發(fā)射至今44 年，已飛出日球頂層，旅行者1號仍在回傳數(shù)據(jù)
2021-05-07 15:51:20 EETOPNASA 于1970 年代發(fā)射的旅行者1 號與旅行者2 號，讓科學(xué)家對太陽系邊界有更深一層認(rèn)識。2012 年6 月17 日NASA 公布，經(jīng)過35 年飛行，旅行者1號已飛出太陽系邊界日球?qū)禹敚℉eliopause），成為首個(gè)離開太陽系的人造物體；2018 年11 月5 日，科學(xué)家再證實(shí)旅行者2 號遨游42 年后也飛出日球?qū)禹敚傻?個(gè)離開太陽系的人造物體，且這兩臺探測器分別沿不同方向離開太陽系。
這些年來，旅行者1 號一直以每秒17 公里的速度穿梭在宇宙中，每一年約與我們拉開3.5 天文單位距離，逐漸將太陽系拋在身后，然而根據(jù)最新發(fā)表的研究，它至今仍在將探測數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。
▲太陽系邊界。（Source：NASA）
我們都說星際空間充滿星際介質(zhì)，但那里其實(shí)是比想像中還要空曠稀疏的地方，即使在星際介質(zhì)最稠密區(qū)域，分子數(shù)量都比地球海面上同體積內(nèi)的分子數(shù)量低上兆倍，也因此，多數(shù)情況下旅行者1 號很安靜，畢竟沒遇上什么東西。但每隔幾年，旅行者1 號就會發(fā)回些電漿和塵埃探測數(shù)據(jù)，此時(shí)便是科學(xué)家群起分析之際。
麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)家Jon Richardson 團(tuán)隊(duì)最新研究就發(fā)現(xiàn)，太陽引力對旅行者1 號的影響仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出日光層頂，可能迫使科學(xué)家重新思考太陽系邊界的真實(shí)形狀：標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)認(rèn)為日光層頂形狀如彗星，一邊呈現(xiàn)弧形而另一邊較細(xì)長。
然而旅行者1 號在2020 年探測到周遭磁場強(qiáng)度出乎意料的躍升，如果星際空間磁場比預(yù)期值還大，可能會使其像緊身衣一樣擠壓日光層頂?shù)呐蛎浥c收縮，導(dǎo)致日光層頂看起來更加球形。
此外，Jon Richardson 團(tuán)隊(duì)此前曾從卡西尼號數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)高能中性原子，研究人員認(rèn)為這些中性原子來自日球?qū)禹敻浇捎谒鼈兊臄?shù)量與太陽黑子周期同步，且?guī)缀跬瑫r(shí)在各個(gè)方向變化，當(dāng)時(shí)結(jié)論便是日球?qū)禹攽?yīng)該偏向圓形。
不過這種說法在其他科學(xué)家眼中尚有爭議，比如天文學(xué)家NathanSchwadron 認(rèn)為高能中性原子不一定來自日球?qū)禹敻浇揖退銛?shù)量隨著太陽周期跟著增加減少，其變化也僅是反映了日光層電漿變化，卡西尼號的數(shù)據(jù)并無法推敲出日球?qū)禹斝螤睢?/span>
太陽影響力可能比想像中大
究竟當(dāng)太陽黑子變化時(shí)，日光層頂會跟著膨脹或收縮嗎？還是維持穩(wěn)定？無論日光層確切形狀為何，旅行者1 號和旅行者2 號都只會繼續(xù)遠(yuǎn)離，到今年年底，預(yù)計(jì)旅行者1 號將距離太陽155 個(gè)天文單位，飛船的信息以光速傳播，也需要超過21小時(shí)才能到達(dá)我們手上；旅行者2 號離我們也將達(dá)129 個(gè)天文單位，且到了2023 年將超越已失聯(lián)的先鋒10 號，成為距離我們第二遠(yuǎn)的探測器。
