旅行者号教会我们如何聆听太空

瞬云无人机

为了与遥远的旅行者号飞船“对话”，NASA必须大力发展空间通信技术。在上图中，位于加利福尼亚州戈德斯通，宽64米的碟形天线被扩建至70米宽。


来源：NASA/ JPL-Caltech

NASA的两艘“孪生”旅行者号飞船一直在改变我们对太阳系的认知。同时，它们也激励了空间通信技术的飞跃发展。

在加利福尼亚州的莫哈韦沙漠(Mojave Desert)，旅行者任务的影响至今可见。那里伫立着NASA的戈德斯通深空通讯综合设施，碟形天线的弧形在崎岖的山峰间显得尤为醒目。戈德斯通是地表景观因两艘旅行者飞船而变得不同的处女地。旅行者号飞得越远，碟形天线就需要扩建得越大，才能满足接收和发送无线电波的需要，用以追踪探测器并进行通讯。

施工队伍从20世纪70年代开始建造新的碟形天线，同时扩建旧的天线。如今，这些天线碟赫然耸立在沙漠中：最大的天线直径230英尺（70米），是一个真正的巨人。它的兄弟们相对较小，直径112英尺（34米），比两辆校车最宽处连接起来还要长。这些天线须分别从最初的210英尺（64米）和85英尺（26米）逐渐开始扩建。

经扩建的碟形天线大小与NASA在西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的深空探测网（Deep Space Network，DSN）站点的天线大小相同。深空探测网由NASA位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室负责，由该机构的空间通讯和导航（Space Communication and Navigation，SCaN）项目指导。

旅行者任务加速了这一发展过程。如今旅行者号距地球超过100亿英里（161亿千米），旅行者一号已经飞越了太阳风层（日球层）——包含着太阳、行星和太阳风的气泡。探测器和地球间距离太过遥远，我们需要更大更灵敏的“耳朵”来聆听旅行者号越来越微弱的信号。

“在某种意义上，旅行者号和深空探测网是共同成长的。”喷气推进实验室的Suzanne Dodd说，他是行星际网络指挥部的主管，并从2010年起担任旅行者任务的主管。“这项任务是新技术的试验场，无论是在深空还是在地球上。”

深空探测网于1963年正式设立，配备有匹配NASA早期需求的硬件设施和人员配置。阿波罗任务、维京号火星探测项目、先驱者号和水手号探测器，所有这些项目都依赖于深空网络的无线电天线。

但是在20世纪70年代末，深空网络曾经历了剧变。除了扩展天线口径外，NASA也曾探索过天线阵列的概念，戈德斯通业务经理Marie Massey称。通过数个天线指向旅行者号探测器，操作人员可以增强信号，来获得相当于一个巨型天线的观测能力。

“深空探测网证实了这个想法。”Massey说，她在1978年就开始在戈德斯通站工作，那时她还是一名操作员。

深空探测网在马德里和堪培拉的站点也推行了天线阵列。每个深空探测网站点都有许多天线来收集1986年旅行者2号传回的天王星图像——在深空通信领域为探测器与行星“相会” 创造了首个天线阵列。

3年后，旅行者2号到达了海王星——这意味着需要更多的变化。信号实在是太弱了，以至于1986年使用过的天线阵列已经无法满足需求。NASA在旅行者2号飞越前刚将深空探测网的碟形天线扩建至230英尺（70米），再次增强了信号。

NASA也从其他一些非深空探测网的天线中获得了帮助。美国国家射电天文台（The National Radio Astronomy Observatory）提供了它在新墨西哥州的巨型天线；澳大利亚的帕克斯天文台（Parkes Observatory）和日本的臼田深空中心（Usuda Deep Space Center）也将它们的天线借给旅行者号计划使用。

“如今，太空机构通常会互相借用天线，这是从旅行者号计划开始的惯例，”喷气推进实验室的Leslie Deutsch说，他是行星际网络指挥部的副主管，曾帮助研究如何运行NASA的首个天线阵列，以及如何合并调配非隶属深空探测网的天线来进行协同工作。

天线阵列中使用这些巨型天线对旅行者号遥远的信号来说仍是至关重要的。每艘旅行者号飞船的发射器功率只够点亮一个普通的冰箱电灯泡。当这些信号到达地球时，它们的功率仅有百亿分之一到十万亿分之一瓦。

深空探测网还有其他改变。喷气推进实验室设计的一套遥测系统会改变资料传输的方式。旅行者号飞船是首个使用里德-所罗门纠错码（Reed-Solomon error-correcting code）的宇宙飞船，这增强了飞船的数据传输速率。

所有这些举措使得旅行者号飞船更容易有新的发现并传回图像资料，如“家庭肖像（the family portrait）”。这也意味着深空探测网自身也在改变：它一直在为新的太空时代进化，在新的时代，探索活动更加丰富、频繁。

（编辑：Tony Greicius 译者：萨利赫 校对：王索 傅煜铭）