發射至今44 年，已飛出日球頂層，旅行者1號仍在回傳數據
2021-05-07 15:51:20 EETOPNASA 于1970 年代發射的旅行者1 號與旅行者2 號，讓科學家對太陽系邊界有更深一層認識。2012 年6 月17 日NASA 公布，經過35 年飛行，旅行者1號已飛出太陽系邊界日球層頂（Heliopause），成為首個離開太陽系的人造物體；2018 年11 月5 日，科學家再證實旅行者2 號遨游42 年后也飛出日球層頂，成第2個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，然而根據最新發表的研究，它至今仍在將探測數據發送回地球。
▲太陽系邊界。（Source：NASA）
我們都說星際空間充滿星際介質，但那里其實是比想像中還要空曠稀疏的地方，即使在星際介質最稠密區域，分子數量都比地球海面上同體積內的分子數量低上兆倍，也因此，多數情況下旅行者1 號很安靜，畢竟沒遇上什么東西。但每隔幾年，旅行者1 號就會發回些電漿和塵埃探測數據，此時便是科學家群起分析之際。
麻省理工學院天體物理學家Jon Richardson 團隊最新研究就發現，太陽引力對旅行者1 號的影響仍遠遠超出日光層頂，可能迫使科學家重新思考太陽系邊界的真實形狀：標準觀點認為日光層頂形狀如彗星，一邊呈現弧形而另一邊較細長。
然而旅行者1 號在2020 年探測到周遭磁場強度出乎意料的躍升，如果星際空間磁場比預期值還大，可能會使其像緊身衣一樣擠壓日光層頂的膨脹與收縮，導致日光層頂看起來更加球形。
此外，Jon Richardson 團隊此前曾從卡西尼號數據中發現高能中性原子，研究人員認為這些中性原子來自日球層頂附近，由于它們的數量與太陽黑子周期同步，且幾乎同時在各個方向變化，當時結論便是日球層頂應該偏向圓形。
不過這種說法在其他科學家眼中尚有爭議，比如天文學家NathanSchwadron 認為高能中性原子不一定來自日球層頂附近，且就算數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，卡西尼號的數據并無法推敲出日球層頂形狀。
太陽影響力可能比想像中大
究竟當太陽黑子變化時，日光層頂會跟著膨脹或收縮嗎？還是維持穩定？無論日光層確切形狀為何，旅行者1 號和旅行者2 號都只會繼續遠離，到今年年底，預計旅行者1 號將距離太陽155 個天文單位，飛船的信息以光速傳播，也需要超過21小時才能到達我們手上；旅行者2 號離我們也將達129 個天文單位，且到了2023 年將超越已失聯的先鋒10 號，成為距離我們第二遠的探測器。
旅行者1 號與旅行者2 號都可以檢測到太陽爆發導致星際介質中的電子振蕩時，所產生的無線電波，隨著新的太陽周期預計于2025 年達到極大期，爆發事件將更加頻繁，目前測量結果已表明探測器附近的星際介質密度增加，但是沒人知道接下來還會發生什么事。
旅行者號的星際通信能力是如何實現的？
說了這么多，大家可能感興趣，一個44年前的探測器，距離地球如此之遠，是如何可以把信息傳回地球的？以下的文章來自知乎，比較詳細的解釋了旅行者所用到的通信技術。
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日發射，截止到2019年11月距離太陽約147個AU，并以每年3.579 AU 的速度遠離太陽系。（1AU，即1個天文單位，約為1.5億千米。）。旅行者2號于1977年8月20日發射，截止到2019年11月距離太陽約122個AU，并以每年3.234 AU 的速度遠離太陽系，已經飛出了太陽系邊緣，正在奔向更見遙遠的星際空間。在“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器發射的1977年，地球、木星、土星、天王星和海王星排列成一線（每176年出現一次，一次為期3年），為這次“大巡游”提供了機會。圖1顯示了“旅行者號”的早期任務階段包括發射和地球到木星間的巡航以及行星任務（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“旅行者號”探測器正在執行一項長期（1977-2025）的探測任務。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，它們現正在從未到達過的空間中飛行，不斷書寫NASA最成功最富創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”目前的任務階段是星際任務，開始于1990年1月。