Коммуникация над миллиардами миль: связь на дальнем расстоянии в космическом корабле Voyager
Космический корабль «Вояджер» долгое путешествие из нашей солнечной системы в межзвездное пространство. Несмотря на большое расстояние от Земли, мы все еще можем общаться с космическим аппаратом на регулярной основе. В этой статье рассматривается базовая коммуникационная инфраструктура, которая позволяет нам общаться с космическим аппаратом.
Добро пожаловать в серии статей AAC, посвященных миссиям Voyager! Ознакомьтесь с другими статьями в серии, чтобы догнать:
- Введение
- RTG (радиоизотопный термоэлектрический генератор)
- Компьютеры управления, данных и управления положением
- Камеры, поляриметры и магнитометры
- Инфракрасный интерферометр, спектрометр и радиоастрономия
На этой неделе координатор сериала Марк Хьюз смотрит на дальние сообщения, которыми оснащаются корабли Voyager.
Глубокая космическая сеть
После того, как космический корабль «Вояджер» покинул Землю и завершил грандиозный тур по солнечной системе, они начали свое путешествие в районы пространства, которые находятся вне влияния наших солнечных ответов на вопрос о том, что лежит в большой космической пустоте между звездами.
Тридцать восемь часов назад сигнал от 20 кВт передавался с Земли на космический корабль «Вояджер-1». Девятнадцать часов назад сигнал был получен Voyager 1 и возвращен 20-ваттным транспондером. И, как я пишу эту статью, станция в Мадриде, Испания получает этот обратный сигнал на уровне мощности $$ 9 \ times10 ^ {- 23} text {kW} = 9 \ times10 ^ {- 8} text { pW} $$ (-160, 48 дБм). Для справки очень хороший FM-радиоприемник может получать сигналы в $$ 9 \ times10 ^ {- 5} text {pW} $$, сигнал, полученный от Voyager, в 1000 раз слабее,
Ускорение изображения, показывающего путь космического корабля Вояджер и планеты во время его миссии. Кредит: Марк Хьюз
Глубокая космическая сеть состоит из трех антенных комплексов, которые расположены вокруг земного шара примерно на 120 продольных градусов друг от друга. Глобальное разделение станций позволяет большинству космических аппаратов иметь непрерывную прямую видимость, по крайней мере, с одной станцией, независимо от времени суток. Станция прослушивания поднимется до того, как появится последний видимый. Voyager 1 все еще виден со всех трех станций, но Voyager 2 видна только с сайта Canberra, Australia.
Этот вращающийся глобус имеет красные точки, которые представляют станции Deep Space Network в: Канберре, Австралия; Голдстоун, Калифорния, США; и Мадрид, Испания. Кредит: Марк Хьюз
Посмотрите, какие космические аппараты передают антенны Deep Space Network ниже.
Посетите веб-сайт: //eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html
По мере того, как космический корабль продвигается дальше от Земли, уровень сигнала уменьшается из-за потерь свободного пространства. Как правило, скорость передачи данных снижается. Усовершенствования в чувствительности приемника Deep Space Network за последние 40 лет снизили снижение скорости передачи данных.
Возможности глубокой космической сети. Кредит изображения: NASA.gov
Из-за невероятной слабости нисходящего канала космического корабля к тому времени, когда он достигает Земли, большие параболические отражатели и гиперболические субрефлекторы собирают микроволновое излучение и фокусируют его на криогенно охлажденном приемнике у основания антенны.
Изображение микроволновой антенны от NASA.gov. Нажмите здесь, чтобы получить более подробное изображение антенны
Каждое место в Deep Space Network имеет несколько 34-метровых антенн и одну 70-метровую антенну. Хотя любая из антенн более чем достаточно мощна для передачи в Voyager, одна 34-метровая антенна не собирает достаточное электромагнитное излучение для обнаружения нисходящей линии Voyagers. Антенны на каждом участке могут быть связаны с одновременным приемом сигнала с космического корабля, что обеспечивает увеличение коэффициента усиления через радиоинтерферометрию.
