參與者的姓名被蝕刻在硅芯片上，將隨“毅力”號一起前往火星。“登機牌”右下角還特別註明，本次飛行累積的里程數是504 668 791千米。
火星“登機牌” 圖/NASA
Quick Facts
發射窗口：2020年7月17日至8月5日
發射地點：卡納維拉爾角空軍基地41號航天發射複合體
運載火箭：宇宙神-V
着陸時間：2021年2月18日（預計）
着陸地點：火星耶澤洛隕石坑
發射窗口
除“火星2020”外，今年還有兩個火星探測任務蓄勢待發，即中國的“天問一號”任務和阿聯酋的“希望號”任務，2020年可謂“探火扎堆年”。原因很簡單：今年夏天是火星探測器的最佳發射窗口。
發射窗口之所以重要，是因爲在此期間發射探測器能節省燃料。畢竟探測器的空間有限，需要選擇燃料消耗最少的方式前往火星。
爲此，探測器先在地球附近加速，進入稱爲“霍曼轉移軌道”的橢圓軌道；到達火星附近時再減速，被火星捕獲後環繞其運行。這樣一來，途中只需進行兩次推進操作就能到達火星，從而最大限度減少了燃料消耗。
由於探測器沿霍曼轉移軌道從地球前往火星的航行時間是不變的，因此在選擇探測器的發射時間時，地球與火星的相對位置必須滿足一個要求：霍曼轉移軌道的遠日點正好與火星的公轉軌道相交。也就是說，當探測器到達橢圓軌道的遠日點時，火星應該恰巧“等”在那裏。這樣的機會大約每26個月出現一次，如果錯過則只能再等26個月。
從地球到火星的霍曼轉移 圖/科普中國
注意，探測器的發射窗口並不是地球與火星相距最近的時候，因爲探測器不是沿直線、而是沿橢圓軌道（霍曼轉移軌道）前往火星的。
在好評如潮的太空模擬遊戲《坎巴拉太空計劃》（KSP）中，玩家需要掌握霍曼轉移才能操作航天器從一顆行星飛往另一顆行星。《坎巴拉太空計劃》也引起了航天機構的興趣，NASA的科學家和工程師協助遊戲開發商設計了火箭以及執行任務所需的工具。
霍曼轉移：軌道升高 圖/ KSPedia
霍曼轉移：軌道降低 圖/ KSPedia
“螢火一號”：出師未捷
除“火星2020”外，今年夏天最受關注的航天活動當屬中國首次火星探測任務“天問一號”。但“天問一號”並非中國探測火星的首次嘗試，如果2011年的“螢火一號”任務沒有失敗，我們探索星辰大海的腳步可能會快很多。
“螢火一號”屬於中俄航天合作項目之一。當時俄羅斯正在積極推進“福布斯-土壤”任務，這是自蘇聯解體以來俄羅斯首次總體規劃的火星探測任務。根據原先的計劃，“螢火一號”探測器將搭乘俄方運載火箭進入火星軌道，然後自主開展火星空間環境的探測任務。而“福布斯-土壤”探測器將在“火衛一”表面着陸，採集土壤樣品後返回地球。
“福布斯-土壤”和“螢火一號”構型 圖/拉沃奇金設計局
不過俄羅斯的技術積累並不盡如人意，加上航天部門預算不足，因此很長一段時間以來沒有實施火星探測。俄羅斯的上一次火星探測任務還要追溯到1996年。當時搭載“火星96”探測器的“質子號”運載火箭第四級點火失敗，火箭和探測器最終墜入太平洋。航天界調侃“火星不屬於俄羅斯”，但火星探測的難度極大，失敗也是平常之事。
“螢火一號”原計劃於2009年10月發射。但在發射前，俄羅斯以確保項目可靠性爲由將發射時間延後兩年。當地時間2011年11月9日，攜帶“螢火一號”的“福布斯-土壤”探測器從哈薩克斯坦拜科努爾航天發射場升空，但不久後就從測控網中消失。測控中心後來發現，“福布斯-土壤”探測器與火箭分離後未能成功變軌，被困在地球向火星過渡的橢圓軌道上，最終於2012年1月15日墜入太平洋。
求人不如求己，“螢火一號”任務失敗後，中國決定自主進行火星探測。但“螢火一號”只是一顆“搭便車”的微小衛星，只負責進入火星軌道開展探測。而現在從運載火箭、軌道器、着陸器、火星車到深空測控網，全部需要獨立完成。這就如同原本只是搭車前往目的地，現在卻要自造一臺車一樣，難度可想而知。
日月安屬？列星安陳？
2016年1月11日，中國火星探測任務正式立項。2020年4月24日，中國首次火星探測任務定名爲“天問一號”。這個名稱徵集自全球近3.6萬份投稿，“天問”從最終入圍的8個候選名稱中脫穎而出。
“天問一號”着陸器和火星車組合 圖/國家航天局
“螢火”任務原計劃分四個階段完成“繞”、“落”、“巡”、“回”，而“天問一號”將一次性完成“繞”、“落”、“巡”三大任務，這在航天史上尚無先例。
僅以“落”爲例，所有火星探測器都要經歷“恐怖7分鐘”的考驗。探測器進入火星大氣時的速度約爲每秒2.1萬千米，而速度需要在7分鐘內降至零。由於通信延時較長，因此探測器只能依靠事先注入的指令下降和着陸，且必須自行處理遇到的所有問題。
2012年登陸火星的“好奇”號火星車利用“天空發動機”着陸 圖/NASA
根據計劃，“天問一號”將在7、8月間從海南文昌搭乘“胖五”升空，預計2021年4月23日在火星烏托邦平原着陸，這裏也是當年“海盜二號”探測器的着陸地點。
火星烏托邦平原 圖/NASA
