我相信你們中的許多人都聽說過或讀過最近的一篇 毅力登陸火星，很快這顆紅色星球已經在等待阿拉伯希望號和中國天問一號了。 我想知道所有這些探測器如何將他們的研究數據傳輸到地球？ 今天將討論空間通信。
飛往其他星球一直是人類的夢想。 關於這個話題已經拍攝了很多故事片和紀錄片，幾乎詳細地講述了飛行過程本身是如何發生的，機組人員的感受或將感受如何，在這樣的環境下應該做什麼。
近日，“毅力號”火星車降落在火星表面並拍攝了著陸後的第一張照片，全世界都在歡呼雀躍。 我們已經有了來自火星車的第一張照片，我會提醒你，它於 18 年 2021 月 日降落在火星上，以及該設備本身的第一張照片。
這些是著陸後立即拍攝的技術照片、輪子的照片，以及著陸期間火星車本身的照片，這些照片是由安裝在火箭模塊上的相機拍攝的。
但我總是在想，他們怎麼能這麼快地連接到地球並傳輸鏡頭？ 我想知道這是真的還是科幻小說。 今天我將嘗試分享我對這個話題的看法。
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火星有多遠，這意味著什麼？
讓我提醒您，根據季節的不同，火星距離地球大約 55 到 401 億公里。 在這裡，一切都取決於自轉軌道的重合，包括圍繞太陽的軌道。 而且由於最快的通信形式是電磁波，因此將信息發送到紅色星球所需的時間將取決於光速。 也就是說，如果我們想向這樣的流動站或探測器發送命令，或者接收數據，我們將不得不稍等片刻。
機器無法像人類一樣影響信號延遲，因此延遲最高可達 60 毫秒。 在此期間，無線電信號將傳播約 18 公里。 就太空飛行器而言，這種現象的不利方面是無法實時控制它們。 唯一剩下的就是向自主操作的過渡，這適用於毅力號本身，可能更適用於 Ingenuity 直升機，它應該在接下來的幾十天開始其為期 000 天的任務。 也就是說，我們從火星表面接收到一個延遲很大的信號，但現代設備幾乎將其最小化。 是的，它剝奪了我們從地球控制設備的機會，但它推動了此類設備的更高自動化的發展。
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地球與火星上運行的任務之間如何直接通信
我敢肯定，幾乎所有從事類似任務的人都會對這個問題感興趣。 因此，為此，創建了一個稱為深空網絡 (DSN) 的射電望遠鏡網絡，它是一個更大的結構，稱為 SCaN（空間通信和導航）的一部分。
該中心連接地球上用於與太空中的航天器和宇航員通信的所有發射器和接收器。 DSN 由 NASA 的噴氣推進實驗室控制。
射電望遠鏡最大的直徑可達70米，分佈在西班牙馬德里附近、澳大利亞堪培拉、美國莫哈韋沙漠戈德斯通等地。 這種在地球表面各個點的佈置將通信中斷的風險降至最低，並可以提高信號接收和傳輸的速度。
有趣的是，中國為了獨立於其他網絡，建造了自己的射電望遠鏡，大小也約為 70 m，與天問一號通信。 其中，這顆行星的第一張照片就是從這個軌道上拍攝的。
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輸出和接收信號功率之間存在巨大差異
現在讓我們繼續討論這些發射器的技術能力。 這裡也有很多有趣的事情。 所以我們知道，安裝在這些天線上並瞄準空間物體的發射器在 X 波段（頻率從 20 到大約 8 GHz）中的功率從 12 kW 到 400 kW（但應該記住，使用功率超過 100 kW 需要根據 S 波段（2 到 4 GHz 左右的頻率，即類似於家庭 Wi-Fi 或某些移動網絡）中的空氣成分和交通管理進行調整。 相比之下，最強的 5G 基站發射器的功率為 120 瓦，但通常要低得多，並且波束的形成方式與發射到航天器的情況不同。
在接收信號時，DSN 網絡中最大的天線能夠捕捉到功率為 10-18 W 的波束。 例如，這種能量有來自航海者 2 號的信號。考慮到探測器的距離和有限的能源資源，來自火星的信號也大致屬於這個數量級。
火星勘測軌道飛行器 (MRO) 的每個 X 波段都有兩個 100 瓦的信號增強器，如果其中一個主信號發生故障，還有一個備用信號增強器。 它還有一個在 Ka 波段（頻率在 26-40 GHz 範圍內）工作的實驗發射器，發射功率為 35 瓦，但僅用於測試目的。
DSN 頁面 清楚地顯示當前正在向誰或從誰發送或接收數據。 除其他外，單擊指示任務的快捷方式後，我們可以看到其他數據。 毅力號火星車簡稱M20，數據主要來自MRO。
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進入太空越遠，信號越慢
DSN 還與其他探測器通信，但您知道它們離地球越遠，數據速率就越慢。 很大程度上還取決於給定航天器上發射器的功率。 距離地球最遠的航海者 1 號以 160 bps 的速度傳輸數據，僅比 1950 年代的第一批調製解調器快一點。 打開網站 root-nation.com 從這麼遠的地方看這篇文字，您將不得不等待一天以上。
反過來，從地球到達探測器的信號要強得多，但航海者一號的天線直徑只有 1 米，這當然使得信號接收比 3,7 米天線弱得多。
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火星探測器或漫遊車在執行任務期間傳輸了多少數據？
火星任務通常需要兩個基準年加上延長任務的持續時間，並且可以持續十多年。 執行視覺觀察的探測器和儀器需要最多的帶寬，因為照片至少有數兆字節的數據。 該信號可以包含更多表徵其他測量值、大氣參數、磁場、溫度等的數值數據。 因此，現在正是支持太空探測器的時候。 他們不會播得太快，但他們會堅持多年。
