03.02 旅行者1号相隔地球217亿公里,功率仅23瓦,数据如何传回?

用户69290716


答:旅行者一号内部有精密的陀螺仪,使得自身天线始终对准地球,而且在地球上有直径70米的天线,专门用于接受旅行者一号发出的特殊波段信号,加上信号上的特殊处理,使得旅行者一号能在200亿公里外把信号传给地球。


旅行者一号在1977年发射,并于2012年飞出太阳的日球层,截至2019年10月29日,旅行者一号已经飞了42年,距离太阳大约220亿公里,速度17公里每秒,预计2025年将耗尽所有电量。

在这么远的距离上,旅行者一号发出的信号,要传播20个小时才能到达地球,而旅行者一号的信号发射天线功率只有大约20瓦,也就相当于一盏台灯的功率,地球上的科学家能接收到旅行者一号的信息,确实用了很多高科技。


1、首先,旅行者一号携带的精密陀螺仪,能让它在茫茫的太空中不迷失方向,使得旅行者一号的天线始终对准地球,而且旅行者一号携带的高增益天线,直径就有3.7米。

2、为了保证信号传输的准确性,传输信号使用冗余的纠错码,这也使得飞船与地球之间的通信效率非常低,传输速率不到每秒1kb,哪怕传送1Mb的照片,也要花上数小时。

3、为了降低干扰噪声,飞船和地球之间使用8GHz的频率进行通信,因为这个频段的干扰很少,很容易分离出来。

4、在地球上,科学家制造了直径70米的天线,专门用于接受飞船发出的特殊波段信号。

5、旅行者一号使用“钚-238放射性同位素电池”,钚-238的半衰期是87.7年,钚衰变会释放大量热能,然后通过热电转化装置把热能持续转化为电能。

但是核电池会随着时间的推移降低发电功率,经过40多年的使用,目前旅行者一号的电力已经严重不足,并且已经关闭了大量仪器,预计剩下的电力给让旅行者一号飞行至2025年,之后电力将不足以让任何仪器工作,然后与人类彻底失联。

根据旅行者一号的飞行路线,在电池耗尽后,它将继续向着银河系中心飞去,预计2万年后飞出奥尔特云,7.3万年后经过半人马座比邻星,如果人类的科技发展迅速,或许未来发射的飞船还能赶上并找到旅行者一号。


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作为美国宇航局研制的一艘无人外太阳系空间探测器,旅行者1号(英文名:Voyager 1)重815千克,于1977年9月5日12:56:00 UTC 在美国东海岸的佛罗里达卡纳维拉尔角航天发射基地发射生空。

旅行者1号及其姊妹探测器旅行者2号均使用三块钚放射性同位素温差发电机作为动力来源,可提供功率420瓦。

其中通信设备的功率为20瓦,仅仅相当于现在的手机快充的功率。

目前旅行者1号距离地球大约217亿公里,相当于0.00229光年,通讯时差20.06小时,这意味着从旅行者1号发出的无线电信号需要耗费20.06小时才能到达地球,被地面的天线接受到。

因此,旅行者1号和地球之间传输数据还是存在着一定难度的,但也没有像人们想象中的那么复杂,并没有用到什么高科技,其使用的只是无线电通信技术,将需要传送的声音、图像、数据等调制成无线电信号,经空间传至地面。

↑ 旅行者1号拍摄的木卫一

无线电信号的强度会随着传输距离的增加不断衰减,当旅行者1号发射的信号传到地面时,功率衰减为起初的一百万亿亿分之一,仅有10ˇ-22瓦。

不仅传输功率的极低,传输速度也非常慢,只有约1.4kb/s 。

为了侦测接收到如此微乎其微的信号,NASA建造了深空网络(Deep Space Network, DSN)。

其由三处分别位于美国加州、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉的呈120度分布的深空通信设施组成,以此实现与旅行者1号的信号传输,而且不受地球自转的影响。

同时采取以下三种措施增加信号传输的成功率:

⑴ 使用高增益天线,使无线电信号集中在某个方向上,增大传输距离

旅行者1号上的高增益天线直径达3.7米,原来DSN使用的天线直径达70米,由于已经使用超过40年,NASA从2010年开始部署34米天线,以替换陈旧的天线,满足信号接收需求。这些地面接收天线可将接收到的信号放大数亿倍。

⑵ 旅行者1号的通讯频率高达8GHz,在这个频段上,几乎没有任何干扰,信噪比非常高。


⑶ 旅行者1号安装有高精度的陀螺仪,确保其在深空也能时刻让天线对准地球的方向

虽然科学家们用尽浑身解数,但由于距离实在太远,加上太空中存在许多高能辐射,且无线电信号受自然因素影响,会对无线电信号产生干扰。

因此,为了提高信息传输的正确率,在将声音、图像等信息调制成无线电信号的过程中使用了大量纠错码,这也使得有效传输效率降低,只有不到1kb/s.



