答:地面是通过什么与遥远的旅行者号探测器通信的?

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空少问答

小课堂

第131期

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答：地面是通过什么与遥远的旅行者号探测器通信的？

上周六，空少为大家留了1个问题，来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧！

想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《问：地面是通过什么与遥远的旅行者号探测器通信的？》~下面就让我们来看看空少的解答吧！



空少正解

上期我们讲到，英国《自然·天文学》杂志最近公开了5项最新的研究论文，发布了美国国家航空航天局（NASA）“旅行者2号”探测器进入星际空间的首批测量数据，这些数据揭示了许多日球层边缘的详细情况。在约一年前的2018年11月5日，旅行者2号在距离地球约119个天文单位（地球与太阳之间的距离的119倍，即约180亿公里）正式进入星际空间。而早在2014年9月，旅行者1号探测器就离开日球层进入星际空间。而今，两枚探测器距离地球早已超过180亿公里，可以说是非常非常遥远，但地面仍然能与它们保持通信，获得上述的探测数据。



《自然》上最新的关于旅行者2号探测数据的论文

（来源：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0928-3）

那么，这么远的距离，地面是通过什么与遥远的旅行者号探测器通信的呢？这么多年有什么变化吗？

旅行者号2枚探测器都是在1977年发射。从20世纪70年代开始，建筑工人们就不断的在美国加利福尼亚的莫哈韦沙漠（California's Mojave Desert）中为碟形天线修新的“盘子”、扩张旧的“盘子”。它们是属于美国航天局的“金石”深空通信中心（Goldstone Deep Space Communications Complex）的。科学家们就是利用“金石”的这些巨大天线与遥远的旅行者号通信的。天线的“盘子”直径最大的为230英尺（70米），最小为112英尺（34米），分别是从原来的210英尺（64米）和85英尺（26米）扩展成的。下图就是“金石”的一个从60米扩张成70米天线的天线的施工图。



“金石”的一个从60米扩张成70米天线的天线的施工图

（来源：Credits: NASA/JPL-Caltech，https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/side_image/public/thumbnails/image/dsn_voyager_portal.jpg?itok=jLdBiAnU）

碟形天线是一种全向天线，无波束角度，我们在照片上看到的好像碗一样的天线就是它。碟形天线的“盘子”直径越大，其面积也越大，能接收和发送的无线电波信号越远。

“金石”深空通信中心于1963年成立，当时建设和配备的硬件与人员都符合当时对“阿波罗”登月计划的相关任务；后来，美国的海盗计划、先锋号以及水手号探测器，其通信都使用了“金石”深空通信中心的无线电天线，设备也不断进行着调整。

想要与旅行者号保持通信，仅仅是美国加利福尼亚的天线还不够，它们与其他一些位于诸如西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的天线组成了“深空网络”（Deep Space Network，简称DSN），由NASA位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）管理。



1980年11月旅行者号飞越土星时拍摄的一组图像合成的土星系统图像

（来源：NASA photo no. 80-H-366，https://history.nasa.gov/SP-4219/4219-252.jpg）



最开始DSN只是在加大天线的尺寸。到了20世纪70年代末，也就是旅行者号探测器发射的时期，“网络”作为新兴概念快速发展，DSN开始尝试排列天线，通过将多个天线指向旅行者号、协同作业，可以提升信号，使其具有一个更加巨大的天线的性能。1986年旅行者2号拍摄的天王星照片是飞越行星的任务在深空通信中首次采用天线阵列。JPL曾表示当今不同太空机构天线的互相协作就是从旅行者号的任务开始的。

另外科学家们也从数据传输方式的改进入手。例如旅行者号是第一个使用Reed-Solomon纠错码的航天器，这种方法提高了通信传输数据的速率。



艺术家想象的宇宙中的旅行者号探测器

（来源：NASA/JPL-Caltech，https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width/public/thumbnails/image/pia21839-main.jpg?itok=348BNIiw）



留言区·精选

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问答：旅行者1,2号上分别装有高增益天线，抛物线型的反射板会大大增强电磁波的指向性，使电磁辐射的发射方向局限在某一特定角度，能星密度更大，可以传播的更远。因此，每当旅行者与地球通信时，探测器上的陀螺仪会调整恣态，使高增益天线对准地球且路径上不能有天体阻挡。即便如此，信号到达地球时仍十分微弱，因此需要检测站的天线阵列（多个大口径天线可以有效收集并放大信号）接收。人类向它发送信号同样道理，只不过正好反过来。天线阵列发出的信号强度非常高，因此探测器上的高增益天线就可以接收。

@月夜忧殇

是通过深空测控网来进行通信的，美国在全球三个地点建立测控网，每个测控点夹角为120°左右，可以实现24小时不间断测控，其配备的卡塞格伦天线口径为80米

@#include

首先我们通信的三要素是信源、信道、信宿，在这里信源是旅行者一号，信道是宇宙空间，信宿是地球。首先众所周知在宇宙空间里面，电磁波理论上基本上不会有损耗的，所以只要有功率输出我们地球就应该能接受到，并且旅行者通信频率高达8GHZ，在这么高的频率下基本上也不会有什么干扰。旅行者号上的设备是几十年前的老古董而且发射功率非常有限，因此信号到地球还是非常弱的，所以需要地面的接收设备要非常牛逼（地球上有的是资源和当今最新的技术）。通过一级又一级的放大和滤波最终能过滤出旅行者号发送回来的信息。


感谢大家的支持，我们下期再见！