人类如何遥控操作远离地球的太空探测器?
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。
随着人类科学技术的发展以及深空探测的需要,人们将目光逐渐从地球转移向了茫茫宇宙,为了探知地球外围空间环境、天体物理、生命科学等诸多前沿领域的第一手资料,同时又解决现有技术条件下载人深空探测的瓶颈问题,无人太空探测器得到了前所未有的重视和发展,无论是月球、近地行星,还是太阳、太阳系边缘行星和行星带的轨道内,都有过人类探测器围绕运行以及经过的身影。截至目前,全球共向太空发射了近200颗探测器,这里不包括各种环绕地球运行的人造卫星,其中现在距离地球最远的当属1977年发射的旅行者1号和2号探测器。
无论是对最近的天体月球进行探测,还是对火星、太阳探测,疑惑是对更遥远的太阳系边缘星际空间进行探测,由于所发射的探测器都是无人探测器,没有人类在上面直接进行指令的操控,所以都必须依靠从地球向探测器发射信号,然后探测器通过接收到的信号指令,来进行姿态调整、设备运行和关闭、轨道修正等操作,原理实际上和我们玩的遥控玩具车有“异曲同工”之妙。
大家知道,宇宙中最快的速度是光速,而现在进行探测器信息遥控的方式也是通过电磁波传输的方式,将各种信息,比如图像、数据、声音等,以加密和编码的方式形成电磁波的一种形态,即无线电信号,其在宇宙真空中的传播速度也是光速,所以距离地球近的探测器对地球指令的响应时间较短,而距离非常远的探测器,一个信息的来回传输则需要很长的时间。
以现在距离地球最远的旅行者1号为例,目前它所处的位置距离地球达到220多亿公里,已经快要抵达太阳系外围奥尔特星云的边界区域,它所传回的信息,大约需要20个小时。距离最后一次地球给予旅行者1号的指令,现在已经过去3年多了,当时虽然信息的传递所需时间很长,但是通过传回的微弱信息显示,旅行者1号的主要设备功能仍然正常运行,也能够有效按照地球的指令进行相应回应,可谓非常“忠实”。
但是,随着距离的越来越远,无线电通讯的损耗越来越严重,再加上探测器携带电池电量的日益枯竭,科学家们被迫忍痛关闭了与探测器的所有联系,不再新发布任何指令,不过我们在地球上仍然可以时不时地接收到来自探测器发出的,有关遥远星空的微弱信息。
天线是无线电通讯最重要的设备之一,因为无线电信号的发射和接收都需要靠它完成,通常面积越大的天线信号发射和接收的能力越强。
2月3日,央视新闻等多家国内媒体报道,位于天津武清的我国70米口径(GRAS-4)高性能信号接收天线系统完成验收并投用,它是目前我国乃至亚洲最大的航天信号接收天线(非专用射电望远镜),这架巨型天线将主要用于未来我国的宇宙深空探测的信号接收。
GRAS-4天线于2018年10月在天津武清开工建设,其金属用料达2700多吨,基本相当于两艘051型护卫舰(满载排水量1400吨)的重量;其高度也非常惊人,达72米,相当于24层楼的高度了;建成后的天线主反射面直径达70米,双曲面反射面板面积达到了4560平方米,由16圈共1328块高精度的实面板组成,相当于10个篮球场的面积,想一想,如此巨大的钢铁建筑只是一台天线,如果站在它的面前,是不是感到很震撼?
不但个头巨大,GRAS-4天线也非常灵活,它属于轮轨式全可动卡塞格伦天线,可以360度旋转,接受来自天空各个区域的信号。
GRAS-4天线工作频段为S、X和Ku,采用了主副反射面修正赋型技术与多频段组合设计技术,可以很好的提升信号接收效率,同时还能降低系统噪声,抗干扰能力也有所提高,在全世界同类型天线中,GRAS-4综合性能可谓首屈一指。
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