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打星际电话?换深空网络试试

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简介:NASA火星计划的信息传输托于一个名叫“深网”的全球工程,为保证探测器在地球自转的任何时刻都能与地球进行通信,该工程分别在加利福尼亚沙漠、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉建立通信站。

  美国宇航局需要确保毅力号火星车拥有满格的信号强度。为了让这个汽车大小的火星车能给地球“打个电话”,宇航局依赖于一个建于1958年的通讯网络来实现目的。

  

  这周一具有里程碑意义:美国宇航局毅力号火星车的10天发射倒计时正式开始了。

  上图为毅力号火星车概念图,由美国国家航天航空局下属的喷气动力实验室制造。图源:Wikipedia

  在毅力号被送往火星之前,宇航局需保证一点:当巡视器漫游于火星时,我们依然能与它保持联系。通过一种名为“深空网络”的全球天线网络,我们有把握做到这一点。

  毅力号任务的首要目标是寻找火星上可能的远古生命存在的证据。这些证据将帮助科学家们更好的理解火星的过去(他们猜想在过去的某个时期,火星是潮湿且适宜生命生存的)。当然,火星车会进行些采样封装工作,以备未来的样品返回。

  桑尼·吉鲁克斯是深空网络项目研发的负责人,其所在的商业太空公司Paraton作为分包商与美国宇航局合作开展毅力号探测任务。他将与火星的通讯比作“打电话”,将通讯网络本身比作诸如AT&T之类的手机供应商,当然,实际情况会复杂得多。

  

  受媒体Inverse采访时,吉鲁克斯答道:“这些年来它真的没什么实质性的改变,硬要说有的话,不过是来回传输的信息量变了。”

  深空网络由遍布世界各地的天线网络组成,上图是其中之一,位于加州莫哈维沙漠的戈德斯通。图源:INVERSE

  

  深空网络使用带有专用接收器的大型天线系统进行无线电频率传输。该网络由三大深空通讯设备组合而成,以120度地理经度差分别放置于世界三地。其中一个设备位于加州莫哈维沙漠的戈德斯通,另外两个分别临近西班牙马德里与澳大利亚堪培拉。

  上图为从北极点上空向下看的示意图,显示深空网络观测站的位置及视角。当某个探测器距离地球超过30,000公里,它便随时处于一个以上观测站的视野之中,并将与之建立联系。图源:Wikipedia.

  这样放置是为了确保在地球自转环境的影响下,至少有一个设备能够与宇宙飞船进行通讯。

  毅力号从地球出发时,美国宇航局将使用深空网络传送火箭发射命令,之后也将对火星车着陆、巡视任务进行通讯指导。

  如果宇航局不能维持通讯线路的正常运行,整个任务将前功尽弃。

  “一旦它离开地球就再没办法修复了。”

  吉鲁克斯回答道:“一旦离开地球就再没办法修复了,所以如果它出了故障,可能就永远无法工作了。设想我们发射了一个飞船却无法与它有效联络,那将是几百万美元的损失。”

  因此,团队针对如何与飞船通讯、需要多大的带宽以及地球上通讯设备相对飞船的位置设计等问题拟定方案。另外,由于火星与地球间6.7亿多千米的距离,需要考虑10-30分钟的通讯延迟情况。

  

  当进入火星车自主导航着陆这一基本自动化阶段时,通讯延迟因素需要额外的解决方案。因为一旦着陆器进入火星大气,宇航局将在一段时间内失去通讯信号,这便是所谓的“恐怖七分钟”。

  上图为中国“天问”火星探测任务火星车悬停避障试验,已经于2019年11月完成。试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程,为“恐怖七分钟”做出充足准备。图源:新华社

  吉鲁克斯提到:“为了让飞船和深空网络能够高效通讯,我们需要提前很多年去做大量的计划和准备工作。”

  二十世纪六十年代始,美国宇航局开始使用深空网络天线阵列与飞船通讯,平均每天向三十个飞船发送信号。

  从1977年开展“旅行者号”星际探测任务(包括“旅行者一号”和“旅行者二号”两个探测器)之后,宇航局就一直使用深空网络与这对孪生探测器保持联系。尽管现在的网络已经非常先

  

  进,这种通讯方式也没有改变。

  上图为旅行者一号飞船与地球借助深空网络进行通讯示意图。由核电池进行电力供应,由图中的“大锅”——增益卡塞格林天线进行深空通讯。图源:搜狐网

  吉鲁克斯说道:“他们当时使用的是8字节技术,相比我们现在所使用的简直小到不可思议,这是我们看到变化最大的地方。”

  然而,这项技术仍然与计算机在同一技术上的运行方式相同,但比50年前先进得多。

  “过去我们的计算机系统体积异常庞大,而现在我们都能把它装到手表上了。”吉鲁克斯说道。

  

  虽然目前的无线电传输技术已经实测通过,宇航局仍在寻求向更快速高效的激光束通讯方式转型。

  上图为美国航天局利用激光束将名画《蒙娜丽莎的微笑》传输到绕月飞行的“月球勘测轨道飞行器”上,这是人类首次利用激光在星际间进行图像数据传输。左侧为受地球大气影响的接收图像,右侧为修正图像。图源:NASA

  宇航局曾发射过三个火星探测器:勇气号、机遇号、好奇号,第三者于2012年8月着陆火星,至今仍漫游于火星表面。

  作者:INVERSE

  FY:兰陵花

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