出品：科普中國
製作：中國科學院國家天文台 劉博洋監製：中國科學院計算機網路信息中心（本文為問題《獨立日：捲土重來》中QQ地月視頻通話真的可以實現嗎？需要克服哪些科技難題？下的答案。）
前天中午看著英國退歐的消息，當時就腦子一熱溜去看《獨立日2》首映去了……噫，怎麼說呢，中國元素多的我尷尬症都要犯了，不知道周圍那些老外心裡怎麼想。。。（鵝廠這個「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，都是我家鄉企業，我也不說啥了……）
好了正經答題。
在地月之間視頻通話？當然可以。不嚴格的說，半個世紀前我們就做到了。
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，當然要萬無一失。要解決的問題最根本就是，怎麼讓信號在非常有限的數據傳輸能力下靠譜的傳回來、靠譜的接收到。
一方面，NASA從攝像設備入手，儘可能減小產生的數據量：當時美國的電視標準是採用525線隔行掃描、每秒30幀的格式，而NASA給阿波羅任務專門定製了320線逐行掃描、每秒10幀的慢速掃描攝像機，這種特別定製的攝像機讓電視信號回傳所需的帶寬降為標準格式的十分之一。
由西屋電氣製造的這款攝像機品質其實還是相當不錯的。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。不過由於和標準電視畫面格式不同，在實時轉換的過程中，原始圖像的畫質被毀了不少（上面右圖）。
另一方面，由通信領域的基本定理「香農·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係。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用於任務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，使用這三個兩兩經度差約為120°的天線，可以實現不間斷的通信。1961年，澳大利亞建成Parkes 64m望遠鏡，成為當時世界上最大的射電望遠鏡之一、南半球最大的射電望遠鏡。該望遠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（DSN）的核心Goldstone建成了同樣口徑為64米的射電望遠鏡。該望遠鏡甫一建成，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」，右為水手四號發回的火星影像）到了1969年肯尼迪劃定的十年大限，NASA終於準備好進行真正的首次載人登月任務，阿波羅11號。為了支持阿波羅11號任務的電視直播，NASA同時動用了Goldstone和澳大利亞Parkes兩台64米望遠鏡。這兩面大口徑望遠鏡的加入，將接收下行信號的靈敏度提升了約6到10倍——64米口徑望遠鏡的接收面積為26米望遠鏡的6倍。每每為澳洲射電天文學界所稱道的，是Parkes望遠鏡的優異性能。雖然兩台64米望遠鏡先後被用於直播信號接收，但在NASA發現Parkes的效果比Goldstone好很多後，剩餘直播全程都是採用Parkes接收的信號——這期間Parkes所在地不巧颳起強風，望遠鏡始終在超出機械結構設計能力的狀態下堅持工作，不辱使命。比較有意思的是，當時阿姆斯特朗跟奧爾德林倆人到達月球後，按計劃應該先休息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後，最終還是基本準時的出艙。
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）：
（為什麼是綿羊不是袋鼠？）不過幾十年之後人們仔細檢查當時的數據，發現這個畫質不好的「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後，在轉換成正常電視信號格式時，黑色色階的值設置錯誤，導致暗部細節全部沒能顯示。這是當時Goldstone和Parkes的圖像對比（分別為左、右）：
由於Parkes 64m望遠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」）就保證了信號傳輸的順利進行——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約了時間。
後來，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（飛船右側的倒傘形）。當然比起《獨立日2》電影里這段QQ視頻聊天，阿波羅任務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，網圖）這畫質，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（我估的，可能不準）。當然，在摩爾定律狂飆突進幾十年後的今天，如果只需要提升十倍數據傳輸能力，現在的人類當然做的到。（感謝讀者的專業補充：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據傳輸能力也差不多能實現了。）比如2010年發射的嫦娥2號繞月探測器，其搭載的X頻段通信載荷能夠達到12Mbps的數據下行速率——別說720p了，1440p也快夠了。而即使走的遠一點，到其他行星去，現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的數據，相當於一部小電影（誤）；遠在冥王星的新視野號，每天也能傳回約20MB的數據，讓我們得以探索冥王星上冰下海的蹤跡。咱們的嫦娥任務產生的信號的地面接收用到的是我國幾面較大的射電望遠鏡/測控站天線，包括：雲南昆明40米望遠鏡、北京密雲50米望遠鏡、上海天馬65米望遠鏡、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。當然，坑已經基本填好，馬上就要在今年9月開光的貴州500米口徑球面射電望遠鏡FAST如果參與深空支持，還將以其靈敏度優勢極大的提升深空數據傳輸速率。
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的穩健性。相比於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，有利於對沖望遠鏡指向可能出現的微小誤差。相距幾千公里的這些射電望遠鏡組成的陣列更是可以進行甚長基線干涉，準確測定航天器的位置。總之造這麼多鋼鐵巨獸，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吧！以上。
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