相隔217億公里，功率23瓦！旅行者號的數據如何傳回地球？

截至2019年1月3日，NASA旅行者一號、二號探測器和地球的距離分別為217億公里和180億公里，單程通訊時間為20小時7分鐘和16小時40分鐘。兩個探測器的無線電信號發射機功率為23瓦，傳回地球的信號在跨越如此遙遠的距離之後，已經衰減到10^-16（一億億分之一）瓦，比你手腕上的電子錶功率還要低200億倍！

相比之下，地球上的大型無線電台發射功率高達數萬瓦，信號在幾千公里之外就很難接收到，NASA是如何與旅行者兄弟保持通信聯絡的呢？

旅行者號使用高增益天線和地球上的超大天線進行點對點通信。探測器發射的微弱信號能否被順利接收除了和發射功率大小有關外，主要取決於下面三個因素：

1. 地面接收天線是否足夠靈敏（鍋夠不夠大）

2. 接收天線和電波入射方向是否保持一致（大鍋小鍋能不能對齊）

3. 選擇的通信頻段是否干擾較少

旅行者搭載的卡塞格倫天線直徑為3.7米，比我們通常見到的1至2米的衛星鍋大得多，而地面接收天線尺寸更是驚人，直徑最大的有70米！

提到這些「大鍋」，就不得不講講美國太空探索的「國之重器」——深空網路（Deep Space Network）。它由分布在世界各地的三處通信設施組成，相互之間的經度間隔大約為120°，可以保證對NASA所有深空探測器實現7天24小時全覆蓋。

位於加州戈德斯通的火星天線直徑70米，相當於24層樓高，不算混凝土底座，僅天線本身就重達2970噸，相同尺寸的超大型天線在西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉附近還各有一個。數據顯示，從1960年到1994年，深空網路在木星軌道距離（7.5億公里）的通信能力提高了12個數量級。從阿波羅、水手、海盜，到先驅者、旅行者，眾多探測器在這張「巨網」的精確引導下遨遊太陽系，為科學家傳回大量珍貴數據。

2018年，旅行者二號逐漸接近太陽日球層頂，由於位置和距離的關係，NASA堪培拉深空通信綜合體的70米天線（DSS43）和澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的帕克斯射電望遠鏡是全世界僅有的兩個能夠和旅行者二號保持通信的設施，而探測器本身的數據存儲功能失效，所有信息必須實時傳回地球。兩口「大鍋」緊密配合，保證旅行者二號每天都有十幾個小時處於可觀測範圍之內，終於捕捉到它進入星際空間的信號。

當然，從遙遠太空傳回地球的信號非常微弱，還需要放大增強才能被科學家「聽到」。除此之外，旅行者還有16個推進器、高精度陀螺儀和姿態控制系統保證它的天線準確指向地球。

旅行者號的數據通過2.3 GHz和8.4 GHz頻段發送給深空網路，這兩個頻段的干擾極少，信噪比極高。當需要給它發送控制指令時，深空網路就以2.1 GHz的頻率發射數萬瓦的大功率無線電波，保證旅行者的「小鍋」能夠接收到。

宇宙往事-專註科學科普｜敬請關注

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！