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？

2020-09-07 360百科知識

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，它們又是怎麼保證不「炸機」的呢，萬一失控又怎麼搶救回來呢？

旅行者一號，深空測控通信是怎麼保證的？

無線電通信的原理很簡單，將聲音文字、數據或者圖像等信號調製在無線電波中，傳輸到遠方，在通過解碼的方式還原，這就成了我們所熟悉的無線電通信！最早的無線電噪音幹擾很大，所以摩爾斯將字母用長短音編碼的方式防止誤碼，接收後再按摩爾斯電碼還原，其實這應該算是最早的數字通信！



數字通信

現在我們用的還是數字通信，只是頻率和編碼以及載波方式上有了很大的差別，數字通信用001100的方式來對抗幹擾，因此現代通信中模擬通信已經非常少見，數字通信還有容量大的優點。

深空測控，光有編碼優勢是不夠的

大家可能都聽說過深空測控網，簡單的說就是在地球各個點都建立通信網絡，保證在任何時刻都有至少一座天線對著探測器，因為地球會自轉，如果考慮到地平線以及大氣層衰減的話，必須要三座天線才能保證赤道上360度覆蓋，假如要保證南北半球的話，那麼可能還要多布置幾座或者優化布置位置！



美國的深空測控網

DSN（Deep Space Network）是NASA設置在美國（加洲）、西班牙（馬德裡）和澳大利亞（坎培拉）的深空測控網絡，為NASA的星際太空飛行器提供導航與航天通信服務，由於深空測控天線也可以作為射電望遠鏡使用，因此也擔任射電天文學觀測和太陽系內雷達行星天文學研究！



各國深空測控站點全球分布

在這些測控網中，直徑30-40米的天線比比皆是，甚至最大有達到60-70米的深空天線！天線配置如下：

戈爾德斯通深空站：位於美國加州的莫哈維沙漠。運行中有1個70m天線、3個34m波束波導（BWG）天線，正在新建1個34m BWG天線。

馬德裡深空站：位於西班牙首都馬德裡以西60km。目前在運行的有1個70m天線，1個34m高增益天線，2個34m波束波導天線，另有2個34m波束波導天線在建。

坎培拉深空站：位於澳大利亞首都坎培拉西南40km。運行中有1個70m天線，3個34m波束波導天線，有1個34m波束波導天線在建。

在全球深空測控網中，美國的測控網絡分布位置是最佳的，北半球兩個，南半球一個，而且大致分布在120度的位置上，兼顧了南北半球，當然這也是美國在全球的實力表現，可以調動全球資源！



旅行者的通信天線

旅行者一號是人類發射的、距離地球最遠的太空飛行器，截止到今天為止，它已經飛行了大約150.268天文單位，大約225.4億千米，通訊延遲時間大約為20小時52分鐘！具體見下圖：



旅行者一號和二號的相關信息

旅行者系列一開始就被設計用來飛向太陽系外，因此一個小小的探測器（825.5千克）上搭載了一個3.7米的高增益拋物面天線！



它是到1977發射時最大的星載通信天線。旅行者的通信系統受到水手號和海盜號探測器的影響，做了如下改動：

首次使用X頻段而不是S頻段作為主要的下行遙測鏈路；

採用雙輸出功率的X頻段TWTA，最大發射功率18W，設計用來減小質量、使效率最大化，且工作時間超過50000h

旅行者一號通常以2.3 GHz或8.4 GHz的頻率在深空網絡通道18中傳輸數據，而從地球到旅行者的信號則以2.1 GHz發送，但幾個深空測控站對旅行者通信是有限制的，比如旅行者二號位於南天區，北半球的兩個站點能跟蹤，但無法通信鏈路，因此測控與數據下載主要由坎培拉的測控站來完成。而一號則剛好相反！



三個測控站的布局和組成

當然再牛逼的深空測控網對旅行者電池耗盡也無計可施，由於旅行者一號的核電池衰減，它已經無法支撐太多的儀器工作，到現在為止，旅行者一號就只能當個信標了，二號還可以下載些數據，比如日球層的相關信息。



旅行者搭載的設備工作狀態

深空探測有「炸機」的案例嗎？又是怎麼搶救回來的？

深空測控失敗的案例其實挺多，比如2016年3月14日發射的斯基亞帕雷利火星登陸器，在2016年11月19日登陸火星途中失去聯繫，不知下落！但「炸機」後被找回來的案例卻不多，其中就有最為經典的絲川小行星登陸取樣返回的「隼鳥一號」！