旅行者1 號與旅行者2 號都可以檢測到太陽爆發(fā)導(dǎo)致星際介質(zhì)中的電子振蕩時(shí)，所產(chǎn)生的無線電波，隨著新的太陽周期預(yù)計(jì)于2025 年達(dá)到極大期，爆發(fā)事件將更加頻繁，目前測量結(jié)果已表明探測器附近的星際介質(zhì)密度增加，但是沒人知道接下來還會發(fā)生什么事。
旅行者號的星際通信能力是如何實(shí)現(xiàn)的？
說了這么多，大家可能感興趣，一個(gè)44年前的探測器，距離地球如此之遠(yuǎn)，是如何可以把信息傳回地球的？以下的文章來自知乎，比較詳細(xì)的解釋了旅行者所用到的通信技術(shù)。
文章鏈接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/93489373
作者：李海濤 李贊
旅行者1號于1977年9月5日發(fā)射，截止到2019年11月距離太陽約147個(gè)AU，并以每年3.579 AU 的速度遠(yuǎn)離太陽系。（1AU，即1個(gè)天文單位，約為1.5億千米。）。旅行者2號于1977年8月20日發(fā)射，截止到2019年11月距離太陽約122個(gè)AU，并以每年3.234 AU 的速度遠(yuǎn)離太陽系，已經(jīng)飛出了太陽系邊緣，正在奔向更見遙遠(yuǎn)的星際空間。在“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器發(fā)射的1977年，地球、木星、土星、天王星和海王星排列成一線（每176年出現(xiàn)一次，一次為期3年），為這次“大巡游”提供了機(jī)會。圖1顯示了“旅行者號”的早期任務(wù)階段包括發(fā)射和地球到木星間的巡航以及行星任務(wù)（與木星、土星、天王星和海王星交會）階段飛行路徑。
圖 1 “旅行者”的飛行路徑
目前，2個(gè)“旅行者號”探測器正在執(zhí)行一項(xiàng)長期（1977-2025）的探測任務(wù)。它們在探索了外行星木星、土星、天王星、海王星之后，“旅行者”探測器到達(dá)了太陽系的邊緣并正在飛向其最終目的地星際空間，它們現(xiàn)正在從未到達(dá)過的空間中飛行，不斷書寫NASA最成功最富創(chuàng)造性的星際探測傳奇，其所處位置如圖2所示。
圖2 旅行者1號和2號飛行方向示意圖
圖3 旅行者1號探測器
“旅行者號”目前的任務(wù)階段是星際任務(wù)，開始于1990年1月。星際任務(wù)對滿足最近NASA在“空間科學(xué)計(jì)劃”之“2000年戰(zhàn)略規(guī)劃”中制訂的目標(biāo)非常關(guān)鍵。自從2000年戰(zhàn)略規(guī)劃以來，其中一個(gè)目的是“了解太陽變化及其對太陽系的影響。“旅行者號”是唯一能夠持續(xù)探測外日光層的探測器。2000年戰(zhàn)略規(guī)劃的另一個(gè)目的是“了解星系、恒星和行星的形成、互動以及進(jìn)化”， 并“利用太陽系外部空間環(huán)境作為自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并走出太陽系的范圍去探索太陽系附近銀河系環(huán)境”。“旅行者號”是唯一處在能夠進(jìn)行這些星際環(huán)境探測的飛行器。“旅行者號”的長壽命使它們成為研究太陽風(fēng)長期變化的理想平臺。它們與太陽的距離使它們成為研究太陽風(fēng)、爆發(fā)和宇宙射線的理想探測器。由于能夠?qū)⑵鋽?shù)據(jù)與地球軌道航天器（IMP8,WIN,ACE,SAMPEX）以及穿越黃道南北遠(yuǎn)端的“尤利西斯”數(shù)據(jù)作對比，大大增強(qiáng)了“旅行者”數(shù)據(jù)的理解。
