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人类如何遥控操作远离地球的太空探测器?
通过特定频率的无线电波和高增益定向天线阵列来实现地球基地与太空探测器的通讯和控制。不过因为有些深空探测器过于遥远、探测器被星体阻挡或者着陆过程中探测器与气体剧烈摩擦升温而产生的等离子体的影响的因素,很多具体的控制都由探测器自主完成,探测器必须具备一些自主决策能力。比如欧洲航天局的菲莱探测器登陆60亿公里之外的彗星,无线电波单程耗时就超过5个小时,所以地面基地实时指挥控制探测器着陆是根本不可能的,只能靠探测器自身的计算机来判断决策,这个登陆过程只能听天由命了。火星比较近,但是好奇号登陆火星也是自主完成的。
深空探测器探测的主要目的是为了了解太阳系的起源、演变和现状,通过对太阳系内的各主要行星的比较研究,进一步认识地球环境的形成和演变。
旅行者1号
深空探测器远离地球几亿公里,无线电信号传输时间长,地面不能进行实时遥控,如果要保证能够按照既定的路线运行,所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力。另外为了保证轨道控制发动机工作姿态准确,通信天线需要始终对准地球。
为了将大量的地球指令发给探测器,以及探测数据和图像传送给地面,必须解决低数据率极远距离的传输问题。解决方法是在探测器上***用数据压缩、抗干扰和相干接收等技术,还须尽量增大无线电发射机的发射功率和天线口径,并在地球上多处设置配有巨型抛物面天线的测控站或测量船。深空探测器上还装有计算机,以完成信息的存贮和处理。另外深空探测器还需要配备能够供电的空间核电源。
深空网络射电望远镜FAST天眼
目前人类最远的深空探测是40多年前发射的旅行者1号,已经距离地球超过190亿公里,马上就要离开太阳系,进入星际飞行。旅行者1号通信系统包括一个直径3.7米的抛物线碟形高增益天线。通过地球上的三个深空网络射电望远镜站点发送和接收无线电波。这三个巨大的无线电天线网络,位于加利福尼亚州戈德斯通、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉附近,最大的天线直径为70米,大约呈120度。
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下面本人将从无线电波传播特性角度,谈谈个人观点。
根据麦克斯韦电磁学理论,无线电波信号强度与传播距离的平方成反比关系。即无线电波的强度,会随着传播距离的平方衰减。
拿地月距离和地火距离比较。地—月平均距离为3.4*10^5(千米),
地—火最近距离5.5*10^7(千米)
最远距离是4.0*10^8(千米)。按照火地最远距离计算,把同样强度无线电信号发射到火星,需要的信号强度比应该为
(4.0*10^8/3.4*10^5)^2=(1.1765*10^3)^2=1.3843*10^6
即两者信号强度比大约是一百三十八万倍。
按照最近距离计算,把同样强度的无线电波信号发射到火星,需要的信号强度比为(5.5*10*7/3.4*10^5^2=(1.617*10^2)^2=2.6146*10^4。即两者的信号强度比应该是1:26万倍左右。
如果以太阳系为例,将一个同样强度的无线电信号发射到月球,和将同样强度信号发射到太阳系边缘,需要的无线电波强度比应该为:
天线是无线电通讯最重要的设备之一,因为无线电信号的发射和接收都需要靠它完成,通常面积越大的天线信号发射和接收的能力越强。
2月3日,央视新闻等多家国内媒体报道,位于天津武清的我国70米口径(GRAS-4)高性能信号接收天线系统完成验收并投用,它是目前我国乃至亚洲最大的航天信号接收天线(非专用射电望远镜),这架巨型天线将主要用于未来我国的宇宙深空探测的信号接收。
GRAS-4天线于2018年10月在天津武清开工建设,其金属用料达2700多吨,基本相当于两艘051型护卫舰(满载排水量1400吨)的重量;其高度也非常惊人,达72米,相当于24层楼的高度了;建成后的天线主反射面直径达70米,双曲面反射面板面积达到了4560平方米,由16圈共1328块高精度的实面板组成,相当于10个篮球场的面积,想一想,如此巨大的钢铁建筑只是一台天线,如果站在它的面前,是不是感到很震撼?
不但个头巨大,GRAS-4天线也非常灵活,它属于轮轨式全可动卡塞格伦天线,可以360度旋转,接受来自天空各个区域的信号。
GRAS-4天线工作频段为S、X和Ku,***用了主副反射面修正赋型技术与多频段组合设计技术,可以很好的提升信号接收效率,同时还能降低系统噪声,抗干扰能力也有所提高,在全世界同类型天线中,GRAS-4综合性能可谓首屈一指。
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