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如何与深空探测器保持联络???

编著:国土资源科普与文化     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/9NQ1C8QFM1SIsAjtDK6lxw

 对未知世界的探索一直以来都是人类发展的永恒动力,随着人类在近地空间的活动不断取得突破,向深空进发已经成为人类了解太阳系及宇宙的必然选择。普遍理解的深空探测,是指对月球以及更远的天体展开的空间探测活动。

深空探测不仅能够加深我们对太阳系以及宇宙的演化及其形成的认识,同时还能催生出一些新技术和新学科,现在我们许多改变我们生活生产方式的新技术就来源于深空探测活动的强烈需求。

从1958年8月美国发射第一颗月球探测器至今,深空探测已经走过了快60个年头。在这期间人类的深空探测活动基本实现了太阳系内各类天体的全覆盖,如太阳、月球、七大行星及其卫星、小行星以及彗星等。在这个过程中人类取得了载人登月、小行星采样返回,发现地外行星存在水以及第一颗飞越太阳系的人造卫星等诸多突破。

深空探测面临的困难很多,其中之一就是如何与地球保持有效的沟通。深空探测器之所以能成为地球的使者就在于它能在人类的指挥下完成一系列既定科学任务,而不是漫步太空,这一切得以实现的前提就是保证信息能有效传输,那深空探测器是怎么与地球进行联络的呢?

简单来说就是靠一口“锅”,这口“锅”的专业名称叫“高增益的抛物面天线”。抛物面天线就是用来接收和发信号的器件,它和我们普通见到的“一柱擎天”天线不一样,它是一个具有焦点的抛物面,平行进入抛物面的光线、微波等电磁波都会汇聚在这个焦点上。增益的意思是把传输信号进行放大,这样能使信号更容易被接收了。简单来说,这个“锅”最大的优点就是增益高,这种“锅”在美国航空宇航局的深空探测器上及地面测控台站随处可见。

“旅行者1号”上的“锅”天线

深空探测网位于澳大利亚堪培拉的70米和40米天线

但是一口“锅”并不能解决所有的问题,无线通信信号的衰减就与传输距离成对数正比关系,随着探测器越往深空进发,距离地球越来越远,对测控通信质量的要求也越来越高,同时信息传递的延时也会越来越严重。

如何解决这些问题呢?相信第一种方法你一定也想到了,就是将“锅”的个头做得再大一些,目前美国深空测控站最大口径的天线已经达到了70米,但这个口径也已经接近极限了,“锅”不能再大了,那该怎么办呢?

美国深空探测网络DSN的最大的“锅 ”——直径70m的抛物面天线,它可以和“旅行者”号进行联络。

聪明的人们想到了用多个小型天线组成天线阵的方法来提高增益,通过将一定间距的独立天线接受到的信号进行组合,可以有效提升数据的传输效率。目前400个12米口径天线组成的天线阵可以达到等效口径为240米的效能,相当于当前70米大口径天线通信能力的120倍。同时我们也可以通过提高通信频率和增加发射功率来改善通信条件,目前美国70米口径的深空测控站主要采用X频段,34米口径天线为Ka频段,均可实现较高的传输速率和测控精度。

天线阵

在近地轨道上,延时几乎不被察觉,如果前往火星,信息和指令的传递会出现半个小时的往返延时,我想宇航员那时的内心一定是崩溃的。针对信号延时的问题,目前比较流行的方法是依靠存储转发,但是对更远的深空探测仍然需要找到更好的办法,毕竟卫星自身的内存和人类的忍耐是有限的。

据外国媒体报道,美国航空宇航局就成功验证了利用激光为载体将信号快速传递到探测器上的技术,高清视频的传输速度可以达到50Mb/bit。此外,建立深空测控中继站、构建行星际网络以及利用量子通信技术(中国人民窃喜!)都将是未来的深空测控的发展方向。

由于地球的自转,地面每一个精心挑选的深空测控台站最多只能实现8小时的有效通信,为此必须建立深空探测网来实现全天候测控。这里我们就不得不提,世界上最强大的深空通信系统——美国航空宇航局的深空探测网(DSN),它可以同时为几十个空间探测项目提供全天候服务,它所服务追踪过的探测器可以编写一本人类航天探索史上的“名人”录,从太阳系探测器“先驱者”号和“旅行者”号、金星探测器“水手”号、火星探测器“勇气”号、木星探测器“伽利略”号和“朱诺”号、土星探测器“卡西尼—惠更斯”号以及各类行星探测器等,未来还将不断创造历史!

美国深空探测网

美国航空宇航局的深空探测网(DSN)在全球设有三个测控站,这三个测控站彼此经度间距达到120度,分别位于澳大利亚堪培拉、西班牙马德里和美国加州的金石。这样的布局也利用了卫星三点定位的原理,不用担心地球的自转,深空探测器总能处在一座测控站的监视范围之内。深空探测网除了让数探测器上传或下载数据之外,还能够起到导航的作用,让探测器精确入轨或是轨道微调。

金石站34米天线正跟踪着进入视野的航天器

相对近地任务,深空探测任务面对了距离遥远、飞行时间长、数据传输效率有限以及空间环境复杂等一系列问题,但经过50多年的摸索和发展,深空探测已经很好地解决了部分问题并取得了一系列巨大的成功。随着人类不断挑战新高度,必将面对更多的挑战和困难,但对探索宇宙奥秘和保护地球家园的决心必将带领我们走向星辰大海,开启深空探测的新篇章。

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