如圖4所示，每個(gè)“旅行者號”探測器載有以下設(shè)備：
圖4 “旅行者”探測器和其科學(xué)設(shè)備
注：HEF——高效率。
對 “旅行者號”的測控通信是由NASA深空網(wǎng)（DSN）負(fù)責(zé)，DSN由分布在全球按經(jīng)度間隔接近120°分布的三處的深空站組成，分別位于美國加州的戈?duì)柕滤雇ā⑽靼嘌赖鸟R德里和澳大利亞的堪培拉，深空網(wǎng)的操作控制中心位于美國加州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL），如圖5所示。NASA深空網(wǎng)是目前世界上能力最強(qiáng)、規(guī)模最大的深空測控通信系統(tǒng)，系統(tǒng)始建于1958年，1961年建成包括戈?duì)柕滤雇ā拇罄麃單槟湍戏羌s翰內(nèi)斯堡三個(gè)深空站的系統(tǒng)，1963年正式命名為深空網(wǎng)；之后在1965年新建了西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉兩個(gè)深空站。直到1974年隨著堪培拉和馬德里站取代了伍墨拉和約翰內(nèi)斯堡（NASA關(guān)閉了了兩處設(shè)施），形成了目前的三站格局。
（1）戈?duì)柕滤雇ㄉ羁照?北緯35°25′36″，西經(jīng)116°53′24″)，位于美國加州的莫哈維沙漠。目前在運(yùn)行的有1個(gè)70m天線、3個(gè)34m波束波導(dǎo)（BWG）天線，正在新建1個(gè)34m BWG天線。
（2）馬德里深空站(北緯40°25′53″，西經(jīng)4°14′53″W)，位于西班牙首都馬德里以西60km。目前在運(yùn)行的有1個(gè)70m天線，1個(gè)34m高效率天線，2個(gè)34m波束波導(dǎo)天線，另有2個(gè)34m波束波導(dǎo)天線在建。
（3）堪培拉深空站(南緯35°24′05″，東經(jīng)148°58′54″)，位于澳大利亞首都堪培拉西南40km。目前在運(yùn)行的有1個(gè)70m天線，3個(gè)34m波束波導(dǎo)天線，有1個(gè)34m波束波導(dǎo)天線在建。
DSN所屬的三個(gè)深空站全都能夠跟蹤“旅行者1號”。而“旅行者2號” 由于位于黃道遙遠(yuǎn)的南方，北半球站點(diǎn)是看不到的，只能通過堪培拉深空站的通信鏈路。表1顯示加利福尼亞戈?duì)柕滤雇ㄉ羁照緝煞N不同尺寸的天線對于“旅行者1號”遙測數(shù)據(jù)率的限制，以及澳大利亞堪培拉深空站對“旅行者2號”遙測數(shù)據(jù)率的限制。至于西班牙馬德里的第三個(gè)深空站，對“旅行者1號” 遙測數(shù)據(jù)率的限制同戈?duì)柕滤苟卣镜南嗨啤?/span>
圖5 美國NASA 深空網(wǎng)布局和組成
為了實(shí)現(xiàn)“旅行者號”任務(wù)極遠(yuǎn)距離的深空通信，當(dāng)時(shí)的探測器和地面深空站都采用了很多通信新技術(shù)，并且在旅行者號任務(wù)實(shí)施的著四十多年的過程當(dāng)中，地面也一直不斷地通過采用新技術(shù)來提升遠(yuǎn)距離通信能力。
“旅行者號”通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)受 “水手-金星-水星” (1973 年發(fā)射)和“海盜軌道器”(1975 年發(fā)射) 通信系統(tǒng)影響很大。這兩個(gè)以前的任務(wù)主要使用S頻段上/下行鏈路系統(tǒng)，并進(jìn)行了X頻段試驗(yàn)。“旅行者號”任務(wù)設(shè)計(jì)的主要改進(jìn)包括：
1）首次使用X頻段而不是S頻段作為主要的下行遙測鏈路；
