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人类如何遥控操作远离地球的太空探测器？

文|读史溯源

美国在1977年8月和9月分别发射了两枚宇宙探测器，旅行者1号和旅行者2号。旅行者1号在2012年飞入星际介质，到了2019年，旅行者1号已经距离地球211亿公里。旅行者2号在2018年穿过太阳风层，距离地球180亿公里，两枚探测器大概还需要300年进入奥尔特云小天体聚集区，穿过这个区域大约需要3万年，这才算真正脱离太阳系，也许人类文明不存在了，他们还在太空翱翔，传递曾经的文明之火。

几百亿公里真的是非常遥远，是天文数字，但人类依旧对探测器进行掌控，靠的是什么？以光速传播的电磁波

探测器装有三个同位素放射性元素的核电池，作为动力源，供电能力会以每年4瓦的速度衰减，理论上可以坚持到2025年，这就保证探测器能持续发射信号，大概功率在几十瓦左右，跟冰箱灯泡差不多大小。

虽然功率低，但也足够用了，因为宇宙是真空状态，无线电波在理论上是没有衰减的，即使有放射性粒子干扰，也是可以将信号传递到地球，旅行者号上的陀螺仪保证了发射方向一直对着地球，不会丢失目标，真正要求高的是接收装置。

在加利福尼亚州的莫哈韦沙漠，那里伫立着NASA的戈德斯通深空通讯装置，直径70米的弧形的天线非常醒目。在西班牙马德里、澳大利亚堪培拉等地也架设相似的通讯装置，他们在一起构成了天线阵列，这就相当于拥有了非常灵敏的耳朵，可以接受遥远太空传过来的电磁波信号。就算电磁波功率仅有百亿分之一瓦，也能接收得到。同样，在旅行者号上，也有一个大耳朵，形状像大锅的接收器，叫做高增益天线，直径有3.7米，可以接收频率高达8GHz的信号，信噪比非常高，地球与旅行者号的传递时间大概有十个小时的延迟。

40多年的飞行，旅行者号逐渐开始失去控制

旅行者1号已经失联，2号到达柯伊伯带附近，传递的信号越来越奇怪，专家们分析是宇宙中存在大量的辐射，旅行者号探测器长期在太空中飞行，探测器上的零部件被辐射影响出现老，导致无法正常工作，所以传递到地球的信息越来越不完整。尽管如此，两个探测器依旧代表着人类向着太阳系外探索，永不停歇的飞向星辰大海。

地面如何向远在几十亿公里之外的航天器发送指令遥控它呢，说到这个问题，没有什么比旅行者1号更具有讨论性，因为旅行者1号是迄今为止飞得最远的探测器，目前距离地球已有223亿公里。

2014年9月13日，NASA召开新闻发布会宣称旅行者1号已进入星际空间，根据旅行者1号传回来的数据，它已经飞离了日球层，进入了寒冷的星际空间中。旅行者1号搭载了对周围介质进行分析的仪器，传回来的数据表明旅行者1号遭受到的宇宙线的数量增多，而带电粒子减少，这些数据显示旅行者1号飞出日球层了，科学家为了证明这一结果做了很多工作，飞船已经驶入了一片全新的区域，这与预期的星际环境相符合。

旅行者1号是人类第一艘驶入星际空间的飞行器，是距离地球最远的飞行器，它现在的速度是17公里每秒，正在朝着蛇夫座的方向前进，也许多少年以后旅行者1号抵达了另一个恒星系中。

旅行者1号距离地球那么遥远，地面向旅行者1号发送一次信息就需要经历将近21个小时的时间才可以被旅行者1号接收到，而旅行者1号回复这则信息传回来的数据也得需要这么久的时间才可以到达地面，一来一回就是将近42个小时，而且信号还是以光速传播的呢，可想而知有多么远了。既然如此遥远，那么地面究竟是如何与它保持联络的呢？