星際任務對滿足最近NASA在“空間科學計劃”之“2000年戰略規劃”中制訂的目標非常關鍵。自從2000年戰略規劃以來，其中一個目的是“了解太陽變化及其對太陽系的影響。“旅行者號”是唯一能夠持續探測外日光層的探測器。2000年戰略規劃的另一個目的是“了解星系、恒星和行星的形成、互動以及進化”， 并“利用太陽系外部空間環境作為自然科學實驗室，并走出太陽系的范圍去探索太陽系附近銀河系環境”。“旅行者號”是唯一處在能夠進行這些星際環境探測的飛行器。“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、爆發和宇宙射線的理想探測器。由于能夠將其數據與地球軌道航天器（IMP8,WIN,ACE,SAMPEX）以及穿越黃道南北遠端的“尤利西斯”數據作對比，大大增強了“旅行者”數據的理解。
如圖4所示，每個“旅行者號”探測器載有以下設備：
圖4 “旅行者”探測器和其科學設備
注：HEF——高效率。
對 “旅行者號”的測控通信是由NASA深空網（DSN）負責，DSN由分布在全球按經度間隔接近120°分布的三處的深空站組成，分別位于美國加州的戈爾德斯通、西班牙的馬德里和澳大利亞的堪培拉，深空網的操作控制中心位于美國加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室（JPL），如圖5所示。NASA深空網是目前世界上能力最強、規模最大的深空測控通信系統，系統始建于1958年，1961年建成包括戈爾德斯通、澳大利亞伍墨拉和南非約翰內斯堡三個深空站的系統，1963年正式命名為深空網；之后在1965年新建了西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉兩個深空站。直到1974年隨著堪培拉和馬德里站取代了伍墨拉和約翰內斯堡（NASA關閉了了兩處設施），形成了目前的三站格局。
（1）戈爾德斯通深空站(北緯35°25′36″，西經116°53′24″)，位于美國加州的莫哈維沙漠。目前在運行的有1個70m天線、3個34m波束波導（BWG）天線，正在新建1個34m BWG天線。
（2）馬德里深空站(北緯40°25′53″，西經4°14′53″W)，位于西班牙首都馬德里以西60km。目前在運行的有1個70m天線，1個34m高效率天線，2個34m波束波導天線，另有2個34m波束波導天線在建。
（3）堪培拉深空站(南緯35°24′05″，東經148°58′54″)，位于澳大利亞首都堪培拉西南40km。目前在運行的有1個70m天線，3個34m波束波導天線，有1個34m波束波導天線在建。
DSN所屬的三個深空站全都能夠跟蹤“旅行者1號”。而“旅行者2號” 由于位于黃道遙遠的南方，北半球站點是看不到的，只能通過堪培拉深空站的通信鏈路。表1顯示加利福尼亞戈爾德斯通深空站兩種不同尺寸的天線對于“旅行者1號”遙測數據率的限制，以及澳大利亞堪培拉深空站對“旅行者2號”遙測數據率的限制。至于西班牙馬德里的第三個深空站，對“旅行者1號” 遙測數據率的限制同戈爾德斯敦站的相似。
圖5 美國NASA 深空網布局和組成
為了實現“旅行者號”任務極遠距離的深空通信，當時的探測器和地面深空站都采用了很多通信新技術，并且在旅行者號任務實施的著四十多年的過程當中，地面也一直不斷地通過采用新技術來提升遠距離通信能力。
“旅行者號”通信的系統設計受 “水手-金星-水星” (1973 年發射)和“海盜軌道器”(1975 年發射) 通信系統影響很大。這兩個以前的任務主要使用S頻段上/下行鏈路系統，并進行了X頻段試驗。“旅行者號”任務設計的主要改進包括：
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，最大發射功率18W，設計用來減小質量、使效率最大化，且工作時間超過50000h；
3）一個3.66m直徑的天線，是1977年發射時的最大口徑反射面天線；
4）用級聯格雷+卷積編碼的單通道遙測系統提供有效的數據傳輸，后來在軌升級為級聯R-S+卷積編碼。
在“旅行者號”任務的飛行過程中采用的新技術包括：
