深空通讯怎么不断联？探测器有副“好嗓子”，地上有双“好耳朵”

太空中存在许多的高能辐射，无线电信号会遭到搅扰。那么，咱们怎么与深空勘探器坚持通讯呢？

1977年9月5日，空间勘探器“旅行者1号”发射。从这时分起，它和地上操控中心一向坚持着通讯，时刻展现人类还未曾进入的深空。但在2023年11月，人类和“旅行者1号”断联了。精确地说，“旅行者1号”还在向地球传输信号，惋惜信号成了无意义的乱码。直到本年4月底，地上团队和“旅行者1号”艰难地从头树立联络。跟着人类一步步探究更悠远的太空，一个很重要的问题逐渐显现：深空通讯怎么不断联？

旅行者1号勘探器漫游深空作用图

与深空勘探器联络有多难？

1965年，在美国宇航局兼职的加州理工学院航空学博士生加里·弗兰德罗发现，木星、土星、天王星和海王星将在20世纪70年代末80年代初与地球连成一条弧线。据测算，这条弧线每隔176年呈现一次，到时航天器飞过这条弧线上的每颗行星，都能从行星引力中取得加快。假如可以将飞翔时刻误差规划操控在数十分钟以内，屡次引力加快就可以把勘探器从地球飞抵海王星的时刻从30年缩短至12年。此前，水手10号勘探器曾运用引力加快飞掠金星和水星，开始验证了相似操作的优势。

航天器凭借天体引力加快示意图

为了捉住这个百年难遇的时机，1977年夏天，美国宇航局在15天内相继发射了两个“姊妹”航天器——“旅行者2号”和“旅行者1号”。它们在土星邻近“各奔前程”，随后“旅行者1号”穿过土星环，掠过土卫六，飞出太阳系行星平面；“旅行者2号”则单独持续前往天王星和海王星。

2012年8月25日，“旅行者1号”跳过日球层顶，检测到了科学家早年猜测的等离子体密度跃升现象。到2024年，通过近47年飞翔，“旅行者1号”间隔地球约240亿千米，相当于地球和太阳间隔的160倍。相隔如此悠远，地上团队接纳到“旅行者1号”的无线电信号，至少需求等候22.5小时，再通过至少相同的时刻后，“旅行者1号”才干通过深空网络接纳到地球信号。并且，考虑到“旅行者1号”每天都会飞翔3～4光秒（挨近30万千米）的间隔，所以地球和“旅行者1号”之间通讯需求等候的时刻会不断延伸。

旅行者1号勘探器运转作用图

跟着“旅行者1号”离地球越来越远，与其坚持有用的联络将会越来越难。一方面，“旅行者1号”的信号传输与接纳首要依托无线电波，而无线电信号的强度与间隔的平方成反比。跟着间隔越来越远，无线电信号越来越弱，那么收发设备自身和世界布景发生的噪声搅扰就会越来越显着。另一方面，近半个世纪以来，地球上播送、电视、手机等无线电信号搅扰日益严重，地上团队将越来越难以完好地接纳到“旅行者1号”的信息。

那么，怎样剧变深空通讯安稳呢？这需求航天器与地上团队同舟共济。

深空勘探器需求“好嗓门”

首要要素便是动力供给。

想要让地球“听”得清楚，深空勘探器的“嗓门”就要大，也便是信号强度有必要“给力”，那么需求的能量就不行轻视。可以说，深空通讯想要坚持安稳联络，首先要剧变勘探器有足够的动力供给。

人造卫星遍及依托太阳能帆板弥补动力，但“旅行者1号”离太阳太远，基本上无法运用太阳能。为了处理这个难题，“旅行者1号”用上了原子能——放射性同位素温差热电池。这是一种运用钚-238放射性衰变所发生的热能直接供给直流电的设备。因为同位素衰变开释的能量巨细、开释速度均与外界环境无关，剧变“旅行者1号”长时刻有足够的“膂力”向地球“喊话”。

“旅行者1号”和“旅行者2号”均运用3块钚同位素电池作为动力。使命之初，核电池的初始输出约为470瓦，跟着时刻推移，功率以大约6.4瓦/年的速度渐渐下降，并且热电偶等设备功能也在逐渐退化，供能作用逐渐欠安。此前，美国宇航局已封闭了“旅行者1号”的不少子体系、加热器和科学仪器等，期望可以将它的作业寿数延伸到2027年，也便是“旅行者1号”发射50周年。到时，“旅行者1号”仍会持续前行，仅仅不能再向地球发送数据了。