旅行者一号上安装了高增益天线，外形形似一口大锅，口径3.7米，在任务期间全靠这个与地面保持联络，并且还安装了精确程度非常高的陀螺仪，以便增益天线能够正对着地球，有效的发送信息，信息是以无线电波为载体，我们知道无线电波的传播会随着距离增加而不断衰减，实际上，从旅行者1号刚刚发送信息时，等到地面接收到，此时的信号强度已衰减为当时的100万亿亿分之一，因此地面能接收到的信号已极其微弱。

那么如此微弱的信号，地面该如何接收并读取内容呢？

这就要说一下美国建设的深空通讯网络了，简称DSN。DSN在全世界三个地方都建有测控站，分别是西班牙马德里、美国加州、澳大利亚堪培拉，这样安排的好处是可以避免地球自转的影响，始终都会有1个测控站可以接收到旅行者1号发送的信号。

飞行器距离地球那么远，信号损耗的那么厉害，此时地面上就需要建立更大口径的天线来接收信号，口径当然是越大越好，但是单个天线的口径是有限度的，并不是想做多大就能够做多大。DSN的三个测控站的天线是够用的了，比如位于马德里的测控站由一个70米级的天线以及2个34米的波束波导天线、1个34米的高效率天线组成，其它的2个测控站大体上都是这样的配置。

前文说到了，由于传到地球上的信号已经是发送信号时强度的100万亿亿分之一了，如何才能“听得清”，这就需要地面上的天线的增益功能了，说白了，就是放大信号的强度，使信号达到可以被“听得清”的程度。

地面发送指令给旅行者1号时，也需要增强信号，而且旅行者1号也需要正对着地球，这样才可以正确地接收到地面发送的信息。

2017年11月28日，NASA做了一次测试，给远在211亿公里外的旅行者1号发送了重启已经尘封了37年的航迹修正推进器的指令，经过了近40个小时的焦急等待，工作人员终于等来了旅行者1号的回复：四个备份推进器全部启动10毫秒工作正常！在场的工作人员流下了激动的泪水。

旅行者1号是人类释放的第一个“信使”，上面携带着地球与人类的信息，它正在朝着茫茫的星辰大海前进。目前仅靠着放射性同位素温差发电机来供电，为了节省电能以保证与地面的联系，旅行者1号上的绝大部分的设备已停止了使用，再过几年当电能彻底耗尽之后，旅行者1号将成为无声的信使向着宇宙深空进发，谁也不知道它未来的命运会是什么。

深空探测器探测的主要目的是为了了解太阳系的起源、演变和现状，通过对太阳系内的各主要行星的比较研究，进一步认识地球环境的形成和演变。

旅行者1号

深空探测器远离地球几亿公里，无线电信号传输时间长，地面不能进行实时遥控，如果要保证能够按照既定的路线运行，所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力。另外为了保证轨道控制发动机工作姿态准确，通信天线需要始终对准地球。

为了将大量的地球指令发给探测器，以及探测数据和图像传送给地面，必须解决低数据率极远距离的传输问题。解决方法是在探测器上采用数据压缩、抗干扰和相干接收等技术，还须尽量增大无线电发射机的发射功率和天线口径，并在地球上多处设置配有巨型抛物面天线的测控站或测量船。深空探测器上还装有计算机，以完成信息的存贮和处理。另外深空探测器还需要配备能够供电的空间核电源。

深空网络射电望远镜FAST天眼

目前人类最远的深空探测是40多年前发射的旅行者1号，已经距离地球超过190亿公里，马上就要离开太阳系，进入星际飞行。旅行者1号通信系统包括一个直径3.7米的抛物线碟形高增益天线。通过地球上的三个深空网络射电望远镜站点发送和接收无线电波。这三个巨大的无线电天线网络，位于加利福尼亚州戈德斯通、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉附近，最大的天线直径为70米，大约呈120度。

旅行者1号在65亿公里处拍摄的地球

然而，随着旅行者1号飞行的越来越远，空间任务中的低功率发射机意味着当信息从外行星到达时，信号功率越来越低，深空网络射电望远镜也就需要不断升级和扩展来保证通讯。

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