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旅行者1號相隔地球217億公里,功率僅23瓦,數據如何傳回?

方一強2年前15瀏覽0評論



作為美國宇航局研制的一艘無人外太陽系空間探測器,旅行者1號(英文名:Voyager1)重815千克,于1977年9月5日12:56:00UTC在美國東海岸的佛羅里達卡納維拉爾角航天發射基地發射生空。

旅行者1號及其姊妹探測器旅行者2號均使用三塊钚放射性同位素溫差發電機作為動力來源,可提供功率420瓦。

其中通信設備的功率為20瓦,僅僅相當于現在的手機快充的功率。

目前旅行者1號距離地球大約217億公里,相當于0.00229光年,通訊時差20.06小時,這意味著從旅行者1號發出的無線電信號需要耗費20.06小時才能到達地球,被地面的天線接受到。

因此,旅行者1號和地球之間傳輸數據還是存在著一定難度的,但也沒有像人們想象中的那么復雜,并沒有用到什么高科技,其使用的只是無線電通信技術,將需要傳送的聲音、圖像、數據等調制成無線電信號,經空間傳至地面。

↑旅行者1號拍攝的木衛一

無線電信號的強度會隨著傳輸距離的增加不斷衰減,當旅行者1號發射的信號傳到地面時,功率衰減為起初的一百萬億億分之一,僅有10ˇ-22瓦。

不僅傳輸功率的極低,傳輸速度也非常慢,只有約1.4kb/s。

為了偵測接收到如此微乎其微的信號,NASA建造了深空網絡(DeepSpaceNetwork,DSN)。

其由三處分別位于美國加州、西班牙馬德里、澳大利亞堪培拉的呈120度分布的深空通信設施組成,以此實現與旅行者1號的信號傳輸,而且不受地球自轉的影響。

同時采取以下三種措施增加信號傳輸的成功率:

⑴使用高增益天線,使無線電信號集中在某個方向上,增大傳輸距離

旅行者1號上的高增益天線直徑達3.7米,原來DSN使用的天線直徑達70米,由于已經使用超過40年,NASA從2010年開始部署34米天線,以替換陳舊的天線,滿足信號接收需求。這些地面接收天線可將接收到的信號放大數億倍。

⑵旅行者1號的通訊頻率高達8GHz,在這個頻段上,幾乎沒有任何干擾,信噪比非常高。

⑶旅行者1號安裝有高精度的陀螺儀,確保其在深空也能時刻讓天線對準地球的方向

雖然科學家們用盡渾身解數,但由于距離實在太遠,加上太空中存在許多高能輻射,且無線電信號受自然因素影響,會對無線電信號產生干擾。

因此,為了提高信息傳輸的正確率,在將聲音、圖像等信息調制成無線電信號的過程中使用了大量糾錯碼,這也使得有效傳輸效率降低,只有不到1kb/s.



在不遠的將來,旅行者1號將帶著人類的夢想孤身飛向更加遙遠的宇宙

旅行者1號攜帶的發電機目前已經大大標出設計使用壽命,科學家預計,它們仍然可提供足夠的電力讓探測器上搭載的科學儀器繼續工作到2025年,并繼續與地球保持通信,直至2036年。

此后,旅行者1號將失去與地球之間的聯系,帶著人類的夢想,孤身飛往銀河系中心,飛向更遠的地方!