我们如何在几百万公里之外的宇宙飞船上获取数据?

时间:2020-12-27 09:14:06   作者:
无线电信号在如此遥远的距离上发挥作用的原因有以下几个因素:

1、使用的无线电频率通常非常高,很好的进入微波领域。频率的选择部分是由地球大气层的特性决定的:我们当然希望信号能畅通无阻地穿过空气(包括空气中的水蒸气)。而且,频率越高,它能携带的数据就越多,传输就能聚焦得越紧密,但与非常高的频率有关的技术挑战,因此,工程上的妥协被发现了。

2、往返于宇宙飞船的无线电波束通过抛物面反射镜紧密聚焦。这就确保了大部分的传输能量都是针对接收器的,而不是向太空的各个方向广播。这当然带来了技术上的挑战,因为发射机必须知道接收器的位置,以便对准天线:地面站必须知道宇宙飞船在天空中的位置,宇宙飞船必须知道地球的位置。但这一挑战早在20世纪60年代就已经通过巧妙的工程解决了(例如,利用导星在三维空间中为航天器定向的机载导航系统)。

3、地面接收器非常灵敏。它经常被低温冷却,例如使用液氦,只比绝对零度高几度。这消除了大部分噪音,让接收器接收到异常微弱的信号。

4、地面的发射机非常强大。一些最大的天线,如美国宇航局深空网络(DSN) 70米长的天线,可以发送功率为几百千瓦的信号(相当于最大的地面AM电台)。

5、用于传输有用信息的调制方案是自适应的。比特率可以从兆比特每秒一直到几比特每秒,如果有必要,以确保通信通道仍然有用,即使是在距离非常大,接收到的信号非常弱。例如,美国国家航空航天局(NASA)的第一艘深空航天器先锋10号(Pioneer 10)在其长期任务接近尾声时发出的信号。先驱者10号最初的设计是运行至少18个月(这是到达木星所需的时间,这是该航天器第一个到达木星并进行观测的时间)。然而,它却持续运行了30多年。在任务接近尾声时,先锋10号离地球的距离是太阳距离的80多倍,或者说大约120亿公里。它的发射机并不是特别强大:它发射的功率只有8瓦,不比一个大手电筒的功率大多少。它的传输信号被一个直径2.7米的抛物面天线聚焦,指向地球。这足以让深空网络70米长的天线接收到信号。接收到的信号非常弱:小于0.000,000,000,000,000,000,001瓦(是的,就是小数点和1之间的20个零)。然而深空网络的低温接收器能够接收到这个信号,并以每秒16比特的速度解码用来调制信号的数据。因此,我们在2003年,也就是在1972年发射31年后,从先驱者10号上获得了由宇宙飞船传送的遥测数据。

7、对于更遥远的宇宙飞船来说,通讯仍然是最大的挑战之一。信号的强度随距离航天器的平方而减小。虽然这可以通过使用更强大的发射机、更大的反射器和更灵敏的接收器来缓解,但有明显的限制。使用更高的频率,也许甚至完全抛弃无线电而支持光通信(记住,光就像无线电一样,只是波长更短)肯定会有帮助。不过,最终,航天器的大小和航天器上可用的能量限制了所能实现的目标。这对于那些设想使用非常小的宇宙飞船(或一群这样的飞船)来研究外太阳系和更远的太阳系的项目来说尤其成问题。
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