土星的照片是如何传回地球的?这速度比光速还快吗?

首先,影响信号传输最大的困难就是距离。为了更好理解这个问题,不妨举一个简单的例子。假设两个人正在说话,当两个人相距1米的时候,一个人不用太大声说话对方就能听清。但是当两个人的距离达到100米的时候,即使一个人大声说话对方也不一定听得起。由于信号的强度和距离的平方成反比,随着距离的增加信号的强度也成指数型减少。探测器和地球之间的关系和两个人说话十分类似,当两者距离达到12.8亿千米的时候,地球所能接受到的探测器信号强度非常有限。除非使用超高灵敏度的接受天线,否则这一信号很难被检测出来。

其次,背景噪音也会直接影响到信号的传输。回到前一个例子,假设两个人身处非常吵杂的体育场中。即使他们间相距1米,巨大的噪声也会影响到两者的沟通。如果两者的距离扩大到100米,那么无论再怎么大声说话对方也无法听清。在我们的宇宙中,包括恒星在内的许多星体都会发出各种频率的电磁信号。

而在太阳系中,太阳所发出的的电磁波更是成为了巨大的噪声源。这些噪声累加在一起,成为宇宙空间的背景噪声。随着距离的增加,探测器的传输信号很容易淹没在宇宙背景噪声中,更加难以被检测出来。

雪上加霜的是,信号在传输的过程中还会因为干扰而出现失真。由于距离太远加之干扰巨大,信号中的二进制数据很容易出现错误。明明代表0的信号可能因干扰变成1,明明代表1的信号也可能因干扰而变成0。一旦信号失真,数据的还原就会出现严重的问题。

尽可能集中能量发射

由于探测器和地球距离过于遥远,任何没有对准地球发出的信号都无法被接受到。为了提升发射信号效率,探测器的发射天线必须对准地球。只有将发射的能量尽可能的集中,地球才有可能接受到12.8亿千米之外的探测器信号。

扩频技术

为了克服宇宙背景噪声对信号带来的影响,探测器在传输信号的过程中使用了扩频技术。所谓的扩频技术,是将原本用于传输的原始信号通过扩频技术变成频率较宽的新信号。在信号功率远低于噪声功率的情况下,通过扩展信号传输的频谱可以极大的提升传输信号的稳定性。而将接受到的扩频信号进行解调,就可以轻易的从背景噪音中获取到所需的信号。

信道编码

即使获得了有用的信号,信号在传输过程中依然有可能因为干扰而出现失真,这个时候就需要用信道编码进行纠错。为了增加通信的可靠性,人们利用信道编码对原始信号增加特定的信息,从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。举一个简单的例子,假设有人运送一批玻璃杯,为了保证运送途中不出现打烂玻璃杯的情况,人们通常用泡沫海绵之类的缓冲物将玻璃杯保护起来。当然,有得必有失。

由于增加了缓冲物,原来能装100个玻璃杯的箱子可能只能装80个了,剩下的空间被缓冲物所占据。同样的道理,信号的传输速率也会因为增加特定的纠错编码而下降(传输100bit的数据可能90bit都是纠错码,真正有用的数据仅有10bit)。

通过对原始信号增加特定的纠错信息,信号即使在传输过程中出现差错,也可以在接受端被发现和纠正。通常深空通信使用的信道编码方式是LDPC码(低密度奇偶校验码),通过这种编码方式,探测器所发出的信号可以更加稳定的传输到地面接收站。

土星距离地球数十亿英里,想要直接到达,需要搭载70顿的燃料。而卡西尼借用引力弹弓效应,先后两次掠经金星、一次掠经地球、一次掠经木星,最终抵达土星。这段迂回路线是土星距离地球最近距离的将近三倍。不过,这样的绕道飞行,并未更加耗时,反而大大节省了燃料。

土星和土卫一(你就知道土星环是多么大了!)

经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后,北京时间2004年7月1日,卡西尼号按计划顺利进入环绕土星转动的轨道,开始对土星大气、光环和卫星进行科学考察。

从土星看回地球(人类第一次从其他行星拍到地球)

2005年1月14日,卡西尼号搭载的土卫登陆探测器惠更斯号与卡西尼号分离后,成功登陆土星最大的卫星土卫六,让人类第一次看到了土卫六的表面。

土星和土卫六

2009年7月8日,卡西尼号证实土卫六存在液体。分析认为,土卫六表面流动着液态甲烷。

2015年9月,美国宇航局宣布,根据卡西尼的测量以及照片数据分析,土卫二拥有一个地下大海洋。

土星环液态水、有机物、热源,这三种条件如果在稳定的情况下,将是创造生命的重要元素。发现外星生命,正是人类进行无数太空探索的重要动力之一。

欧洲航天局科学家让·皮埃尔说:“在某种意义上,‘卡西尼’号就像时间机器一样,带我们去探测以前从来没有见过的世界,那个世界就像45亿年前我们的地球。”

被很多人称为“死星”的土卫一,今年4月26日,卡西尼号穿越了土星与土星环之间的空隙,并在这片神秘的未知之地完成了22次穿越。在此之前,从未有人类探测器穿过此区域。昨天,卡西尼还在拍摄土星的照片,然后将天线对准地球,回传数据,发去他对家乡的最后告别。

这张图片里,除了有土星的所有卫星之外,还有火星、金星和我们的地球。

◤再见,卡西尼。为人类做出的贡献!◢

土星距离地球有13亿千米的遥远距离,那么探测器在土星拍摄的照片是怎么通过这距离的限制,传输到地球的呢?

探测器在拍摄完照片之后,会把照片转换成二进制的数字信号,通过无线电波的形式传输到地球上。天文学家在地球上接受到这些信号之后,再把二进制数字信号转换为各种格式的照片。着其中的原理与收音机接收无线电波信号的原理很相似,只不过收音机最后是转换为音频信号罢了。无线电波本质上就是电磁波,在真空中的传输速度就等于光速。

深空传输技术与地球上普通的信号传输技术相比,有两个特别的困难。“深空”,顾名思义,就是深处的太空,所以深空传输技术最大的困难就是遥远的距离。信号的强度与距离的平方成反比,随着距离的增加,信号强度不断衰减,而且衰减的速度也会越来越大,一旦发射的信号强度不够,很可能在到达目的地之前就已经衰减到无法检测到的程度了。另一个可能就是背景噪音的影响。在宇宙中,各种天体,包括恒星、星云等,都会发出各种频率的电磁信号。而且,近在咫尺的太阳本身就是一个巨大的噪音来源,它与其他各种信号一起组成了背景噪声,使探测器发出的信号更加难以被检测到了。土星的照片传回地球可不是容易的事,深空传输今后将向激光传输方向发展。

2022-03-16

2022-03-16