在不远的将来,旅行者1号将带着人类的梦想孤身飞向更加遥远的宇宙

旅行者1号携带的发电机目前已经大大标出设计使用寿命,科学家预计,它们仍然可提供足够的电力让探测器上搭载的科学仪器继续工作到2025年,并继续与地球保持通信,直至2036年。

此后,旅行者1号将失去与地球之间的联系,带着人类的梦想,孤身飞往银河系中心,飞向更远的地方!


零下二百七十三度


于1977年离开地球的旅行者1号至今还是距离地球最远的人造物体,它现在远在216亿公里之外,相当于地球和太阳距离的144倍。虽然旅行者1号无法利用太阳能供电,但其携带的核发电机一直工作至今,所以这个探测器还有电力与地球保持通信。不过,旅行者1号离地球非常遥远,它是如何把信号传送回地球上,而地球上的科学家又是如何把信号传送给旅行者1号的呢?

旅行者1号和地球的通信基于无线电波,信号会以光速在空间中传播。地球上想要接收到旅行者1号的有效信号非常困难,因为无线电信号的强度遵循距离的平方反比定律,这意味着信号经过长距离的传播之后,其强度会大幅度减弱。

据估计,当旅行者1号发射的信号到达地球时,其强度只有发射时的100万亿亿分之一。再加上旅行者1号的信号发射机的功率非常低,仅为20瓦左右,所以地球上所能接收到的信号极度微弱。

为了使得通信可以正常进行,在旅行者1号设计之初,科学家就特别对它的通信能力进行了增强。它的主体包含一个巨大的高增益天线,这是一个直径可达3.7米的抛物面天线。同时,姿态控制系统使得天线可以一直对准地球。

在地球上,美国宇航局(NASA)还在全球三个地方建造了三座深空网络(DSN)测控站。有了强大的深空网络,科学家在地球上可以接收到旅行者1号传回的无线电信号,也可以给旅行者1号发送指令。在2017年,NASA向旅行者1号发送指令,成功启动了四个轨道修正推进器。

不过,旅行者1号把数据传输回地球的速率非常慢,每秒仅为160比特。而上行指令的速率更慢,只有下行速率的十分之一,即16比特/秒。

另外,由于距离非常遥远,旅行者1号发射出的无线电波需要大约20小时才能传播到地球上,反过来也是如此。再过几年,耗尽电能的旅行者1号将会彻底失联,它会作为人类无声的信使不断在星际空间中穿行。

未来将会飞出太阳系的旅行者1号携带着镀金唱片,上面记载着人类和地球的信息,有些人对此表示担忧。但这种担心应该是多余的,因为宇宙空间实在太大了,旅行者1号在宇宙中非常不起眼,它被宇宙中可能存在的外星文明发现的概率极低。

就算旅行者1号有威胁,但它的速度并不快,它还要经过上万年的时间才会离开太阳系,所以人类在未来完全有能力把旅行者1号捕捉回来。但在大概率上,旅行者1号是不会回来了,它很有可能会像太阳以及其他恒星一样,不断环绕银河系中心运动。





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旅行者1号数据的传输,主要依赖三块氧化钚_238放射性同位素热电机利用它自然衰变产生的热量转化为电能,在漫长的太空遨游中获得源源不断的电能,提供了420瓦功率利用x波段电波数传,通过抛物面天线利用无线电波空间传送技术,将电波信号传送到地球的。但从旅行者1号始发信号功率将会逐渐衰减为起初的100万亿亿分之一,仅仅只有10^_22瓦,而且传回地球需耗时大约20.06一40小时左右,传输速度极其漫长,大约只有1.4Kb/s。但是传输时间长都不要紧,重要的是信号由于217亿公里的漫长传输,极大的减弱了信号的传输质量,电波信号非常的微弱,可是伟大的科学家们经过多年的努力深研,还是通过2.3GHz与8.4GHz频段发送给深空网络将微弱的信息放大后完全地接受了。

相关国家的科学家们为了侦测接收旅行者1号发回的微弱电波信号,建立了多处深空网络接收站Deep space Network.DSN.。

从三个方面加大增强信号的传输接收功率:

一,为了让无线电信号集中朝地球方向上,增大传输间距,特别使用了高增益天线;

二,对于旅行者1号的通讯电频高达8GHz,排除干扰,接收成功率极大的增强;

三,高精度的陀螺仪,让它始终对准地球方向,增强了对传回地球电波信号的接收率。

旅行者1号的电波信号的传输与传回地面的微弱电波信号的接收都不是件很容易的事情,深空网络传输与接收它是相关国家的强项。它包涵着伟大的科学家们的高级智慧,是值得拥有和敬仰的!











