太空探測器與地球相隔幾億公裡,距離那麼遠人們如何能遙控?

2021-01-16 騰訊網

太空無人探測

隨著人類科學技術的發展以及深空探測的需要,人們將目光逐漸從地球轉移向了茫茫宇宙,為了探知地球外圍空間環境、天體物理、生命科學等諸多前沿領域的第一手資料,同時又解決現有技術條件下載人深空探測的瓶頸問題,無人太空探測器得到了前所未有的重視和發展,無論是月球、近地行星,還是太陽、太陽系邊緣行星和行星帶的軌道內,都有過人類探測器圍繞運行以及經過的身影。截至目前,全球共向太空發射了近200顆探測器,這裡不包括各種環繞地球運行的人造衛星,其中現在距離地球最遠的當屬1977年發射的旅行者1號和2號探測器。

無論是對最近的天體月球進行探測,還是對火星、太陽探測,疑惑是對更遙遠的太陽系邊緣星際空間進行探測,由於所發射的探測器都是無人探測器,沒有人類在上面直接進行指令的操控,所以都必須依靠從地球向探測器發射信號,然後探測器通過接收到的信號指令,來進行姿態調整、設備運行和關閉、軌道修正等操作,原理實際上和我們玩的遙控玩具車有「異曲同工」之妙。

距離產生「美」

大家知道,宇宙中最快的速度是光速,而現在進行探測器信息遙控的方式也是通過電磁波傳輸的方式,將各種信息,比如圖像、數據、聲音等,以加密和編碼的方式形成電磁波的一種形態,即無線電信號,其在宇宙真空中的傳播速度也是光速,所以距離地球近的探測器對地球指令的響應時間較短,而距離非常遠的探測器,一個信息的來回傳輸則需要很長的時間。

以現在距離地球最遠的旅行者1號為例,目前它所處的位置距離地球達到220多億公裡,已經快要抵達太陽系外圍奧爾特星雲的邊界區域,它所傳回的信息,大約需要20個小時。距離最後一次地球給予旅行者1號的指令,現在已經過去3年多了,當時雖然信息的傳遞所需時間很長,但是通過傳回的微弱信息顯示,旅行者1號的主要設備功能仍然正常運行,也能夠有效按照地球的指令進行相應回應,可謂非常「忠實」。

但是,隨著距離的越來越遠,無線電通訊的損耗越來越嚴重,再加上探測器攜帶電池電量的日益枯竭,科學家們被迫忍痛關閉了與探測器的所有聯繫,不再新發布任何指令,不過我們在地球上仍然可以時不時地接收到來自探測器發出的,有關遙遠星空的微弱信息。

通過無線電操控的途徑

無線電通信,需要三個必需的條件才能實現,一是需要將需要傳送的數據、文字、圖像、聲音等信息,應用調製設備形成無線電波;二是要有發射裝置;三是要有接收裝置。這三個條件缺一不可,因此對於操控太空探測器來說,無論是在地球上,還是在探測器上,都需要具備這三個條件。

對於旅行者探測器來說,為了保障探測器基本功能的運轉,上面搭載了3塊反射性同位素電源和電陽能帆板,即為其它設備儀器提供電能,也為無線電通訊提供電源供應。不過,由於深空探測器的條件限制,電源的總重量必然會被高度「壓縮」,所攜帶的各種探測器、無線電發射和接收裝置的重量、功率也會相應縮減。

比如探測器的無線電發射裝置功率僅有23瓦,還沒有汽車上面微型收音機的功率大。為了提高信號傳輸效率,探測器採取加大傳輸帶寬的方式加以解決,所以深空探測無線電的發射頻率是比較高的,旅行者1號的信號傳輸頻率就達到了8.4G(另一個傳輸頻率是2.3G)。

與此同時,為了能夠高效地接收到來自地球傳輸過來的指令信號,同時能夠把需要反饋的信息高效地傳回地球,在旅行者1號探測器上,安裝了一個直徑達3.7米的高增益天線,別小看這個天線,在探測器整體質量才800公斤的情況下,3.7米的這個天線所佔據的比重顯然是比較大的。通過這個高增益天線,極大提高了對信號的發射和接收能力,繼而為下一步的解譯和指令執行奠定了堅實基礎。

而對於地面操控來說,顯然要比探測器本身所具備的條件要「優越」得多。因為只有從地面發射的信號質量更高、並且接收效率更好,才能保障深空探測信息的及時性和準確性,因此美國NASA為了最大限度地保障對旅行者1號的操控,在美國、西班牙和澳大利亞,以地表互相呈120度的形式設置了三個巨大的接收天線陣列,共同組成了深空探測通訊網絡。

最後,讓我們再看一下旅行者1號在1990年,回望地球時拍下的照片,這張照片是該探測器的攝像頭在永久關閉之前拍下的最後一張照片。地球在照片中,被那一條彩色射線帶所「湮沒」,僅僅有1個像素大小,地球包括地球上的人類,相對於浩瀚的宇宙而言,實在是滄海一粟。

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