絲川小行星

隼鳥號是2003年5月9日發射的小行星探測器，2005年12月9日，在絲川小行星附近因燃料洩漏，姿態失控造成通訊中斷（要保持聯繫，拋物高增益通信天線必須指向地球，全向天線增益太低，根本無法通信）。



隼鳥採樣中

原本JAXA以為此次任務已經失敗時，卻從隼鳥號傳來了信號，只是這個信號斷斷續續，JAXA分析隼鳥號探測器正在翻滾中，但有一段時間拋物面天線是指向地球的，因此根據這短短的時間，分析姿態，注入指令，將隼鳥號從翻滾的狀態拯救了回來！



隼鳥號的離子發動機

由於隼鳥號任務多次波折，因此錯過了第一次返回，隼鳥號只能等到在返回軌道下一次和地球相交時，終於在2010年6月13日成功返回地球，帶回一丟丟肉眼無法見到的絲川小行星塵埃！





喜歡深空探測和離子發動機的朋友可以看看《隼鳥號》，這部電影儘管有些拖沓，但整體上來看還是不錯的，僅當科學紀錄片來看吧！

相關焦點

  • 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?
    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，它們又是怎麼保證不 深空測控，光有編碼優勢是不夠的 大家可能都聽說過深空測控網，簡單的說就是在地球各個點都建立通信網絡，保證在任何時刻都有至少一座天線對著探測器，因為地球會自轉，如果考慮到地平線以及大氣層衰減的話，必須要三座天線才能保證赤道上360度覆蓋，假如要保證南北半球的話，那麼可能還要多布置幾座或者優化布置位置！
  • 旅行者1號距離地球224億公裡,科學家是如何遠距離操控它的?
    這需要在發射信號和接收信號的埠進行強化，能時刻保證有相應的通信設施是朝著旅行者一號的。美國當時採用的是深空測控網絡的解決方案，這套解決方案被稱為美國國家航空航天局深太空網絡（英語：Deep Space Network，簡稱DSN）。這個方案中包含了三個深空通信設施，分別位於美國、西班牙和澳大利亞，是以120度的間距圍繞著地球。
  • 距地球180億公裡的旅行者二號,中斷和地球的聯繫前,還能飛多遠
    由美國國家航空航天局NASA，於1977年8月20日發射入太空的旅行者二號，如今已經在茫茫太空中，孤寂的飛行了42年，目前已經飛到了距離地球180億公裡之外的位置。而跟據NASA發布的信息，現在的旅行者二號已經跨越了被稱為「太陽風層頂」（Heliopause）的太陽風邊界，飛出了狹義上的太陽系，真正的進入了恆星際空間。不過目前的旅行者二號，還能和地球保持良好的通信，那麼旅行者二號還能飛多遠才會和地球失去聯繫呢？首先我們先來看一下，為何現在旅行者二號還能和地球一直保持通信呢？
  • 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？
  • 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?
    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。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。
  • 旅行者一號距離地球有216億公裡,它是如何把信號傳回地球的?
    引言：美國在上個世紀七十年末發射了一架名為「旅行者一號」的太空探測器，它經過了長達四十幾年的飛行已經快要到達太陽系的邊緣。科學家預測它會突破太陽系的邊界越飛越遠，那麼人類如何接收到它傳輸回來的信號呢？這是個難題。
  • 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?
    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。 ，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。
  • 旅行者一號的信號僅有原來的60萬億分之一,還能夠與地球聯繫嗎?
    於是在1977年，科學家先後發射了旅行者一號和旅行者二號，它們都是星際探測器，目前就是飛出太陽系尋找外星文明。其中旅行者一號的速度最快，飛得最遠，目前它距地球約219億公裡，如果長的距離是在43年的時間完成的。在旅行者一號不斷前進的過程，它還先後對木星和土星進行了「拜訪」，然後才改變軌道，直接向太陽系邊緣進發。
