前言
2023年9月21日，神舟十六号三位航天员面向全国青少年进行为期1小时“天宫课堂”太空科普直播授课。
而美国在55年前就实现了，远在38万公里外的登月高清直播，时间长达2个多小时。
难道中国现代的直播技术，还不如55年前美国的？
首次人类登月
阿波罗11号是美国阿波罗计划中的第5次载人任务，也是人类第一次登月任务，这次任务将会让美国彻底赢下和苏联的太空竞赛。
装载着阿波罗11号的土星5号运载火箭，1969年7月16日在美国肯尼迪航空中心发射升空，在12分钟后阿波罗11号成功进入了地球轨道。
阿波罗11号在环绕了地球一圈半之后，便开始将飞船的速度加速到了10.5千米每秒，开始前往月球的月球转移轨道上。
在进入地月轨道之后，重达30.3吨的指令舱脱离，并且经过了180度的旋转成功和第三级火箭重的登月舱连接。
在经过了3天时间后，阿波罗11号终于在7月19日经过了月球背面，并且开始点燃主火箭，使载人飞船减速进入月球轨道。
经过三位宇航员的观察，他们在绕月飞行中，他们终于找到了计划中的登月地点，经过一段时间后，三位宇航员准备进行着陆。
1969年7月20日20:17:43，历史性的一幕终于诞生了，阿波罗11号指令长阿姆斯特朗，在5亿人的全球直播的下成功登陆上了月球。
登陆地点是在月球宁静海的南部，sabine D环形山西南20公里处，因为月球正面百分之69%都是凹凸不平的月面。
因此这个登陆点是美国游骑兵8号、勘察家5号、月球轨道器提供的着陆地点，由于选择着陆地点十分平淡，因此在降落上并没有遇到什么困难。
不仅如此，这次还是在全球超过5亿人的注视下完成的直播，远在38万公里外的月球直播，画面看起来也比较流畅。
而作为第一个登上月球的人，阿姆斯特丹还说出了那句经典的话：“That's one small step for man, one giant leap for mankind（这是我个人的一小步，却是人类的一大步）。”
至此，美国彻底在太空竞赛实现了反超，做到了苏联人做不到的事，并且还是在全球人的注视下实现的。
不过，可能会有人疑问，咱们天宫课程一次也就直播一个小时，还是得做好充足的准备才能够实现的，而美国却在55年前就实现了登月直播，时间还长达2个多小时，实在是让人绝对不可思议。
那么，美国是如何在38万公里外的月球实现直播？
信息来源：NASA《Restored Apollo 11 Moonwalk - Original NASA EVA Mission Video - Walking on the Moon》
NASA《Restored Apollo 11 Moonwalk - Original NASA EVA Mission Video - Walking on the Moon》
美国登月直播如何实现？
首先，需要先分析一下在55年前的阿波罗登月直播的可能性，其中一个就是摄像头，另外一个是如何接收信号返回地球，然后使用电视转播。
如果说在400公里空间站实现直播还是很正常的，但是月球可是远在38万公里之外，电视信号真的可以实现传输吗？
阿波罗11号SSTV摄像机
首先，我们从阿波罗11号登月舱的使用的两个摄像头说起，其中一个位于登月舱内，主要用来拍拍摄美国宇航员在舱位的情况。
第二个摄像头则是在阿波罗登月舱下降台上使用的折叠云台，上面使用的就是由“西屋电气”特制SSTV摄像头，这个摄像头正对着舱门梯子，所以可以捕捉到阿姆斯特丹登月月球的画面。
而西屋电气摄像头机也属于电视摄像管一类的担心，主要原理就是光纤通过镜头，投影到光电屏幕之上，然后在使用电子束逐行扫描屏幕，屏幕上电荷就会放电，从而产生电流差，然后进行放大输出。
而阿波罗11号使用的SSTV摄像头是一个二分之一英寸的二次电子导电摄像头，功率只有6.5瓦，重量为3.25千克。
并且提供的分辨率信号非常低，只有200线@10fps和500线0.625fps，可以说看起来就和幻灯片一下，10fps也就是每秒10帧的画面显示，这和现在设备根本没法比。
即使这样在55年前，这也已经是登月直播的最佳选择了，毕竟要考虑在38万公里外的月球进行直播。
因此使用这种SSTV（slow Scan Televison）也就是慢扫电视，虽然已经它满身的都是缺点，但是也就只有它能做到从月球传输画面回来。
因此使用西屋电气SSTV，通过使用这种无线广播的输出图像，也是受限于当时技术的无奈之举，所以在阿波罗月球直播的画面，其实非常不清晰，虽然看起来还流畅一点，但是其实月地视频直播基本上就变成了低保真的“月球语音广播”。
