旅行者一號(hào)、二號(hào)距地球近200億公里——靠什么傳回地球信號(hào)？

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在美國(guó)2018地球物理年會(huì)上宣布，通過(guò)比較旅行者2號(hào)上搭載的不同儀器傳回的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)41年的漫長(zhǎng)飛行，旅行者2號(hào)已經(jīng)通過(guò)了日球?qū)拥耐獠窟吘?，進(jìn)入了星際空間，目前距離地球逾180億公里。

兩艘旅行者探測(cè)器飛出日光層的方向

另外旅行者一號(hào)探測(cè)器于1977年9月5日發(fā)射，截止到2018年11月仍然正常運(yùn)作。它曾到訪過(guò)木星及土星，是提供了其衛(wèi)星高解像清晰照片的第一艘航天器。旅行者一號(hào)作為人類(lèi)歷史上向外太空發(fā)射的第一個(gè)探測(cè)器，在人類(lèi)的航空航天史上成為一座十分具有紀(jì)念意義的里程碑。

旅行者一號(hào)探測(cè)器全貌

那么問(wèn)題來(lái)了！旅行者一號(hào)、二號(hào)距地球近200億公里——靠什么傳回地球信號(hào)？

在太空，信號(hào)不比地球。地球遍布著網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，一個(gè)信息就可以從北半球傳到南半球。而太空中的信號(hào)想要抵達(dá)地球，傳輸系統(tǒng)就必須依靠科技硬實(shí)力。

想象一下，有時(shí)候我們?cè)陔x市區(qū)稍遠(yuǎn)的地方都會(huì)發(fā)現(xiàn)手機(jī)沒(méi)有信號(hào)，但是NASA的深空系統(tǒng)需要接收一個(gè)遠(yuǎn)在200億公里之外，并且是由一臺(tái)40年前建造的，功率和冰箱里小燈差不多的老化發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，這真的非常令人驚嘆！

旅行者號(hào)概要圖

據(jù)了解旅行者奇異之處也在于它運(yùn)用了三個(gè)同位素放射性元素的溫度差作為發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力（核電池），來(lái)確保系統(tǒng)的電力供應(yīng)。

為了使地球能收到遠(yuǎn)在一兩百億公里的旅行者一號(hào)信息，旅行者號(hào)擁有一個(gè)類(lèi)似大鍋的接收器，名稱(chēng)叫做高增益天線。該天線呈線拱形狀，直徑有3.7米，這一設(shè)計(jì)是為了把信號(hào)集中于一點(diǎn)，便于接收。天線的接收效率與傳送距離成反比，距離地球越遠(yuǎn)，信號(hào)干擾也強(qiáng)，輸送效率越低。關(guān)于這一點(diǎn)，美國(guó)天文學(xué)家提出了可以增大天線的直徑長(zhǎng)度或是把多個(gè)天線布局成天線陣去擴(kuò)大信號(hào)的接收，以提高接收效率。旅行者號(hào)的通訊頻率高達(dá)8GHz，這個(gè)頻段上幾乎沒(méi)有任何干擾，也就是信噪比非常高。

但這個(gè)信號(hào)依然太弱小，于是NASA必須釆取非常多的技術(shù)手段來(lái)保證信號(hào)的接受和搖控。關(guān)于太空的探究，科學(xué)家總在不斷地嘗試與探究，只為尋找最佳方案。

遙遠(yuǎn)的太空中如何正確把信號(hào)傳輸回來(lái)……

第一 在理論上來(lái)講無(wú)線電波在真空狀態(tài)下是沒(méi)有損耗的，即使太空有各種粒子或者其他一些不確定因素影響無(wú)線點(diǎn)的傳播也是微乎其微的，也就是說(shuō)只要有功率輸出就能接收得到，功率大小只是解決接受的清楚和不清楚的問(wèn)題，當(dāng)然旅行者上面的發(fā)射機(jī)功率并不大只有十幾瓦的樣子比我們用的對(duì)講機(jī)大些但遠(yuǎn)比不了車(chē)載電臺(tái)或者基地電臺(tái)，這倒不是因?yàn)樗墓β史糯蠹?jí)做不了那么大，只是因?yàn)闆](méi)有必要做的那么大，就算星上發(fā)射功率一千瓦，回到地球還是這個(gè)屌樣子，比二十幾瓦好不到那里去，功率不做大還有一個(gè)最重要的原因就是星上的核電池不支持發(fā)射機(jī)的功耗，在沒(méi)有太陽(yáng)光的日子里，電能變得非常重要了，因?yàn)樾巧线€有一個(gè)用電大戶，那就是里面的空調(diào)系統(tǒng)，在零下二百多度的空間里沒(méi)有空調(diào)的話里面的電子器件分分鐘就玩完

第二 下行的信號(hào)很弱就得用增益超大的天線，就是我們平常說(shuō)的大鍋，幾十米的直徑一個(gè)，若干個(gè)還能組成天線陣列來(lái)增加系統(tǒng)的增益，在地面有的是空間和電力，可以把接收系統(tǒng)做的很牛逼，可以努力降低頻率震蕩的相位噪聲，也可以利用低溫來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的低噪聲，還能利用更低的溫度在關(guān)鍵借點(diǎn)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，用盡種種辦法來(lái)降低系統(tǒng)的噪聲，噪聲下去了，信噪比就上來(lái)了。

第三 降低發(fā)信機(jī)發(fā)信的速率，很慢的一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)發(fā)送，我們地球人有的是時(shí)間，磨刀不誤砍柴功，速度慢些也比下來(lái)一大堆亂碼要好得多，再說(shuō)這發(fā)射機(jī)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)還是幾十年前的東東，你想快都快不了，星上的RAM讀取時(shí)間也不會(huì)很快，調(diào)的快點(diǎn)容易死機(jī)。估計(jì)星上的內(nèi)存應(yīng)該是有壞的經(jīng)過(guò)優(yōu)化后湊合著用呢，轉(zhuǎn)發(fā)器上面的功率放大系統(tǒng)應(yīng)該也不止一套，估計(jì)也是在用備份得了。

而且它的信號(hào)發(fā)射功率，只有20多瓦，所以旅行者1號(hào)和地球間的通訊，與其他探索飛船有著不一樣的地方。1、旅行者1號(hào)上，有個(gè)精密的陀螺儀，始終對(duì)著地球；基于角動(dòng)量守恒原理，該陀螺儀能保證旅行者1號(hào)在茫茫的深空中，不會(huì)遺失地球目標(biāo)。2、旅行者1號(hào)飛船重815千克，天線直徑就有3.7米，相比其他飛船的天線算大的。