График отслеживания антенны Voyager 2 для Канберры, Австралия (нажмите для увеличения) показывает большую 70-метровую антенну в верхнем ряду и 34-метровые антенны в нижних трех рядах. Для увеличения коэффициента усиления можно связать несколько антенн. Кредит: Марк Хьюз
Точное обнаружение космического корабля в его путешествии было выполнено с помощью доплеровского дальномера, а затем с очень длинной базовой интерферометрией (VLBI) вдоль двух базовых линий, которые простираются от Голдстоуна, Калифорния до Мадрида, Испании и от Голдстоуна, Калифорния до Канберры, Австралия.
Базовая линия Голдстоуна-Мадрида используется для определения правильного подъема космического корабля, а базовая линия Голдстоуна-Канберры обеспечивает сочетание между прямым восхождением и склонением. При объединении данные могут точно определить космический корабль в небесной сфере с погрешностью измерения углового измерения, измеренной в нанорадианах (один нанорадиаметр ошибки на расстоянии 1 миллион километров составляет 100 см).
Базовые линии интерферометра от Голдстоуна до Мадрида (синий) и базовый уровень от Голдстоуна до Канберры (Красный). Кредит: Марк Хьюз
Технические подробности
Следующие технические сведения о связях Voyager представлены в разделах Deep Space Communication and Navigation Series (глава 3) и JPL DESCANSO Volume 4-Voyager Telecommunications.
Каждый сайт Deep Space Network имеет высокоточный источник частоты, который может быть настроен для компенсации сдвига частоты доплеровского сдвига, вызванного относительным перемещением между передающей и приемной антеннами. Компенсация учитывает движение космического корабля, вращение Земли вокруг Солнца и вращение Земли вокруг ее оси. Ресиверы способны обнаруживать частотные сдвиги, составляющие долю герц.
Частота несущей восходящей линии связи Voyager 1 составляет 2114, 676697 МГц и 2113, 312500 МГц для Voyager 2. несущая восходящей линии связи может модулироваться данными команды и / или диапазона. Команды 16 бит / с, кодированные Манчестером, двухфазные модулируются на поднесущую с квадратной волной 512 ГГц.
Манчестерское кодирование (X0R), иллюстрированное синим тактовым сигналом, оранжевым сигналом данных и зеленым результатом. Кредит: Марк Хьюз
Voyager's принимает фазовую блокировку на несущую восходящей линии связи для обеспечения двухстороннего когерентного несущего сигнала нисходящей линии связи или может использовать внутренний частотный источник для создания некогерентной несущей нисходящей линии связи. Космический аппарат может возвращать информацию на Землю с помощью передатчиков X-диапазона или S-диапазона
| космический корабль | Когерентная частота нисходящей линии связи (МГц) | Частота не когерентной нисходящей линии (МГц) |
|---|---|---|
| Voyager 1 | 2296.481481 | 2295.000000 |
| 8420.432097 | 8415.000000 | |
| Voyager 2 | 2295.000000 | 2296.481481 |
| 8415.000000 | 8420.432097 |
Изображение моделей пучка Voyager от DESCANSO-Spacecraft Design System (PDF)
Вывод
Космический корабль «Вояджер» продолжит свое путешествие в течение неизвестных тысячелетий, но мы сможем общаться с ними еще восемь лет - к тому времени термоэлектрические генераторы Радионуклеотида будут истощены до такой степени, что они больше не смогут использовать оставшиеся научные инструменты Вояджера и передатчиков. Космос исчезнет.
Ученые из Deep Space Network будут отслеживать сигнал нисходящей линии связи от космического корабля, поскольку он впадает в тишину и становится частью фонового шума солнечной системы - никогда не услышать от людей снова.
Дополнительные ресурсы и ссылки, используемые для написания этой статьи, можно найти по адресу:
- //descanso.jpl.nasa.gov/
- //deepspace.jpl.nasa.gov/
- //www.sti.nasa.gov/