旅行者系列勘探器装备的“核电池”

其次是特制的高增益天线。

“旅行者1号”的电源功率不大，导致耗费也有必要“克勤克俭”。比方，它装备的无线电信号发射器功率只要22.4瓦，乃至还不如咱们运用的手机充电器。初始无线信号功率这么低，假如不采纳办法，那么“旅行者1号”发射的无线电波就会向空间五湖四海均匀传达，“分给”地球的信号无疑太少了。

为了剧变总功率不大的无线电信号尽量朝向地球传达，勘探器上设备了卡塞格伦天线。这是一种用于微波通讯的双反射面天线，具有结构简略、规划灵敏、波束窄、增益高、噪声低一级优势，被广泛应用于卫星通讯。

“旅行者1号”的抛物面主天线直径为3.66米，包括X波段（约8.4GHz）的卡塞格伦天线和S波段（约2.3GHz）的正馈抛物面天线。结构，X波段的主天线增益为47dBi，兼有12W和22W两档功率的发射形式。在副反射面上，又设备了一个S波段的低增益天线，首要用于向地球发射圆极化波，波束宽度90度，剧变“旅行者1号”不需求在飞翔初始阶段精确对准，降低了对姿势操控的要求。至于低增益天线，首要用于“旅行者1号”使命前期阶段调整姿势。

旅行者1号勘探器天线结构特写

依托高增益天线，“旅行者1号”的信号在S波段、X波段波束宽度别离靠拢为0.5度、2.3度，大大进步了向地球发送的信号强度。结构，S波段信号首要用于发送遥测数据，X波段信号则用于传输高分辨率图画和科学数据。

然后是精确姿势操控。

“旅行者1号”为了进步信号发射的天线增益，将无线电波束操控得很窄，为了将高增益天线对准地球，有必要对勘探器的姿势进行精确操控，不然，很简单“失之毫厘，谬以千里”，导致勘探器与地上站断联。

2023年7月21日，美国宇航局向“旅行者2号”发送指令时呈现过错，导致其天线从地球方向偏离了2度，地上团队和勘探器瞬连续联。直到8月4日，勘探器依据新的指令校准天线后，总算与地上团队康复通讯。

最终涉及到通讯信号自身。

“旅行者1号”运用的是8.4GHz和2.3GHz通讯频率，归于深空通讯上下行链路频率分配的X波段和S频段。之所以挑选这两个波段，是因为相关频段上几乎没有任何搅扰，人为发生的无线电噪声小，然后进步了信噪比，有利于坚持六合无线电通讯。

可是，“旅行者1号”间隔地球真实太远，加上太空中存在许多杂乱而不知道的高能辐射，无线电信号仍是会遭到搅扰。依据香农公式，通讯实际上可以完成的牢靠速率取决于信号与布景噪声的比值。这就意味着，传输间隔越远，可完成的传输速率就越低。

旅行者系列勘探器的信号遭到世界深空的杂乱要素搅扰

1994年，当“旅行者1号”间隔地球约60亿千米时，通讯速率为7.2千比特/秒。2007年，当“旅行者1号”间隔地球约126亿千米时，通讯速率下降到1.4千比特/秒。到了本年初，“旅行者1号”与地球的通讯速率只能抵达160比特/秒，比20世纪90年代拨号上网的速度还慢。

为了减轻数据传输的压力，在相同的传输才干下，将更多数据传回地球，深空勘探范畴用上了数据紧缩技能。为了尽量保存原始图画和科学数据，深空通讯一般选用无损紧缩，紧缩率偏低，约为3∶1。未紧缩的“旅行者1号”图画为800×800像素，每像素8比特灰度。其实，典型的行星或卫星图画中包括很多黑色，归于无效信息，通过核算相邻像素灰度等级之间的不同，图画数据紧缩可以将一幅典型行星图画的数据量削减60%。

受限于信号弱小、搅扰等原因，地球站接纳到的数据很可能犯错。假如每次发现过错后都从头传输，在通讯延时越来越大的情况下，必定耗时耗力。因而，深空勘探器选用了纠错编码技能，通过对接纳到的信号进行数学校验，就可以检查到犯错的数据。“旅行者1号”开始选用级联格雷码+卷积编码的单通道遥测体系，后来在轨晋级为级联里德-所罗门码+卷积编码，即以卷积码作为内码、以里德-所罗门码作为外码的典型级联码方案。

