跨越数十亿英里的通信:旅行者号宇宙飞船中的远距离通信

“旅行者”号宇宙飞船正在进行一次离开太阳系进入星际空间的长途旅行。尽管它们距离地球很远，我们仍然能够定期与宇宙飞船联系。这篇文章着眼于基本的通信基础设施，使我们能够与宇宙飞船进行通信。

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• 介绍
• 放射性同位素热电发生器
• 指令，数据和姿态控制计算机
• 照相机、偏振计和磁力计
• 红外干涉仪，光谱仪，射电天文学

本周，系列协调人马克·休斯(Mark Hughes)将关注“旅行者”号飞船配备的远程通信设备。

深空网络

旅行者号宇宙飞船离开地球，完成了他们在太阳系的伟大旅程后，他们开始了他们的太空之旅，进入了我们的太阳无法影响的区域——回答关于恒星之间巨大的宇宙空间中有什么存在的问题。

38小时前，一个20千瓦的信号从地球发送到旅行者1号宇宙飞船。19个小时前，旅行者1号接收到信号并由一个20瓦的应答器返回。当我写这篇文章时，西班牙马德里的一个电台接收到的返回信号的功率级别为$$9\times10^{-23} \text{kW}=9\times10^{-8} \text{pW}$$ (-160.48 dBm。)作为参考，一个非常好的FM无线电接收器可以接收到$$9\times10^{-5} \text{pW}$$的信号，从Voyager接收到的信号要弱1000倍。

加速图像显示了旅行者号飞船和行星在执行任务期间的路径。信贷:马克·休斯

深空网络由三个天线群组成，它们分布在全球各地，相距大约120经度。全球空间站的分离使得大多数航天器无论在一天中的什么时候都能与至少一个空间站保持不间断的视线。在最后一个可见的电台降落之前，将会有一个监听站升起。旅行者1号仍然可以从所有三个空间站看到，但旅行者2号只能从澳大利亚堪培拉站点看到。

这个旋转的球上有红点，代表深空网络站:堪培拉,澳大利亚;美国加利福尼亚州的戈德斯通;马德里,西班牙。信贷:马克·休斯

观察深空网络的天线与下面的哪个航天器通信。

请访问完整的网站:https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html

随着航天器离地球越来越远，由于自由空间路径损耗，信号强度降低。因此，数据速率通常会下降。在过去40年里，深空网络接收机灵敏度的改善缓解了数据速率的下降。

深空网络能力。图片来源:NASA.gov

由于航天器到达地球时的下行链路异常脆弱，大型抛物面反射器和双曲副反射器收集微波辐射，并将其聚焦在天线底部的低温接收器上。

微波天线的图像NASA.gov．点击这里获取天线的更大的详细图像。

深空网络的每个位置都有多个34米长的天线和一个70米长的天线。虽然任何一根天线都足够强大，可以向旅行者号发送信号，但一个34米长的天线收集的电磁辐射不足以探测到旅行者号的下行链路。每个站点的天线都可以连接起来，同时接收来自航天器的信号，从而增加增益无线电干涉法．

旅行者2号的天线跟踪时间表澳大利亚堪培拉(点击查看更大)的顶部显示70米大天线，底部三排显示34米天线。可以连接多个天线增加收益。信贷:马克·休斯

精确定位航天器通过多普勒测距，以及后来的极长基线干涉测量法(VLBI)，沿着两条从加利福尼亚的戈德斯通延伸到西班牙的马德里，以及从加利福尼亚的戈德斯通延伸到澳大利亚的堪培拉的基线。

戈德斯通-马德里基线用于确定航天器的赤经，戈德斯通-堪培拉基线提供了赤经和赤纬之间的混合数据。这些数据结合在一起，可以在天球中极其精确地定位航天器，其角度测量误差为纳米弧度(100万公里处的纳米弧度误差为100厘米)。

从戈德斯通到马德里的干涉仪基线(蓝色)和从戈德斯通到堪培拉的基线(红色)。信贷:马克·休斯

技术细节

以下是“旅行者”号通信的技术细节深空通信与导航系列(第三章)JPL DESCANSO卷4 -旅行者电信．

每个深空网络站点都有一个高度精确的频率源，可以对其进行调谐，以补偿发射和接收天线之间的相对运动所引起的多普勒频移。补偿考虑到航天器的运动、地球绕太阳的旋转和地球绕其轴的公转。接收器能够检测到不到一个赫兹的频移。

Voyager 1上行载波频率为2114.676697 MHz, Voyager 2上行载波频率为2113.312500 MHz。上行载波可以用命令和/或测距数据进行调制。命令是16比特，曼彻斯特编码，双相位调制到512赫兹方波副载波。

曼切斯特编码技术(X0R)用蓝色的时钟信号、橙色的数据信号和绿色的结果说明。信贷:马克·休斯

Voyager的接收器锁相到上行载波，以提供双向相干下行载波信号或使用内部频率源产生非相干下行载波。航天器可以通过x波段或s波段发射器将信息返回地球

宇宙飞船	相干下行频率(MHz)	非相干下行频率(MHz)
旅行者1号	2296.481481	2295.000000
	8420.432097	8415.000000
旅行者2号	2295.000000	2296.481481
	8415.000000	8420.432097

来自descanso -航天器通信系统设计(PDF)

结论

未知的几千年的旅行者号飞船将继续他们的旅程,但我们只能和他们交流八年时间,Radionucleotide热电发电机将会耗尽,他们再也不能权力“航行者”号剩下的科学仪器和发射器。宇宙飞船将陷入静默。

深空网络(Deep Space Network)的科学家们将跟踪航天器发出的下行信号，因为航天器突然陷入沉默，成为太阳系背景噪音的一部分，再也不会被人类听到。

其他用于撰写本文的资源和参考文献可在以下网址找到:

• https://descanso.jpl.nasa.gov/
• https://deepspace.jpl.nasa.gov/
• https://www.sti.nasa.gov/