跟遙遠飛行的「旅行者」號聯絡的地面天線長啥樣？

2020-11-05 錚錚有聲太空

今年，根據NASA公布的消息，鑑於位於澳大利亞的70米口徑天線DSS43天線已經運行了近50年，各種設備已經老化或過時，需要對發射機進行升級，以保證未來其它任務的需要，NASA不得不在今年3月開始對其進行維護升級，從那時候到現在好幾個月的時間裡，旅行者號飛船與地面的聯絡都受到影響。幸好，上周10月30日，DSS43裝好了新的發射機，並向旅行者2號發出了幾條指令。34小時48分鐘後，旅行者2號回復道：你好（hello）。


澳大利亞坎培拉天線外觀（約有20層樓）


旅行者號1號和2號現在距離地球超過180億公裡遠，作為對比，月球距離地球「才」38萬公裡遠。是誰，長成什麼樣子，在一直聯絡它們呢？


強強聯手，組成網絡

我們剛才說到的DSS43天線隸屬於NASA相關的一個組織——「深空網絡」（Deep Space Network，簡稱DSN）。它由位於美國加利福尼亞戈爾德斯敦（Goldstone，或者叫金石）、西班牙馬德裡（Madrid）和澳大利亞坎培拉（Canberra）等地的天線組成，由NASA位於加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL）管理。

深空探測網是NASA為支援深空任務、無線電通信以及利用射電天文學觀察探測太陽系和宇宙而組織的一個國際天線網絡，它是地球上最大的科學研究用途的通信系統，是為了對執行月球、行星和行星際探測任務的太空飛行器進行跟蹤、導航與通信而建立的一個地基全球分布測控網，可以提供雙向通信鏈路，對太空飛行器進行指揮控制、跟蹤測量、遙測，以及接收圖像和科學數據等。

旅行者1號和2號探測器都是在1977年發射升空。從20世紀70年代開始，建築工人們就不斷的在美國加利福尼亞的莫哈韋沙漠（California's Mojave Desert）中為碟形天線修新的「盤子」、擴張舊的「盤子」。它們是屬於美國航天局的「金石」深空通信中心（Goldstone Deep Space Communications Complex）的。科學家們就是利用「金石」的這些巨大天線與遙遠的旅行者號通信的。天線的「盤子」直徑最大的為230英尺（70米），最小為112英尺（34米），分別是從原來的210英尺（64米）和85英尺（26米）擴展成的。


「金石」的一個從60米擴張成70米天線的天線的施工圖（NASA/JPL-Caltech））

碟形天線是一種全向天線，無波束角度，在上圖好像碗一樣的天線就是它。碟形天線的「盤子」直徑越大，其面積也越大，能接收和發送的無線電波信號越遠。可想而知，信號從地面發射出來經過180億公裡的距離後，如果不進行匯聚，會因擴散而在單位面積上能量極小。碟形天線的作用是把比較大面積的電磁波反射匯聚到比較小的面積上，從而增加這一小面積上電磁波的功率，使功率強到接收方能識別出來的程度。

以70米天線為例，此類天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為拋物面，副反射面為雙曲面。在結構上，雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點重合，雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合，而輻射源位於雙曲面的另一焦點上。


美國「卡塞格倫「」天線信號接收的過程

如前所述，深空探測網主要由三處地面通信站構成，一處在美國加利福尼亞的戈爾德斯敦，位於巴斯託市附近的莫哈維沙漠之中；一處位於西班牙馬德裡附近；另一處位於澳大利亞的坎培拉附近，所有天線都具有L 、S和X頻段的接收能力以及 S 、X頻段的發射能力。它們相互之間的地理經度相隔約120度，這樣可以在深空探測器的跟蹤、測量中提供連續觀測和適當的重疊弧段，讓深空探測器總能處在一座通信站的監視範圍之內，這種安排使得即便地球在自轉，監測任務可以保持連續。


發射也要強

有接收天線，當然也要有足夠強的發射天線。旅行者1好和2號上分別裝有高增益天線，同樣採用電波匯聚方法，也就是拋物線型的反射板，來大大增強電磁波的指向性，使電磁輻射的發射方向局限在某一特定角度，能星密度更大，可以傳播的更遠。

每當旅行者與地球通信時，探測器上的陀螺儀會調整恣態，使高增益天線對準地球且路徑上不能有天體阻擋。


不斷升級改造

「金石」深空通信中心於1963年成立，當時建設和配備的硬體與人員都符合當時對「阿波羅」登月計劃的相關任務；後來，美國的海盜計劃、先鋒號以及水手號探測器，其通信都使用了「金石」深空通信中心的無線電天線，設備也不斷進行著調整。

最開始DSN只是在加大天線的尺寸。到了20世紀70年代末，也就是旅行者號探測器發射的時期，「網絡」作為新興概念快速發展，DSN開始嘗試排列天線，通過將多個天線指向旅行者號、協同作業，可以提升信號，使其具有一個更加巨大的天線的性能。1986年旅行者2號拍攝的天王星照片是飛越行星的任務在深空通信中首次採用天線陣列。JPL曾表示當今不同太空機構天線的互相協作就是從旅行者號的任務開始的。

另外科學家們也從數據傳輸方式的改進入手。例如旅行者號是第一個使用Reed-Solomon糾錯碼的太空飛行器，這種方法提高了通信傳輸數據的速率。


（國家空間科學中心曾以「空少課堂」專欄發布過本文的部分內容，該專欄同樣由本人撰寫）

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