旅行者1号飞了46年,为什么还能和地球通讯?

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旅行者1号(Voyager 1)是迄今为止飞得最远的探测器,该探测器于1977年9月5日发射升空,在接下来的时间里,它连续利用了木星、土星等巨行星的引力助推,进而获得了足以摆脱太阳引力束缚的速度,在此之后,它就一直在向宇宙深空前进,如果不出意外的话,在遥远的未来,它就可以飞出太阳系。
就目前的情况来看,旅行者1号已经飞了46年的时间,它当前的位置距离地球大约242亿公里,这大概相当于日地平均距离的162倍,对于我们人类来讲,这样的距离可以说是非常遥远了。令人惊讶的是,这个探测器仍然与地球保持着联系,那么问题就来了,在这么远的位置上,它为什么还能和地球通讯呢?
是使用了什么“黑科技”吗?其实并不是。实际上,旅行者1号使用的其实就是常见的无线电通讯技术,它的通讯系统包括调制解调器、编码器、解码器、数据处理器以及发射、接收装置,为了尽量增加有效通讯距离以及保证无线电信号传输的成功率,它配备一个直径高达3.7米的高增益天线,并使用了无线电干扰很小的8GHz发射频段。
旅行者1号的导航系统主要由惯性测量单元(IMU)、恒星追踪器(star sensor)和飞行数据子系统(FDS)组成。
其中惯性测量单元配有高精度的陀螺仪和加速度计,可以实时感知旅行者1号的姿态和加速度,恒星追踪器可以通过观测一些位置和亮度相对固定的恒星,进而确定旅行者1号的方向,飞行数据子系统则可以根据前两者的数据来控制旅行者1号的姿态,进而保证高增益天线在与地球通讯时一直对准地球。
尽管旅行者1号采用了当时最先进的无线电通讯设备,但它发射的无线电信号的强度却是有限的,随着与地球距离的不断增加,它发射的信号也会变得越来越微弱,就目前的情况来看,当旅行者1号发出的信号经过242亿公里的传播抵达地球时,其强度已经低至大约500万亿亿分1瓦。
如此微弱的无线电信号是用什么接收的呢?答案就是“深空网络”(Deep Space Network, 简称DSN)。
“深空网络”是由NASA建立的全球性太空通讯地面站网络系统,它主要用于与远离地球的太空探测器进行通讯和数据传输,该系统由三个站点组成,它们分别是位于美国加利福尼亚州的“戈尔德斯通深空站”(Goldstone View)、位于西班牙马德里附近的“马德里深空站”(Madrid View)、位于澳大利亚堪培拉附近的“堪培拉深空站”(Canberra View)。
这三个站点在地球上的位置大约相隔120度(经度),这样就可以保证在地球自转的过程中,总有一个站点可以与太空探测器保持联系,它们都配备了多个大型抛物面天线(其中最大的直径可达70米左右),可以接收极为微弱的无线电信号,也能够向宇宙深空发射功率超过1万瓦的无线电信号,这样就可以确保那些遥远的太空探测器可以接收到,其中当然也包括旅行者1号。
正是有了“深空网络”的支持,旅行者1号才能在距离地球242亿公里的位置上和地球通讯,当然了,这样的情况也只是暂时,可以想象的是,随着时间的流逝,旅行者1号与地球的距离还会不断增加,其发出的无线电信号也会继续减弱,在这样的情况下,它迟早会与地球失联。
另一方面来讲,旅行者1号的能源也是有限的,它使用的是3块“核电池”,其原理是利用钚-238的自然衰变产生的热量,通过热电效应产生电能。根据NASA的估算,在2025年的时候,旅行者1号的能源就会消耗殆尽,在此之后,它就会永远地与地球失去联系,从此孤单地在茫茫的宇宙空间中漂泊。
值得一提的是,旅行者1号还携带了一张铜质镀金激光唱片,上面记录着很多有关地球的信息,从理论来讲,这些信息可以保存上亿年的时间,或许在很久很久之后,有一个外星文明会发现它,进而知道我们人类文明的存在。


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