旅行者1号相隔地球217亿公里,功率仅23瓦,数据如何传回?

用户69290716


于1977年离开地球的旅行者1号至今还是距离地球最远的人造物体,它现在远在216亿公里之外,相当于地球和太阳距离的144倍。虽然旅行者1号无法利用太阳能供电,但其携带的核发电机一直工作至今,所以这个探测器还有电力与地球保持通信。不过,旅行者1号离地球非常遥远,它是如何把信号传送回地球上,而地球上的科学家又是如何把信号传送给旅行者1号的呢?

旅行者1号和地球的通信基于无线电波,信号会以光速在空间中传播。地球上想要接收到旅行者1号的有效信号非常困难,因为无线电信号的强度遵循距离的平方反比定律,这意味着信号经过长距离的传播之后,其强度会大幅度减弱。

据估计,当旅行者1号发射的信号到达地球时,其强度只有发射时的100万亿亿分之一。再加上旅行者1号的信号发射机的功率非常低,仅为20瓦左右,所以地球上所能接收到的信号极度微弱。

为了使得通信可以正常进行,在旅行者1号设计之初,科学家就特别对它的通信能力进行了增强。它的主体包含一个巨大的高增益天线,这是一个直径可达3.7米的抛物面天线。同时,姿态控制系统使得天线可以一直对准地球。

在地球上,美国宇航局(NASA)还在全球三个地方建造了三座深空网络(DSN)测控站。有了强大的深空网络,科学家在地球上可以接收到旅行者1号传回的无线电信号,也可以给旅行者1号发送指令。在2017年,NASA向旅行者1号发送指令,成功启动了四个轨道修正推进器。

不过,旅行者1号把数据传输回地球的速率非常慢,每秒仅为160比特。而上行指令的速率更慢,只有下行速率的十分之一,即16比特/秒。

另外,由于距离非常遥远,旅行者1号发射出的无线电波需要大约20小时才能传播到地球上,反过来也是如此。再过几年,耗尽电能的旅行者1号将会彻底失联,它会作为人类无声的信使不断在星际空间中穿行。

未来将会飞出太阳系的旅行者1号携带着镀金唱片,上面记载着人类和地球的信息,有些人对此表示担忧。但这种担心应该是多余的,因为宇宙空间实在太大了,旅行者1号在宇宙中非常不起眼,它被宇宙中可能存在的外星文明发现的概率极低。

就算旅行者1号有威胁,但它的速度并不快,它还要经过上万年的时间才会离开太阳系,所以人类在未来完全有能力把旅行者1号捕捉回来。但在大概率上,旅行者1号是不会回来了,它很有可能会像太阳以及其他恒星一样,不断环绕银河系中心运动。





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旅行者1号数据的传输,主要依赖三块氧化钚_238放射性同位素热电机利用它自然衰变产生的热量转化为电能,在漫长的太空遨游中获得源源不断的电能,提供了420瓦功率利用x波段电波数传,通过抛物面天线利用无线电波空间传送技术,将电波信号传送到地球的。但从旅行者1号始发信号功率将会逐渐衰减为起初的100万亿亿分之一,仅仅只有10^_22瓦,而且传回地球需耗时大约20.06一40小时左右,传输速度极其漫长,大约只有1.4Kb/s。但是传输时间长都不要紧,重要的是信号由于217亿公里的漫长传输,极大的减弱了信号的传输质量,电波信号非常的微弱,可是伟大的科学家们经过多年的努力深研,还是通过2.3GHz与8.4GHz频段发送给深空网络将微弱的信息放大后完全地接受了。

相关国家的科学家们为了侦测接收旅行者1号发回的微弱电波信号,建立了多处深空网络接收站Deep space Network.DSN.。

从三个方面加大增强信号的传输接收功率:

一,为了让无线电信号集中朝地球方向上,增大传输间距,特别使用了高增益天线;

二,对于旅行者1号的通讯电频高达8GHz,排除干扰,接收成功率极大的增强;

三,高精度的陀螺仪,让它始终对准地球方向,增强了对传回地球电波信号的接收率。

旅行者1号的电波信号的传输与传回地面的微弱电波信号的接收都不是件很容易的事情,深空网络传输与接收它是相关国家的强项。它包涵着伟大的科学家们的高级智慧,是值得拥有和敬仰的!











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旅行者号设计之初就考虑到了电能有限的问题,一切仪器都是被设计成功率极低的使用条件。电池是采用钚元素的核电池,利用钚元素的放射性供电。这就大大延长了旅行者号的使用年限。

而且旅行者号的无线电发射功率仅仅为23瓦特。发射的信号传到地球已经减弱到原来的一亿亿分之一,这是什么概念呢。相当于电子手表的功率的200亿分之一。而且旅行者号的天线大锅直径达到了3.7米,这也大大增强了信号强度。  



 

这些可谓是天才的设计,在30多年前科技还没有这么发达的时候,能设计出这样的飞行器。我们不得不为人类的才华叫好。人类迄今为止最伟大的飞行器就这么不停的飞出了太阳系。未来还要携带人类的愿望在宇宙中慢慢旅行。


  

随着距离地球越来越遥远,每次收到信号的强度和时间也是越来越长。旅行者号基本已经飞离开了太阳风的范围,大约到2030左右核电池也将燃烧殆尽。旅行者号将永远变得沉默了,将和地球永远失去联系。但是旅行者号依然承载着人类的希望和美好的愿望飞往宇宙深处。希望有一天可以遇见智慧生命,把人类的文明传播到宇宙。

  

记得小时候,那时候看报纸,有一篇关于旅行者号的报道,标题是《冲出太阳系,寻找外星人》。当时看的心潮澎湃。希望旅行者号早起能找到外星人,现在看来有点幼稚。也许永远都找不到外星人。也许在宇宙空间撞上小流星呢。   

也许我们永远都不会知道答案了,这样会更好。
  


科技未来宇宙奥秘


应该使用了中继卫星。中继卫星被称为“卫星的卫星”,可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务。中国、美国、俄罗斯和欧空局都有自己的数据与中继卫星系统。



路前的灯


X波段数传发射回来啊,飞船上有抛物面天线,地面有70米口径抛物面天线,码速率很低,慢慢传呗。


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