太空探測器遠離地球幾億公裡,距離那麼遠人們如何能遙控?

2021-01-13 優美生態環境保衛者

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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  • 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?
    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
  • 人類發射的深空探測器飛得那麼遠,怎麼還能夠遙控指揮呢?
    太空探測器遠離地球幾億公裡,人類還能操控,距離如此之遠如何能遙控?這個很簡單,就像遙控無人機一樣,這邊一按,那邊就有響應了。不過,飛得太遠,就有延時而已。不但會有延時,還有發送接收都需要更大的功率和精準度。
  • 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?
    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。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。
  • 旅行者一號距離地球那麼遠,如何保持聯絡?
    1977年發射的旅行者一號已經連續飛了42年了,它現在已經距離地球有219億公裡了,約140個天文單位,140個日地距離啊,就算是全人類拼了命帶它回來也回不來了,太遠了,超出了我們能觸及的範圍。那麼遠的距離,飄蕩在太空中,人類該怎麼與它保持聯絡以及傳輸數據呢?
  • 嫦娥2號距離地球最遠時,接近4億公裡,還有更遠的
    那麼有人問,天問一號是否是至今我們發射的距離地球飛行距離最遠的一顆太空飛行器呢?其實不是,300萬公裡的距離,早在8年前就已經被打破。到目前距離地球最遠的太空飛行器其實是嫦娥2號。嫦娥2號是嫦娥1號任務的備份。嫦娥1號發射成功,首次環繞月球飛行。因為軌道控制精準。到最終完成所有任務,有控墜落到月球表面,仍然有相當的剩餘燃料。這樣直接墜毀實在太可惜。
  • 嫦娥2號距離地球最遠時,接近4億公裡,還有更遠的
    天問一號探測器已在太空中飛行了超過200個小時,距離地球已經超過300萬公裡,各系統狀態良好。3000N發動機工作了20秒鐘,順利完成第一次軌道中途修正,繼續飛向火星。那麼有人問,天問一號是否是至今我們發射的距離地球飛行距離最遠的一顆太空飛行器呢?
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    歡迎大家評論,我們一起討論、學習太空旅行者一號是人類歷史上飛得最遠的探測器!截至目前已經距離地球217億公裡!那麼旅行者一號是如何與地球聯繫,作為飛得最遠的探測器,他是怎麼與我們通訊的那?本期我們一一解讀!
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    火星探測器的軌道修正與之類似,但不同的是火星探測器要修正的不僅僅是飛行方向,還有飛行速度等多個變量。而在茫茫太空,探測器也沒有道路標線作為參照物,因此難度很大。」值得一提的是,此次探測器上攜帶的由航天科技集團研製的3000N軌控發動機是首次太空點火工作,驗證了發動機在軌的實際性能。航天科技集團專家說:「3000N軌控發動機主要承擔著三項任務,一是太陽系『三環』轉移到『四環』過程中的姿態修正,二是『四環』上的『剎車制動』,三是火星附近的軌道調整。」
  • 一光年等於多少公裡呢?是如何定義的?
    光年並不是一個時間的長度,而是距離的長度。那麼一光年到底有多長呢?光的速度是如何計算出來的呢?光年是用來衡量天體之間的距離的單位,但是如果用光年來秒速太陽系之間的距離卻遠遠是大材小用,地球到太陽的距離只有8.3光分,到火星的距離是12.7光分,即使從地球到我們已知的太陽系系統也沒有一光年。而人類的探測器目前去到最遠的地方是哪裡呢?旅行者1號只是剛剛穿越了人類已知的太陽系的邊界而已。
  • 距離224億公裡,最遠探測器曾拍攝一張照片,令科學家沉默?
    400多年前伽利略第一次把望遠鏡指向星空,也把人類的目光帶到了地球之外。此後經過不斷的發展,人類開始進行真正的太空探索,來到了新的裡程碑。上個世紀美國和前蘇聯在二戰結束之後就進入了冷戰時期,除了在軍事上產生競爭之外,在很多領域都有「衝突」。對人類文明有推動作用的就是在航天探測領域的競賽,如果沒有經歷過那個時期,人類的太空探索可能達到不今天這個局面。
  • 距離224億公裡,最遠探測器曾拍攝一張照片,為何讓科學家沉默?
    400多年前伽利略第一次把望遠鏡指向星空,也把人類的目光帶到了地球之外。此後經過不斷的發展,人類開始進行真正的太空探索,來到了新的裡程碑。上個世紀美國和前蘇聯在二戰結束之後就進入了冷戰時期,除了在軍事上產生競爭之外,在很多領域都有「衝突」。
  • 科學家如何尋找系外行星?距離那麼遠,科學家能找到嗎?
    首先,即使距離我們最近的比鄰星,都比太陽系最遠的行星海王星要遠了8000多倍。系外行星本身不發光,很容易淹沒在宿主恆星的光芒中,就像黑暗的馬路上一隻汽車遠光燈旁邊的螢火蟲,基本不可能直接觀測。不過,我們這裡說的,是可見波段。
  • 旅行者離地球百億公裡,為何還能操控?距離那麼遠,還有信號嗎?
    玩過遙控飛機的朋友都知道玩這行比較危險,其一是速度比較高,螺旋槳很鋒利,萬一傷到人可是大事!其二則可能會炸機,啥意思呢?就是信號不好或者操作不當,航模墜毀!那些飛向太空的探測器,它們動輒在成百上千的近地軌道上,甚至遠達數億或者上百億千米的距離
  • 旅行者離地球百億公裡,為何還能操控?距離那麼遠,還有信號嗎?
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  • 離地球181億公裡!太空飛船已遠離太陽系,以每秒15公裡飛向宇宙
    距離地球181億公裡!這艘太空飛船已經遠離太陽系,以每秒15公裡飛向宇宙在寂靜的宇宙空間中,一眼望不到頭的黑暗空間裡,閃爍著無數繁星,有一艘人造宇宙飛船在這樣一個寂靜的世界中閃爍,面向銀河系的中心及其背後的太陽系。