所谓纠错编码，实际上是通过添加相关信息比特率、强化信号冗余的方法来削减信息误码率。运用格雷编码算法发送1比特信息需求1比特的开支，而里德-所罗门码编码方案削减到每发送5比特信息才需求1比特的开支，信息误码率则由千分之五削减到百万分之一。跟着核算处理才干进步，新的深空勘探器也在逐渐选用功能愈加优异的Toubo码和LDPC码等长码进行信道编码。

地上需求“好耳朵”

为了完成牢靠的深空通讯，当然不能只靠勘探器一端“用力”，地上站也需求“发力”，两者通力合作，六合通讯链路才干打通。

一方面，有必要构建掩盖全球的深空测控网。

因为地球自转会遮挡信号，极大影响通讯作用，只要在全球布置必定数量的深空通讯设备，才干剧变地上团队与深空勘探器不断联。

“旅行者1号”与地球之间的通讯是通过美国宇航局的深空勘探网完成的。这是一个由散布在全球的3个归纳测控通讯设备构成的网络，也是现在世界上才干最强、规划最大的深空测控通讯体系，每组设备包括1部直径达70米的主天线、4~7部直径34米的副天线以及1部直径26米和1部直径11米的中小口径天线，可以与航天器进行不连续的通讯。

美国宇航局深空网体系始建于1958年，通过3年时刻，建成了加州金石、澳大利亚伍墨拉和南非约翰内斯堡共3个深空站体系，1963年正式命名为深空网。1965年，美国宇航局在西班牙马德里和澳大利亚堪培拉新建了两个深空站。1974年，美国宇航局封闭了伍墨拉和约翰内斯堡两处设备后，形成了现在的三站格式。这些站点由坐落加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推动实验室担任操控、保护与办理。

美国加州沙漠中的金石雷达站

除了美国外，其他国家和安排也在活跃建造深空网络。比方，欧空局建成了包括澳大利亚新诺舍站、西班牙塞弗雷罗斯站和阿根廷马拉圭站的深空网，由坐落德国达姆施塔特的欧洲空间操作中心进行长途操作操控。我国在佳木斯（疆土最东部）、喀什（疆土最西部）和萨帕拉（阿根廷西部）布置深空站，完成超越92%的天域掩盖有用通讯。俄罗斯、日本、印度等国也研发并建造了深空测控设备,但暂未组成完好的深空测控网，结构俄罗斯运用的一些地上设备和特别船仅仅从苏联承继下来的。

国外深空通讯地上站

另一方面，需求装备功能强大的地上设备。

专门用于深空航天器测控和数据传输的地上设备一般配有大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度接纳体系、信号处理体系以及高精度高安稳度的时刻频率体系，能对间隔地球至少数百万千米的深空航天器进行测控。

深空勘探网络的大口径天线

在深空通讯地上设备中，最有目共睹的是硕大的天线。用于和“旅行者1号”通讯的是直径70米的全可动抛物面高增益反射天线。该天线是在“旅行者”方案施行后从64米直径天线晋级而来的，通过移走原天线的旧金属面板和结构支架，设备全新的外部支撑结构和精细面板，并将面板外表调整到亚毫米级精度。此外，该天线还引入了全息对齐技能，用来精确聚集X频段射频信号。据统计，70米口径天线的面积抵达3850平方米，相当于10个篮球场，总重量达2500多吨，增益抵达了2000多万倍的数量级。

通过直径70米天线聚集扩大后，“旅行者1号”的信号强度只要一般手机可接纳的最弱信号的十万分之一。为了接纳如此弱小的信号，需求将天线的接纳组件冷却到挨近绝对零度，运用超导效应，完成超高灵敏度、极低噪音。随后，设备再对接纳到的信号进行扩大，才干复原出原始信号。

除了承受信号有必要“卯足劲”外，向深空勘探器发信号也要“尽心竭力”。以美国宇航局坐落澳大利亚堪培拉通讯站的70米直径天线为例，为了“照料”“旅行者1号”的信号接纳设备，地上站“下足血本”，S波段发射输出功率抵达400千瓦。尽管如此，地上以2.1GHz的频率向“旅行者1号”发送的指令速率也仅能抵达16比特/秒，可见深空通讯是一件多么高难度的事。