2）采用雙輸出功率的X頻段TWTA，最大發(fā)射功率18W，設(shè)計(jì)用來減小質(zhì)量、使效率最大化，且工作時(shí)間超過50000h；
3）一個(gè)3.66m直徑的天線，是1977年發(fā)射時(shí)的最大口徑反射面天線；
4）用級聯(lián)格雷+卷積編碼的單通道遙測系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)傳輸，后來在軌升級為級聯(lián)R-S+卷積編碼。
在“旅行者號”任務(wù)的飛行過程中采用的新技術(shù)包括：
在探測器同木星和土星交會之后，JPL完成了“旅行者號”的圖像數(shù)據(jù)壓縮（IDC）軟件。項(xiàng)目組把軟件加載到了探測器上的在軌備份數(shù)據(jù)子系統(tǒng)（FDS）計(jì)算機(jī)中，該計(jì)算機(jī)進(jìn)行了重新配置，以執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。未壓縮的“旅行者”圖像包括800行，每行800個(gè)點(diǎn)（像素），每像素8bit（表示256級灰度中的一個(gè)）。然而，典型的行星或衛(wèi)星圖像中包含的大多數(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)容是黑色的太空或低對比度的云。通過計(jì)算相鄰臨像素灰度級別之間差別，而不是完整的8bit值，圖像數(shù)據(jù)壓縮能夠?qū)⒁环湫蛨D像的比特?cái)?shù)減少60%而不會過度地丟失信息，這就減少了從天王星和海王星向地球傳回一幅完整圖像所需時(shí)間的60%。
同其它深空鏈路一樣，“旅行者號”的遙測鏈路受通信信道中噪聲影響，改變了信道中所傳輸比特的量值，換句話說，產(chǎn)生了誤碼。糾錯(cuò)編碼減少了接收輸出的信息誤碼率。這種編碼通過增加相關(guān)信息比特率增加了信號冗余。在木星和土星探測中使用的格雷編碼算法要求每個(gè)發(fā)送的信息比特需要1bit的開銷（開銷為100%）。“旅行者”載有一個(gè)試驗(yàn)性的RS數(shù)據(jù)編碼器，特別適用于天王星和海王星這種通信距離更遠(yuǎn)的任務(wù)階段。新的RS編碼方案減少到每5bit信息有1bit的開銷（開銷為20%），信息輸出誤碼率由5×10－3減少到10－6。
得益于“旅行者”計(jì)劃最重要的DSN升級是64m站升級到70m站。70m站的升級通過移走舊金屬面板和結(jié)構(gòu)支架，然后安裝全新的外部支撐結(jié)構(gòu)和精密面板，面板表面可調(diào)整到亞毫米級精度。引入了全息對齊技術(shù)，用來保證準(zhǔn)確的聚焦X頻段射頻信號。更大的表面面積和對齊及校正技術(shù)共同使每個(gè)70m站的信號強(qiáng)度提高了1.4dB。
受益于“旅行者”計(jì)劃第二項(xiàng)重要DSN升級是采用基帶合成技術(shù)的多天線組陣系統(tǒng)。通過將70m天線同1個(gè)34m高效率（HEF）天線組陣，可使70m天線的性能增加0.8dB；將70m天線同2個(gè)34m天線組陣，可使70m天線的性能增加1.2dB。
為了與海王星交會時(shí)獲取數(shù)據(jù)，“旅行者”計(jì)劃調(diào)動了NASA/JPL管理的DSN以外的地面資源。同天王星交會時(shí)一樣，DSN再次聯(lián)手澳大利亞政府的Parkes 64m射電天文天線，該天線由聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究機(jī)構(gòu)（CSIRO）管理。DSN在堪培拉的70m和34m天線同Parkes 64m天線組成天線陣，其間用320km的微波鏈路相連[1]。
