旅行者一號、二號距地球近200億公里——靠什么傳回地球信號？

美國國家航空航天局（NASA）在美國2018地球物理年會上宣布，通過比較旅行者2號上搭載的不同儀器傳回的數(shù)據(jù)，經(jīng)過41年的漫長飛行，旅行者2號已經(jīng)通過了日球?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。

兩艘旅行者探測器飛出日光層的方向

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

旅行者一號探測器全貌

那么問題來了！旅行者一號、二號距地球近200億公里——靠什么傳回地球信號？

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

想象一下，有時候我們在離市區(qū)稍遠(yuǎn)的地方都會發(fā)現(xiàn)手機沒有信號，但是NASA的深空系統(tǒng)需要接收一個遠(yuǎn)在200億公里之外，并且是由一臺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，這真的非常令人驚嘆！

旅行者號概要圖

據(jù)了解旅行者奇異之處也在于它運用了三個同位素放射性元素的溫度差作為發(fā)動機的馬力（核電池），來確保系統(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信息，旅行者號擁有一個類似大鍋的接收器，名稱叫做高增益天線。該天線呈線拱形狀，直徑有3.7米，這一設(shè)計是為了把信號集中于一點，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)，信號干擾也強，輸送效率越低。關(guān)于這一點，美國天文學(xué)家提出了可以增大天線的直徑長度或是把多個天線布局成天線陣去擴大信號的接收，以提高接收效率。旅行者號的通訊頻率高達(dá)8GHz，這個頻段上幾乎沒有任何干擾，也就是信噪比非常高。

但這個信號依然太弱小，于是NASA必須釆取非常多的技術(shù)手段來保證信號的接受和搖控。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傳輸回來……

第一 在理論上來講無線電波在真空狀態(tài)下是沒有損耗的，即使太空有各種粒子或者其他一些不確定因素影響無線點的傳播也是微乎其微的，也就是說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題，當(dāng)然旅行者上面的發(fā)射機功率并不大只有十幾瓦的樣子比我們用的對講機大些但遠(yuǎn)比不了車載電臺或者基地電臺，這倒不是因為它的功率放大級做不了那么大，只是因為沒有必要做的那么大，就算星上發(fā)射功率一千瓦，回到地球還是這個屌樣子，比二十幾瓦好不到那里去，功率不做大還有一個最重要的原因就是星上的核電池不支持發(fā)射機的功耗，在沒有太陽光的日子里，電能變得非常重要了，因為星上還有一個用電大戶，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 下行的信號很弱就得用增益超大的天線，就是我們平常說的大鍋，幾十米的直徑一個，若干個還能組成天線陣列來增加系統(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，也可以利用低溫來實現(xiàn)器件的低噪聲，還能利用更低的溫度在關(guān)鍵借點實現(xiàn)超導(dǎo)，用盡種種辦法來降低系統(tǒng)的噪聲，噪聲下去了，信噪比就上來了。

第三 降低發(fā)信機發(fā)信的速率，很慢的一個字節(jié)一個字節(jié)發(fā)送，我們地球人有的是時間，磨刀不誤砍柴功，速度慢些也比下來一大堆亂碼要好得多，再說這發(fā)射機和數(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讀取時間也不會很快，調(diào)的快點容易死機。估計星上的內(nèi)存應(yīng)該是有壞的經(jīng)過優(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，估計也是在用備份得了。

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