烏托邦平原的直徑約爲3300千米，是太陽系最大的撞擊坑。“天問一號”目前選定的兩個着陸點在埃律西昂山附近，面積約爲40千米×100千米。
“天問一號”的計劃着陸地點 圖/Thomas Schumann
2300年前，屈原在長詩《天問》中發出“日月安屬？列星安陳？”的慨嘆。再過兩個多月，“天問一號”就將踏上征程。
Quick Facts
發射窗口：2020年7月23日至8月5日
發射地點：文昌航天發射場101工位
運載火箭：長征五號遙四
着陸時間：2021年4月23日（預計）
着陸地點：火星烏托邦平原
地火通信如何進行
那麼，數據如何從火星傳回地球呢？地火通信目前以微波或激光作爲傳輸介質，使用中繼通信模式。比如在“天問一號”任務中，軌道器將爲着陸器和火星車提供中繼通信鏈路。
每次執行火星探測任務時，探測器的通信系統設計都是一項耗時費力的工作。因此科研人員設想在今後構建一種由多顆中繼衛星組成的火星全球定位系統，以承擔通信任務。簡單來說，火星車將數據發送給環火中繼衛星，中繼衛星進入與地球通信的區域後，再通過微波或激光將數據發送給地球接收系統（環地衛星或地面站）。
由於兩顆行星的相對運動，地火之間的通信延時隨時都在變化。如果“天問一號”按計劃在2021年4月23日登陸火星，那時地火之間的距離約爲2.94億千米，地球發出的指令經過16.32分鐘才能到達“天問一號”，需要等待同樣的時間才能收到“天問一號”的回覆，而信號衰減尚未考慮在內。
2021年4月23日地火單向通信延時示意圖 圖/星際移民中心
當地球與火星相距最近時，單向通信延時約爲3.5分鐘；而當地球與火星相距最遠時，單向通信延時將達到22分鐘。相比之下，信息從地球傳至月球僅需1.3秒。從這個意義上說，月球可謂“近在咫尺”。
在電影《火星救援》中，男主角最初通過火星探測器的攝像機接收來自地球的信息，雙方利用十六進制相互通信：男主角在探測器周圍插上一圈寫有數字0到9、字母A到F的牌子，攝像機指向哪個牌子就記下相應的字符，然後對照ASCII表解讀信息。
接收來自地球的信息 圖/《火星救援》
爲什麼採用十六進制而不是十進制或二進制呢？因爲ASCII定義了128個字符，表示同樣一個字符時，十六進制比十進制或二進制使用的比特數更少，攝像機轉動的次數因而更少。畢竟地球與火星之間的通信延時太長，攝像機轉動的次數越多，接收完整信息需要等待的時間就越長。
ASCII表
如果採用十進制接收信息，那麼攝像機需要轉動3次才能表示一個字符（000到127）。比如我們希望發送“How”，這3個字母的十進制值分別爲072、111、119，所以攝像機一共需要轉動9次。
如果採用二進制接收信息，那麼攝像機需要轉動7次才能表示一個字符（0000000到1111111）。同樣以接收“How”爲例，這3個字母的二進制值分別爲1001000、1101111、1110111，所以攝像機一共需要轉動21次。
而採用十六進制時，攝像機僅需轉動2次就能表示一個字符（0x00到0x7F）。“How”這3個字母的十六進制值分別爲0x48、0x6F、0x77，所以攝像機只要轉動6次即可。
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地火通信並非《無線通信簡史》重點討論的內容，但探尋電磁波的發展歷程是一件很有意思的事情。麥克斯韋建立電磁場理論後，赫茲率先通過實驗證實了電磁波的存在。他的實驗意義非凡，但赫茲最初並未意識到電磁波在通信中的巨大潛力，他認爲電磁波可能“毫無用處”。這位德國物理學家沒有想到，無線通信技術不僅徹底改變了人類的日常生活，也從根本上改變了世界歷史的進程。
在移動通信領域，諾基亞曾經是當之無愧的王者。從1997年到2011年的14年間，這家芬蘭電信巨頭牢牢佔據全球手機銷量第一的寶座。鼎盛時期的諾基亞爲芬蘭貢獻了4%的國民生產總值和25%的出口額，芬蘭也一度被稱爲“諾基亞王國”。
所以由前諾基亞副總裁來梳理這段波瀾壯闊的無線通信發展史，或許能爲讀者提供觀察問題的另一個視角。作爲業界知名的通信專家，彼得裏·勞尼艾寧是諾基亞歷史的見證者，他以引人入勝的筆法描述了諾基亞的迭起興衰。
從無線電、電視、手機、衛星導航、身份識別、Wi-Fi到5G，如今無處不在的移動生活，或許都能追溯到150年前那個“毫無用處”的發現。
作者簡介
彼得裏·勞尼艾寧（Petri Launiainen），前諾基亞副總裁、諾基亞巴西研發中心首席技術官，目前擔任初創企業Datumize首席技術官。勞尼艾寧在通信行業浸淫30餘年，是業界知名的通信專家，對計算機和移動通信的發展擁有深刻洞見。
譯者簡介
譯者蔣楠，出身電子與計算機工程專業的產品經理，多年來致力於產品開發與軟件架構規劃，對算法與數據密集型應用同樣興趣濃厚。業餘科技圖書譯者，嚴肅馬拉松跑者。
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