就像以前老式汽车上的FM广播一样，是通过微小的频率变化来区别不同的声音，而SSTV慢扫电视则是通过微小的频率变化区别不同的明暗。
因此，阿波罗画面传输使用的就是这种方案，虽然画面十分不清晰，还是黑白的低帧率画质，但是在哪个年代能够显示就不错了。
那么，既然画面可以用慢扫电视的方案，直播的通信问题是如何解决的？
参考资料：中国科协 《科普中国-慢扫描电视》2021.12.31
中国科协 《科普中国-慢扫描电视》2021.12.31
通信问题如何解决？
既然知道当时直播的方式用的是类似于FM广播类似的技术，那么毕竟距离那么远，实现通信和直播也是个大问题啊，毕竟通信带宽应该不够，而且月球信息真的能被接收到？
尽管当时技术有限，登月舱的通信链路带宽只有2MHZ，其中语音通信就占了1.25MHZ，因此留给视频画面的带宽仅仅有只有700Khz，这个带宽在现代几乎什么都干不了。
但是别忘了，哪个西屋电器SSTV摄像机，是支持10fps，也就是10帧每秒的画面处理，分辨率为200线，并且信号带宽是500KHz，所以说700KHZ对于SSTV摄像机已经足够了。
但是别忘了，西屋电气给阿波罗任务专门定制了320线逐行扫描、每秒10帧的慢速扫描摄像机，这种特别定制的摄像机让电视信号回传所需的带宽降为标准格式的十分之一，信号带宽只有500KHz。
所以说，这款摄像机是立了大功，由于超低的带宽，尽管损失了画面的清晰度，但是能够传来画面就已经不错了，也满足小于700Khz的要求。
而且阿波罗使用的飞船是S波段，考虑到登月舱增益天线，和地面接收站的收孔径，以及远距离传输的衰减情况，地球这边使用最小26米天线接收器就可以了，其中经过计算登月舱发射功率43dbm，地面接收设备89dbm。
因此位于加州和澳大利亚、parkes（64米直径接收器）的三个地面接收站，也就是很大的卫星天线负责处理信号。
通过这种方式，然后在通过接受到的信号，通过卫星中继传到NASA的美国飞控中心，从而实现电视直播。
不过受到来自月球的原始信号是使用SSTV的320线10帧每秒的画面，需要处理成电视通用525线30帧才能放松，因此直播画面看起来，非常的不清晰。
不过这都不重要，毕竟能够直播就已经不错了，而是由于特殊SSTV摄像头，其超低带宽，还有64米直径卫星接收器，阿波罗携带的3米口径的增益天线，专门给阿波罗提供“专线”，而且带宽又是超低，因此实现了“直播”。
可谓是用了当时地球最强大的卫星接收器，加上超级压缩的画质和带宽，点对点链接，才实现了非常不清晰的画面直播。
因此，阿波罗登月直播没那么简单，不过在当时想要实现对于美国来说还是可以的，而我们的天宫课堂直播，其实也没那么“简单”。
那么，距离地面只有400公里的空间站直播，难道不应该很容易实现吗？
参考资料：美国国家航天博物馆《How We Saw Armstrong’s First Steps》2019.8
美国国家航天博物馆《How We Saw Armstrong’s First Steps》2019.8
天宫课堂，没那么简单
相较于美国的月球直播，天宫课堂直播看起来似乎没那么难，但是这个存在一个巨大的误区，首先画质和画面清晰度完全不是一个级别的。
而且阿波罗直播是不需要考虑接力的，因为地月潮汐锁定，月球的正面可以一直对着地球，我们在地球上可以一直看月球的。
因此阿波罗直播即使是从30度地平线角度开始直播，完全可以直播到越来下山，达到8个小时，不过航天员的体力估计跟不上，月球的温差也非常大，怕是摄像机和天线也顶不住。
而天宫科技站的轨道大约在379x385公里，绕地球一圈大约为92.2分钟，这一圈将会让天宫空间站行驶约26000公里左右。
这就意味着需要铺设12个地面测控站才可以100%覆盖，并且在海中也要有中继船，这就是之前NASA想要实现的方案，但是由于耗费太大，所以没有采用。
但是为了实现对近地轨道百分100%完全测控，NASA采用在地球静止轨道布设中继卫星，因此才实现了完成测控。
而我国也是采取类似的方案，也就是“天链”系列的卫星，实现了全球测控，并且这个系统还保证了“天宫课堂”50~60分钟的不间断直播。
不仅如此，天链二号的三星目前也实现了在轨组网，相当于实现了一个天上的数据中转站，可为卫星、飞船提供中继和测控服务。
因此在天宫课堂上，宇航员们介绍了空间站的工作和生活场景，展示了微重力环境下的细胞学实验、人体运动、液体表面张力等神奇现象，讲解了科学原理实验背后的原则。
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