我相信你们中的许多人都听说过或读过最近的一个 毅力登陆火星，很快这颗红色星球已经在等待阿拉伯希望号和中国天文一号了。 我想知道所有这些探测器如何将它们的研究数据传输到地球？ 今天将讨论空间通信。
飞往其他星球一直是人类的梦想。 许多故事片和纪录片都围绕这个主题拍摄，几乎详细地讲述了飞行过程本身是如何发生的，机组人员的感受或将要感受的，以及在这种环境下应该做什么。
近日，全世界都欣喜地注视着毅力号火星车在火星表面着陆并拍摄了着陆后的第一张照片。 我们已经有了火星车的第一张照片，我会提醒你，它于 18 年 2021 月 日降落在火星上，以及设备本身的第一张照片。
这些是着陆后立即拍摄的技术照片、轮子的照片，以及着陆期间火星车本身的照片，这些照片是由安装在火箭模块上的相机拍摄的。
但我一直在想，他们是如何设法如此迅速地连接到地球并传输镜头的？ 我想知道这是真的还是科幻小说？ 今天我将尝试分享我对这个话题的看法。
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火星有多远，这意味着什么？
让我提醒您，根据季节的不同，火星距离地球大约 55 到 401 亿公里。 这里的一切都取决于自转轨道的巧合，包括围绕太阳的轨道。 由于最快的通信形式是电磁波，向红色星球发送信息所需的时间将由光速决定。 也就是说，如果我们想向这样的流动站或探测器发送命令，或接收数据，我们将不得不稍等片刻。
机器无法像人类那样影响信号延迟，因此延迟最多可达 60 毫秒。 在此期间，无线电信号将传播约 18 公里。 就太空飞行器而言，这种现象的负面影响是无法实时控制它们。 唯一剩下的就是向自主操作的过渡，这适用于毅力号本身，甚至可能更适用于 Ingenuity 直升机，它将在接下来的几十天内开始其 000 天的任务。 也就是说，我们从火星表面接收到的信号具有明显的延迟，但现代设备几乎已将其最小化。 是的，它剥夺了我们从地球上控制设备的机会，但它推动了此类设备进一步自动化的发展。
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地球与火星任务之间的直接通信如何
我相信几乎所有执行类似任务的人都会对这个问题感兴趣。 因此，为此，创建了一个称为深空网络 (DSN) 的射电望远镜网络，它是一个更大的结构的一部分，称为 SCaN（空间通信和导航）。
该中心连接地球上用于与宇宙飞船和太空宇航员通信的所有发射器和接收器。 DSN 由 NASA 的喷气推进实验室控制。
射电望远镜中最大的直径可达 70 米，位于西班牙马德里、澳大利亚堪培拉和美国莫哈韦沙漠戈德斯通附近。 这种在地球表面不同点的安排最大限度地降低了通信中断的风险，并可以提高信号接收和传输的速度。
有趣的是，为了独立于其他网络，中国建造了自己的射电望远镜，其大小也约为 70 m，并通过它与天问一号进行通信。 其中，地球的第一张照片就是从这个轨道上拍摄的。
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输出和接收信号功率之间存在巨大差异
现在让我们继续讨论这些变送器的技术能力。 这里也有很多有趣的东西。 所以我们知道安装在这些天线上并瞄准空间物体的发射器的功率从 X 波段的 20 kW（频率从 8 到大约 12 GHz）到 400 kW（但应该记住，使用功率超过 100 kW 需要根据空气成分和交通管理进行调整）在 S 波段（频率在 2 到 4 GHz 左右，即类似于家庭 Wi-Fi 或某些移动网络）。 相比之下，最强的 5G 基站发射器的功率为 120 瓦，但通常要低得多，而且波束的形成与向航天器传输的情况不同。
接收信号时，DSN 网络最大的天线能够捕获功率为 10-18 W 的波束。 例如，这样的功率有来自航海者 2 号的信号。考虑到探测器的距离和有限的能源，来自火星的信号也大约是这个数量级。
火星勘测轨道飞行器 (MRO) 为每个 X 波段配备了两个 100 瓦的信号增强器，如果其中一个主增强器出现故障，还有一个备用信号增强器。 它还有一个在 Ka 频段（频率在 26-40 GHz 范围内）运行的实验发射机，发射功率为 35 瓦，但仅用于测试目的。
DSN 页面 清楚地显示当前正在向谁发送或从谁接收数据。 除此之外，点击指示任务的快捷方式后，我们可以看到额外的数据。 毅力号火星车简称M20，数据主要来自MRO。
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进入太空越远，信号越慢
DSN 还与其他探测器通信，但你知道它们离地球越远，数据速率就越慢。 在很大程度上还取决于给定航天器上发射器的功率。 距离地球最远的航海者一号以 1 bps 的速度传输数据，仅比 160 年代的第一台调制解调器快一点。 打开一个网站 root-nation.com 从这么远的地方看到这篇文章，你将不得不等待一天以上。
反过来，从地球到达探测器的信号要强得多，但航海者一号的天线直径只有 1 米，这当然使得信号接收比 3,7 米天线弱得多。
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火星探测器或火星车在其任务期间传输了多少数据？
火星任务通常需要两个基准年加上扩展任务的持续时间，并且可以持续十多年。 执行视觉观察的探测器和仪器需要最大的带宽，因为照片至少是数兆字节的数据。 该信号可以包含更多表征其他测量、大气参数、磁场、温度等的数值数据。 因此，现在正是有利于太空探测器的时候。 他们播的不是太快，而是坚持了好几年。