與海王星交會期間，用上述3個(gè)天線同時(shí)跟蹤“旅行者”，DSN和Parkes射電天文臺取得的合成信號強(qiáng)度基本正比于增加的組陣天線組合表面積。其它因素相同的情況下，DSN－Parkes組陣可以提供的比特速率雙倍于單一70m的能力。
到目前為止針對海王星的最大信號強(qiáng)度提升是通過將新墨西哥州socorro附近的國家射電天文臺（NRAO）甚大天線陣（VLA）的27個(gè)25m拋物面天線同加利福尼亞州戈?duì)柕滤苟氐?0m DSN天線組成天線陣得到的。用VLA與70m天線組陣后接收到的信號功率（或者數(shù)據(jù)率能力）接近70m天線自身接收能力的3倍。1個(gè)70m天線，2個(gè)34m天線與VLA組成天線陣，提供的下行信號性能比單一70m天線多5.6dB，在比特率上幾乎是4倍。
最后，與日本航天局JAXA合作，允許其臼田的64m天線用于星際交會日的非實(shí)時(shí)射電科學(xué)數(shù)據(jù)組合。
在20世紀(jì)90年代初期，DSN開發(fā)了一種軟件接收機(jī)（BVR）。好處之一是BVR為“旅行者”提供抑制載波模式下工作的能力。通過將探測器激勵(lì)器的相位調(diào)制指數(shù)改變?yōu)?0°，不存在獨(dú)立載波，所有能量都分配給調(diào)制的遙測副載波。
在2000到2001年期間，DSN在70m站用HEMT技術(shù)代替了需頻繁維護(hù)的脈澤前置放大器并降低了前置放大器噪聲溫度。這兩項(xiàng)改造使下行遙測性能增加了約0.5dB。從二十世紀(jì)90年代后期開始探測器遠(yuǎn)離地球的速度相當(dāng)于每年性能降低0.5dB。因此，這兩項(xiàng)改造將比特速率能力（同沒有改造相比）延長了1～2年。
DSN已經(jīng)完成了所有三個(gè)深空通信設(shè)施的組陣能力升級，包括從基帶組合發(fā)展到全頻譜合成以及裝備了更多的34m天線。全頻譜合成技術(shù)使得“旅行者號”在通過終點(diǎn)激波、日鞘和太陽風(fēng)層頂進(jìn)入到廣闊未知的星際空間后，仍然能夠使用科學(xué)數(shù)據(jù)回放速率下傳數(shù)據(jù)。更多可用的34m站減少了各項(xiàng)目對緊缺DSN資源的爭奪， 從2013年開始，“旅行者”的日常的組陣是利用一對34-m天線組陣以160bit/s的速率接收每天的巡航遙測數(shù)據(jù)。
綜合采用以上各種提高系統(tǒng)性能的方法，使地面接收“旅行者號”下行數(shù)據(jù)的碼速率目前仍可以達(dá)到約150bps。雖然，在這種下傳數(shù)據(jù)速率的情況下，獲取探測數(shù)據(jù)仍然很慢，而且天地單向光行時(shí)達(dá)到約20h，但地面仍可以通過獲取的有限且寶貴的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，認(rèn)識遙遠(yuǎn)太空的奧秘。
（附表為“旅行者2號”下行鏈路載波設(shè)計(jì)控制表，有興趣的讀者可以學(xué)習(xí)和嘗試計(jì)算一下其鏈路性能。）
注：“旅行者2號”與海王星最接近時(shí)刻是在1989年8月25日。同Parkes的天線組陣早在3月份已經(jīng)啟用。在6、7、8這3個(gè)月，使用Parkes的天數(shù)多于不使用的天數(shù)。接近交會時(shí)，利用所有3個(gè)站點(diǎn)上的陣列，大多數(shù)時(shí)間能夠近乎連續(xù)地接收到“旅行者2號”的下行信號。在堪培拉，就某次具體過境的組陣可以多達(dá)3個(gè)站，計(jì)劃用的站包括：DSS-43、DSS45、DSS42和DSS49（Parkes的數(shù)字代號）。
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