太空探測器距離地球幾十億公裡,如此遙遠的距離,人類如何遙控?

2020-12-13 科學船塢

地面如何向遠在幾十億公裡之外的太空飛行器發送指令遙控它呢,說到這個問題,沒有什麼比旅行者1號更具有討論性,因為旅行者1號是迄今為止飛得最遠的探測器,目前距離地球已有223億公裡。

2014年9月13日,NASA召開新聞發布會宣稱旅行者1號已進入星際空間,根據旅行者1號傳回來的數據,它已經飛離了日球層,進入了寒冷的星際空間中。旅行者1號搭載了對周圍介質進行分析的儀器,傳回來的數據表明旅行者1號遭受到的宇宙線的數量增多,而帶電粒子減少,這些數據顯示旅行者1號飛出日球層了,科學家為了證明這一結果做了很多工作,飛船已經駛入了一片全新的區域,這與預期的星際環境相符合。

旅行者1號是人類第一艘駛入星際空間的飛行器,是距離地球最遠的飛行器,它現在的速度是17公裡每秒,正在朝著蛇夫座的方向前進,也許多少年以後旅行者1號抵達了另一個恆星系中。

旅行者1號距離地球那麼遙遠,地面向旅行者1號發送一次信息就需要經歷將近21個小時的時間才可以被旅行者1號接收到,而旅行者1號回復這則信息傳回來的數據也得需要這麼久的時間才可以到達地面,一來一回就是將近42個小時,而且信號還是以光速傳播的呢,可想而知有多麼遠了。既然如此遙遠,那麼地面究竟是如何與它保持聯絡的呢?

旅行者一號上安裝了高增益天線,外形形似一口大鍋,口徑3.7米,在任務期間全靠這個與地面保持聯絡,並且還安裝了精確程度非常高的陀螺儀,以便增益天線能夠正對著地球,有效的發送信息,信息是以無線電波為載體,我們知道無線電波的傳播會隨著距離增加而不斷衰減,實際上,從旅行者1號剛剛發送信息時,等到地面接收到,此時的信號強度已衰減為當時的100萬億億分之一,因此地面能接收到的信號已極其微弱。

那麼如此微弱的信號,地面該如何接收並讀取內容呢?

這就要說一下美國建設的深空通訊網絡了,簡稱DSN。DSN在全世界三個地方都建有測控站,分別是西班牙馬德裡、美國加州、澳大利亞坎培拉,這樣安排的好處是可以避免地球自轉的影響,始終都會有1個測控站可以接收到旅行者1號發送的信號。

飛行器距離地球那麼遠,信號損耗的那麼厲害,此時地面上就需要建立更大口徑的天線來接收信號,口徑當然是越大越好,但是單個天線的口徑是有限度的,並不是想做多大就能夠做多大。DSN的三個測控站的天線是夠用的了,比如位於馬德裡的測控站由一個70米級的天線以及2個34米的波束波導天線、1個34米的高效率天線組成,其它的2個測控站大體上都是這樣的配置。

前文說到了,由於傳到地球上的信號已經是發送信號時強度的100萬億億分之一了,如何才能「聽得清」,這就需要地面上的天線的增益功能了,說白了,就是放大信號的強度,使信號達到可以被「聽得清」的程度。

地面發送指令給旅行者1號時,也需要增強信號,而且旅行者1號也需要正對著地球,這樣才可以正確地接收到地面發送的信息。

2017年11月28日,NASA做了一次測試,給遠在211億公裡外的旅行者1號發送了重啟已經塵封了37年的航跡修正推進器的指令,經過了近40個小時的焦急等待,工作人員終於等來了旅行者1號的回覆:四個備份推進器全部啟動10毫秒工作正常!在場的工作人員流下了激動的淚水。

旅行者1號是人類釋放的第一個「信使」,上面攜帶著地球與人類的信息,它正在朝著茫茫的星辰大海前進。目前僅靠著放射性同位素溫差發電機來供電,為了節省電能以保證與地面的聯繫,旅行者1號上的絕大部分的設備已停止了使用,再過幾年當電能徹底耗盡之後,旅行者1號將成為無聲的信使向著宇宙深空進發,誰也不知道它未來的命運會是什麼。

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