火星勘测轨道飞行器 (MRO) 自 2005 年以来一直在拍摄火星，已经围绕地球进行了超过 50 次绕行，并拍摄了超过 000 张照片，覆盖了地球表面的 90%（截至 000 年）。 此外，它还传输来自火星探测器的广播和图像。 例如，好奇号已经拍摄了将近一百万张原始照片（并非所有照片都变成了我们欣赏的照片）。 MRO 在地球上收集的数据量接近 99 PB（截至 2017 年初的估计数据）。
然而，MRO 是一项以照片和数据为导向的任务。 相比之下，多年来一直在研究土星及其卫星的卡西尼号探测器仅向地球发送了 635 GB 的数据，其中包括 453 张照片。 反过来，漫游者 Opportunity 绕火星旅行了 15 年，到 2018 年（在我们与它永远失去联系后不久）向地球发回了超过 225 张照片。
发送到火星的数据量要小得多。 由于这些主要是命令和对其执行的确认，或软件修复（最重要的），因此它们不需要非常强大的发射器来传输它们。
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探测器或漫游者如何与地球“对话”？
我们已经知道地球是如何接收来自火星的数据的，但是火星上的设备是如何发起通信的呢？ 在轨探测器具有更有利的条件，可以与地球通信并发送大量数据。 对于此类通信，使用最常提到的 X 波段。与好奇号一样，毅力号漫游车使用在该波段上运行的两个发射器（低功率和高功率）进行通信。
在它们的帮助下，流动站可以独立“呼叫”回家，但当信号被 800 米天线接收时，来自强大发射器的数据传输速率最高为 70 bps，而当 160 米天线接收信号时，数据传输速率最高为 34 bps天线。 低功率发射器只是最后的手段，因为它只有一个用于发送数据的 10 位通道和一个用于接收数据的 30 位通道。
因此，今天好奇号和毅力号探测器通常首先在 UHF 范围内连接到它们在火星轨道上的“基站”——具有更大发射天线的探测器。 MRO、MAVEN（火星大气和挥发性演化）、火星奥德赛和欧洲火星快车和 TGO（微量气体轨道器）用于此。 它们组成了一个称为 MRN（火星中继网络）的网络。
在建立这样的中继网络之前，维京一号和维京二号等航天器不得不依赖伴生轨道。 为了与地球直接通信，使用了 1 W 发射器和 S 波段，通信频率为 2 MHz（UHF 波段），类似于今天的漫游车。
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火星与地球通信的最高速度是多少？
这里有很多细微差别。 因此，Perserance 首先使用位于流动站后部、放射性同位素热电发生器屏幕旁边的天线以 400 MHz 的频率将图像和其他数据发送到轨道探测器。 从火星表面到轨道的通信线路带宽高达 2 Mbit/s。 与火星轨道连接的效率取决于它与地球的距离，正如您所知，这种差异很大。
最大连接速度从火星离地球最远时的 500 kbps 到火星离地球最近时的 3 Mbps 以上不等。 通常使用34m DSN天线，每天8小时左右。 然而，这并不意味着传输始终处于从 DSN 天线数据中可以看出的最大速度。
还有机会在地球和火星表面的设备之间建立直接连接，绕过行星轨道上的探测器。 但是这种连接只能在紧急情况下进行，或者只能发送简单的控制命令。 这种限制是由于从行星轨道到火星的信号带宽比从地球直接传输到火星表面的信号带宽大 3-4 倍。 在 X 波段工作的天线用于地球上和流动站上的此类通信。
但也有沟通中断的情况，这是我们今天无法影响的。 他们的事业是太阳。 太阳本身会干扰从它附近经过的探测器的数据传输，因为这颗红色星球只是不时地躲避我们。 而且由于我们在太阳系中还没有发达的通讯网络，火星每两年需要大约 10 天的时间滑过太阳盘。 在此期间，与漫游者和探测器的通信完全不存在。
有时没有别的出路，你必须努力工作并等待数天甚至数月的数据
幸运的是，就火星任务而言，到目前为止，科学家们还没有遇到过这样的问题。 但是，如果你们中有人还记得 1990 年代的伽利略探测器，就会知道当时地面控制存在很大问题。 探测器的发射天线仅部分展开，因此无法达到预期的 134 kbps 带宽。 科学家们不得不开发新的数据压缩方法，以免与探测器失去联系。 他们能够将第二个低增益天线的性能从 8-16 bps（是的，每秒位数）提高到 160 bps，然后再提高到大约 1 kbit/s。 它仍然很少，但事实证明足以挽救任务。
另一方面，非常遥远的航天器必须配备非常强大的发射天线和电源，因为发射需要很长时间。 新视野号探测器的发射天线功率为 12 W，在它飞越冥王星附近后，科学家们等待了几个月才能获得一套完整的发射数据。
这个问题能解决吗？ 是的，这是可能的，但为此我们需要在整个太阳系建立通信网络，但这需要大量的时间，当然也需要大量的资金投入。
接下来我们可以期待什么？
我敢肯定，火星表面及更远的地方有很多有趣的信息在等着我们。 人类渴望冲出地球，探索遥远的行星和其他太阳系。 或许，再过几十年，我的这篇文章只会让火星或半人马座阿尔法星某处的小学生们会心一笑。 也许那时人类将像我们现在从基辅飞往纽约一样轻松简单地飞往其他星球。 我可以肯定一件事，人类探索太空的欲望是无法阻挡的！
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