自 2005 年以來一直在拍攝火星的火星勘測軌道飛行器 (MRO) 已經拍攝了超過 50 次環繞地球的軌道，並拍攝了 000 多張照片，覆蓋了地球 90% 的表面（截至 000 年）。 此外，它還傳輸來自火星探測器的廣播和圖像。 例如，好奇號已經拍攝了近 99 萬張原始照片（並非所有照片都變成了我們欣賞的照片）。 從 MRO 在地球上收集的數據量接近 2017 PB（截至 0,5 年初的估計數據）。
然而，MRO 是一項以照片和數據為導向的任務。 相比之下，多年來一直研究土星及其衛星的卡西尼號探測器僅向地球發送了 635 GB 的數據，其中包括 453 張照片。 反過來，流動站 Opportunity 在火星周圍旅行了 15 年，到 2018 年（在我們與它永遠失去聯繫後不久）向地球發送了超過 225 張照片。
發送到火星的數據量要少得多。 由於這些主要是命令和對其執行的確認，或軟件修復（這是最重要的），它們甚至不需要非常強大的發射器來傳輸它們。
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探測器或漫遊車如何與地球“對話”？
我們已經知道地球上如何接收來自火星的數據，但如何從紅色星球上的設備發起通信？ 在軌的探測器有更有利的條件與地球通信並發送大量數據。 對於此類通信，最常提到的 X 波段被使用。恆心漫遊者與好奇號一樣，使用兩個在該波段上工作的發射器（低功率和高功率）進行通信。
在他們的幫助下，流動站可以獨立“呼叫”回家，但來自強大發射器的數據傳輸速率在 800 米天線接收時最大為 70 bps，在 160 米天線接收時為 34 bps天線。 低功率發射器只是最後的手段，因為它只有一個用於發送的 10 位通道和一個用於接收數據的 30 位通道。
因此，今天好奇號和毅力號漫遊車通常首先在 UHF 範圍內連接到它們在火星軌道上的“基站”——具有更大發射天線的探測器。 MRO、MAVEN（火星大氣和揮發性演化）、火星奧德賽和歐洲火星快車以及 TGO（微量氣體軌道器）用於此目的。 它們形成了一個稱為 MRN（火星中繼網絡）的網絡。
在建立這樣的中繼網絡之前，維京一號和維京二號等航天器不得不依賴伴星軌道。 對於與地球的直接通信，使用了 1 W 發射器和 S 波段，以 2 MHz（UHF 波段）的頻率進行通信，類似於今天的漫遊車。
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火星與地球通信的最高速度是多少？
這裡有很多細微差別。 因此，毅力首先使用位於火星車後部、放射性同位素熱電發生器屏幕旁邊的天線將圖像和其他數據發送到 400 MHz 的軌道探測器。 從地表到紅色星球軌道的通信線路帶寬高達 2 Mbit/s。 與火星軌道連接的效率取決於它與地球的距離，正如你所知，這變化很大。
最大連接速度從火星離地球最遠時的 500 kbps 到火星離地球最近時的 3 Mbps 以上不等。 通常使用 34m DSN 天線，每天使用約 8 小時。 然而，這並不意味著傳輸總是以從 DSN 天線的數據中可以看出的最大速度進行。
還有機會在地球和火星表面的設備之間建立直接連接，繞過地球軌道上的探測器。 但這種連接只能在緊急情況下進行或僅發送簡單的控制命令。 這些限制是由於從行星軌道到火星的信號帶寬比從地球直接傳輸到火星表面的信號帶寬高 3-4 倍。 工作在 X 波段的天線用於這種通信，無論是在地球上還是在流動站上。
但也有溝通中斷，我們今天無法影響。 他們的事業是太陽。 太陽本身會干擾經過它附近的探測器的數據傳輸，因為這顆紅色星球只是不時地躲在我們面前。 而且由於我們在太陽系中還沒有一個發達的通信網絡，火星每兩年需要大約 10 天才能滑過太陽盤。 正是在此期間，與漫遊者和探測器的通信完全不存在。
有時候沒有其他出路，你必須努力工作，等待數天甚至數月的數據
幸運的是，就火星任務而言，迄今為止，科學家們還沒有遇到過這樣的問題。 但如果你們中的任何人還記得 1990 年代的伽利略探測器，就會知道當時地面控制存在很大問題。 探測器的發射天線僅部分部署，因此無法達到預期的 134 kbps 帶寬。 科學家們不得不開發新的數據壓縮方法，以免與探測器失去聯繫。 他們能夠將第二個低增益天線的性能從 8-16 bps（是的，每秒位數）提高到 160 bps，然後提高到大約 1 kbit/s。 它仍然很少，但事實證明足以挽救任務。
另一方面，非常遙遠的航天器必須配備非常強大的發射天線和電源，因為傳輸需要很長時間。 從發射天線功率為 12 W 的“新視野號”探測器飛越冥王星附近後，科學家們等待了數月的時間來獲得一套完整的發射數據。
這個問題能解決嗎？ 是的，這是可能的，但為此我們需要在整個太陽系中建立通信網絡，但這需要大量時間，當然，還需要巨額資金注入。
接下來我們可以期待什麼？
我敢肯定，許多有趣的信息正從火星表面及更遠的地方等著我們。 人類渴望突破地球，探索遙遠的行星和其他太陽系。 也許，幾十年後，我的這篇文章只會讓火星上或半人馬座阿爾法星某處的學童微笑。 也許那時人類會像我們現在從基輔到紐約一樣輕鬆簡單地飛往其他星球。 我確信一件事，人類探索太空的慾望是無法阻止的！
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