GEC人居环境论


旅行者号设计之初就考虑到了电能有限的问题,一切仪器都是被设计成功率极低的使用条件。电池是采用钚元素的核电池,利用钚元素的放射性供电。这就大大延长了旅行者号的使用年限。


而且旅行者号的无线电发射功率仅仅为23瓦特。发射的信号传到地球已经减弱到原来的一亿亿分之一,这是什么概念呢。相当于电子手表的功率的200亿分之一。而且旅行者号的天线大锅直径达到了3.7米,这也大大增强了信号强度。  

 

这些可谓是天才的设计,在30多年前科技还没有这么发达的时候,能设计出这样的飞行器。我们不得不为人类的才华叫好。人类迄今为止最伟大的飞行器就这么不停的飞出了太阳系。未来还要携带人类的愿望在宇宙中慢慢旅行。



  

随着距离地球越来越遥远,每次收到信号的强度和时间也是越来越长。旅行者号基本已经飞离开了太阳风的范围,大约到2030左右核电池也将燃烧殆尽。旅行者号将永远变得沉默了,将和地球永远失去联系。但是旅行者号依然承载着人类的希望和美好的愿望飞往宇宙深处。希望有一天可以遇见智慧生命,把人类的文明传播到宇宙。


  

记得小时候,那时候看报纸,有一篇关于旅行者号的报道,标题是《冲出太阳系,寻找外星人》。当时看的心潮澎湃。希望旅行者号早起能找到外星人,现在看来有点幼稚。也许永远都找不到外星人。也许在宇宙空间撞上小流星呢。   

也许我们永远都不会知道答案了,这样会更好。
  


奇文影视


  1972年3月2日和1973年4月5日,美国相继发射了“先驱者”10号和11号行星探测器,用“德尔它”运载火箭从卡纳维拉尔发射升空。它携带有11台由放射性同位素钚-238作燃料的微型热核发电机。它重260公斤,装有直径2.7米的面对地球的抛物面天线,发射机用8瓦的功率向地面深空跟踪网传送信号。“先驱者10号”的最后一次信号是2003年1月22日接收到的,其中已无任何遥测数据。   “旅行者1号”于1977年9月5日升空,多年来,与比它早些时候(8月20日)发射的“旅行者2号”联合对太阳系外围行星及其卫星展开了大量有价值的观测。1998年,“旅行者1号”超越“先驱者10号”,成为在宇宙中飞行得最远的人类探测器。截至2009年2月1日,“旅行者”1号离太阳的距离约为162.47亿公里,正处于被称为“日鞘”的区域。日鞘之外的区域被称作“太阳风层顶”,“旅行者”1号正在向这一区域进发。   木星与地球的距离约6.8亿公里,“旅行者1号”将探测的信息数据向地球回传时,所发射的功率为21.3W,而地球上的深空地球站所接收到的信号功率仅为3.2×10^(-16)W,也就是百万亿分之0.32W。由于旅行者号已经如此遥远,飞船信号抵达地球时功率已非常小。有资料表明,“旅行者1号”发回来的信号大约是一枚普通电子表电池功率的200亿分之一。


柚子爱摄影


中国科技世界第一!再隔几亿公里也能传回来![赞][赞][赞][赞]


腻浏橙荷


在真空中传播应该基本没有能量损耗吧,不然我们怎么能捕捉到几十亿光年前的信号,只要在地球近地卫星上设一个接收站在放大信号传给地球就行了。


用户5448932894


应该使用了中继卫星。中继卫星被称为“卫星的卫星”,可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务。中国、美国、俄罗斯和欧空局都有自己的数据与中继卫星系统。



路前的灯


通讯一向就是双方面的事情,和接受功率和发射功率都有关系,要使得接收距离足够远,就需要增加到足够的功率。旅行者2号要高速飞行,所以就需要在有限的体积内做到最大功率,其次就是对准地球的方向,向地球发射信号,至于能不能接受到信号就得看地球上的接收器功率够不够大了,如果地球上的足够大,哪怕旅行者2号只有1w的功率也是可以接收到的。所以说能不能接收到这么远的信号不只是看旅行者2号的发射功率多少,地球上的接收装置也是相当厉害的。


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