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180亿公里! 旅行者号如何实现向地球传输数据?”

180亿公里! 旅行者号如何实现向地球传输数据?”

发布日期 :2019-02-24

关键词 :旅行者号,传输数据

美国国家航空航天局(NASA)在美国2018地球物理年会上宣布,通过比较旅行者2号上搭载的不同仪器传回的数据,经过41年的漫长飞行,旅行者2号已经通过了日球层的外部边缘,进入了星际空间,目前距离地球逾180亿公里。

两艘旅行者探测器飞出日光层的方向

另外旅行者一号探测器于1977年9月5日发射,截止到2018年11月仍然正常运作。它曾到访过木星及土星,是提供了其卫星高解像清晰照片的第一艘航天器。旅行者一号作为人类历史上向外太空发射的第一个探测器,在人类的航空航天史上成为一座十分具有纪念意义的里程碑。

旅行者一号探测器全貌

那么问题来了!旅行者一号、二号距地球近200亿公里——靠什么传回地球信号?

在太空,信号不比地球。地球遍布着网络信号,一个信息就可以从北半球传到南半球。而太空中的信号想要抵达地球,传输系统就必须依靠科技硬实力。

想象一下,有时候我们在离市区稍远的地方都会发现手机没有信号,但是NASA的深空系统需要接收一个远在200亿公里之外,并且是由一台40年前建造的,功率和冰箱里小灯差不多的老化发射器发出的信号,这真的非常令人惊叹!

旅行者号概要图

 

据了解旅行者奇异之处也在于它运用了三个同位素放射性元素的温度差作为发动机的马力(核电池),来确保系统的电力供应。

为了使地球能收到远在一两百亿公里的旅行者一号信息,旅行者号拥有一个类似大锅的接收器,名称叫做高增益天线。该天线呈线拱形状,直径有3.7米,这一设计是为了把信号集中于一点,便于接收。天线的接收效率与传送距离成反比,距离地球越远,信号干扰也强,输送效率越低。关于这一点,美国天文学家提出了可以增大天线的直径长度或是把多个天线布局成天线阵去扩大信号的接收,以提高接收效率。旅行者号的通讯频率高达8GHz,这个频段上几乎没有任何干扰,也就是信噪比非常高。

但这个信号依然太弱小,于是NASA必须釆取非常多的技术手段来保证信号的接受和摇控。关于太空的探究,科学家总在不断地尝试与探究,只为寻找最佳方案。

遥远的太空中如何正确把信号传输回来……

第一 在理论上来讲无线电波在真空状态下是没有损耗的,即使太空有各种粒子或者其他一些不确定因素影响无线点的传播也是微乎其微的,也就是说只要有功率输出就能接收得到,功率大小只是解决接受的清楚和不清楚的问题,当然旅行者上面的发射机功率并不大只有十几瓦的样子比我们用的对讲机大些但远比不了车载电台或者基地电台,这倒不是因为它的功率放大级做不了那么大,只是因为没有必要做的那么大,就算星上发射功率一千瓦,回到地球还是这个屌样子,比二十几瓦好不到那里去,功率不做大还有一个最重要的原因就是星上的核电池不支持发射机的功耗,在没有太阳光的日子里,电能变得非常重要了,因为星上还有一个用电大户,那就是里面的空调系统,在零下二百多度的空间里没有空调的话里面的电子器件分分钟就玩完。

第二 下行的信号很弱就得用增益超大的天线,就是我们平常说的大锅,几十米的直径一个,若干个还能组成天线阵列来增加系统的增益,在地面有的是空间和电力,可以把接收系统做的很牛逼,可以努力降低频率震荡的相位噪声,也可以利用低温来实现器件的低噪声,还能利用更低的温度在关键借点实现超导,用尽种种办法来降低系统的噪声,噪声下去了,信噪比就上来了。

第三 降低发信机发信的速率,很慢的一个字节一个字节发送,我们地球人有的是时间,磨刀不误砍柴功,速度慢些也比下来一大堆乱码要好得多,再说这发射机和数字调制系统还是几十年前的东东,你想快都快不了,星上的RAM读取时间也不会很快,调的快点容易死机。估计星上的内存应该是有坏的经过优化后凑合着用呢,转发器上面的功率放大系统应该也不止一套,估计也是在用备份得了。

而且它的信号发射功率,只有20多瓦,所以旅行者1号和地球间的通讯,与其他探索飞船有着不一样的地方。1、旅行者1号上,有个精密的陀螺仪,始终对着地球;基于角动量守恒原理,该陀螺仪能保证旅行者1号在茫茫的深空中,不会遗失地球目标。2、旅行者1号飞船重815千克,天线直径就有3.7米,相比其他飞船的天线算大的。