  • 旅行者一號距離地球217億公裡;它如何做到與地球保持聯繫?
    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！
  • 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。
  • 旅行者一號距離地球216億公裡,它如何傳遞信息?科學家給出答案
    旅行者一號距離地球216億公裡，它如何傳遞信息？美國在上個世紀的時候發射了一架旅行者一號，一直向太陽系的邊緣飛去，這架飛機成功的進入宇宙中後，一直到現在，它還在向前面飛行，根據科學家的測量顯示，旅行者一號目前距離地球大約是216億公裡，這段距離相當於144個天文單位，旅行者一號不僅僅在不斷的創造人類飛行器的最遠距離，還在不斷的給人類傳輸數據，那麼他們是如何將這些數據傳回來的呢？
  • 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？
  • 旅行者2號還活著！已飛行43年：距離地球188億公裡，還有電
    編者按：NASA已經和旅行者2號取得了聯繫，目前該探測器已經飛行43年，距離地球188億公裡。在歷時43年的深空飛行中，旅行者探測器仍然與地球保持聯繫。為了能夠與越飛越遠的旅行者號進行聯絡，DSS43深空站進行了脫機維護和設備升級，增加了兩個新的無線電發射器，其中一個無線電設備將用來與旅行者2號進行通信。之前使用的無線電發射器有47年沒有更換了，能用如此之久也說明這些產品的質量確實經得起考驗。
  • 旅行者1號從64億公裡外,拍攝的地球照片,地球只有像素那麼大
    43年，總飛行距離超過200億公裡，雖然它離地球越來越遠，甚至已經聯繫不上旅行者1號了，但是旅行者1號給人類做出的貢獻是不可磨滅的，在旅行者1號飛出太陽系途中，旅行者1號分別經過木星、土星、海王星等太陽系行星並且為這些行星拍攝了大量的高清照片，為人類研究和了解這些行星提供巨大幫助。
  • 距離地球217億公裡,「旅行者一號」如何將數據傳回地球?
    為了尋找宇宙中可能存在的外星文明，人類做了諸多的努力，比如發射各種頻率的電波、探測器等等，而這其中最有名的就是1977年9月5日發射的「旅行者一號」和「旅行者二號」兩個探測器。因為這兩個探測器不僅擔負著去更深的宇宙空間中尋找外星文明的使命，同時還有著重要的科考任務，比如拍攝沿途的行星照片，並把這些照片傳回地球。
  • 失去聯繫之前,旅行者一號與人類通訊的最遠距離是多少?
    1977年，旅行者1號探測器發射升空，目的是去探索外太陽系的秘密。這枚旅行者號探測器成為人類航天史上，運行時間最長的探測器。41年後，旅行者1號距離地球190億公裡，最高速度達到61000公裡/小時。雖然旅行者1號是至今離地球最遠的人造物體，但是我們仍然能和它進行例行通信。
  • 旅行者1號在64億公裡外傳回的這張照片，為何讓人感到挫敗感
    由於它們的飛行時間已經很漫長，所以離我們地球的距離也已經很遙遠，其中旅行者1號探測器與我們地球的距離已經超過150個天文單位（1個天文單位相當於地球與太陽的平均距離，大約為1.5億公裡），也就是說，旅行者1號探測器現在已經離我們地球達到225億公裡遠。
  • 211億公裡外的旅行者一號,為什麼還能跟我們保持通信聯繫?
    在漫漫宇宙中，人類真的是孤獨存在的嗎？縱觀人類誕生的歷史，也不過幾百萬年，但地球已經誕生了45億年，在人類誕生以前那麼漫長的歲月裡，會不會有更加有智慧的文明產生？旅行者一號於1977年9月5號發身升空，最特別的是在它的內部，有一張帶有人類和地球信息的「金色唱片」，它的使命就是把人類及地球的信息傳遞給外星文明。目前，經過長達42年的星際旅程，旅行者一號已經遠離太陽達211億公裡的距離。
  • 150億公裡外，旅行者2號曾返回一串信號，科學家無法破解
    2012年5月，旅行者1號在距離地球大約180億公裡的位置率先進入星際空間，旅行者2號由於速度較慢，且任務較多（因為它還去往了天王星和海王星），在2018年12月才宣布進入星際空間但是在2010年的5月10號，當時旅行者2號距離地球150億公裡，出現了一個小插曲，在過去的連續幾周內，旅行者2號開始向地球發送了一連串的神秘信號。這些信號以一種未知數據格式傳回地球，所有的工程人員無法破解這些數據，不知道這些數據隱藏了哪些含義。