在探測器同木星和土星交會之后，JPL完成了“旅行者號”的圖像數據壓縮（IDC）軟件。項目組把軟件加載到了探測器上的在軌備份數據子系統（FDS）計算機中，該計算機進行了重新配置，以執行這項任務。未壓縮的“旅行者”圖像包括800行，每行800個點（像素），每像素8bit（表示256級灰度中的一個）。然而，典型的行星或衛星圖像中包含的大多數數據內容是黑色的太空或低對比度的云。通過計算相鄰臨像素灰度級別之間差別，而不是完整的8bit值，圖像數據壓縮能夠將一幅典型圖像的比特數減少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，產生了誤碼。糾錯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發送的信息比特需要1bit的開銷（開銷為100%）。“旅行者”載有一個試驗性的RS數據編碼器，特別適用于天王星和海王星這種通信距離更遠的任務階段。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構支架，然后安裝全新的外部支撐結構和精密面板，面板表面可調整到亞毫米級精度。引入了全息對齊技術，用來保證準確的聚焦X頻段射頻信號。更大的表面面積和對齊及校正技術共同使每個70m站的信號強度提高了1.4dB。
受益于“旅行者”計劃第二項重要DSN升級是采用基帶合成技術的多天線組陣系統。通過將70m天線同1個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獲取數據，“旅行者”計劃調動了NASA/JPL管理的DSN以外的地面資源。同天王星交會時一樣，DSN再次聯手澳大利亞政府的Parkes 64m射電天文天線，該天線由聯邦科學和工業研究機構（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個天線同時跟蹤“旅行者”，DSN和Parkes射電天文臺取得的合成信號強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25m拋物面天線同加利福尼亞州戈爾德斯敦的70m 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（或者數據率能力）接近70m天線自身接收能力的3倍。1個70m天線，2個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時射電科學數據組合。
在20世紀90年代初期，DSN開發了一種軟件接收機（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。通過將探測器激勵器的相位調制指數改變為90°，不存在獨立載波，所有能量都分配給調制的遙測副載波。
在2000到2001年期間，DSN在70m站用HEMT技術代替了需頻繁維護的脈澤前置放大器并降低了前置放大器噪聲溫度。這兩項改造使下行遙測性能增加了約0.5dB。從二十世紀90年代后期開始探測器遠離地球的速度相當于每年性能降低0.5dB。因此，這兩項改造將比特速率能力（同沒有改造相比）延長了1～2年。
DSN已經完成了所有三個深空通信設施的組陣能力升級，包括從基帶組合發展到全頻譜合成以及裝備了更多的34m天線。全頻譜合成技術使得“旅行者號”在通過終點激波、日鞘和太陽風層頂進入到廣闊未知的星際空間后，仍然能夠使用科學數據回放速率下傳數據。更多可用的34m站減少了各項目對緊缺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據。
綜合采用以上各種提高系統性能的方法，使地面接收“旅行者號”下行數據的碼速率目前仍可以達到約150bps。雖然，在這種下傳數據速率的情況下，獲取探測數據仍然很慢，而且天地單向光行時達到約20h，但地面仍可以通過獲取的有限且寶貴的科學探測數據，認識遙遠太空的奧秘。
（附表為“旅行者2號”下行鏈路載波設計控制表，有興趣的讀者可以學習和嘗試計算一下其鏈路性能。）
注：“旅行者2號”與海王星最接近時刻是在1989年8月25日。同Parkes的天線組陣早在3月份已經啟用。在6、7、8這3個月，使用Parkes的天數多于不使用的天數。接近交會時，利用所有3個站點上的陣列，大多數時間能夠近乎連續地接收到“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3個站，計劃用的站包括：DSS-43、DSS45、DSS42和DSS49（Parkes的數字代號）。
