深空探测的“狮吼功”和“顺风耳”大天线

射频百花潭2020-09-23 16:48:00

 
 
 
作者说
 
 
 

去年9月15日,在土星最大的卫星土卫六(Titan)边进行最后的遥远飞越之后,“卡西尼”号将会撞入这颗行星。生命不息,探索不止,她在燃烧的同时还将把土星的大气数据传回地球。那么和这个15亿公里外的探测器是怎么实现通信的呢?请看本周专题:《深空探测的狮吼功和顺风耳》(作者:超级loveovergood)

手机WIFI是20毫瓦,能够顺畅接收20米外的WIFI信号;手机的功率是2瓦,能够和2公里之外的基站顺利通信,那么远在土星的“卡西尼”号探测器呢?“卡西尼”探测器曾经获得土星大量而宝贵的第一手资料,这些资料是如何送回地球的呢?


卡西尼的科学成就相当耀眼,这是卡西尼10周年的数据统计


先来看看卡西尼带的“大喇叭”!下图中白白直径4米的“锅”(专业名称叫“高增益的抛物面天线”—-卡塞格伦天线)是她发射和接收信号的大天线,为了以防万一,还带了两个“小锅”—-两个低增益天线。她把核发电机700瓦功率中的很大一部分用在信号发射上,但是最多也就几十瓦射出的功率!

要和远在10.6个天文单位,也就是15亿公里外,无线电波要84分钟才能送达的地球通信还是非常困难的,急需“顺风耳”!另外地球科学家指挥卡西尼做各种动作,拍照片啊,释放惠更斯探测仪啊,也需要大嗓门的“狮吼功”!


除了头上顶一个外,另外一个低增益天线在惠更斯背后,直径仅有6.4cm,一斤重


别急,有深空探测网(Deep Space Network,DSN)在


深空探测网是美国国家航空航天局为支援深空任务、无线电通信以及利用射电天文学观察探测太阳系和宇宙的一个国际天线网络,它是地球上最大的科学研究用途的通信系统,是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的一个地基全球分布测控网,可以提供双向通信链路,对航天器进行指挥控制、跟踪测量、遥测,以及接收图像和科学数据等。他所服务追踪过的探测器可以编写一本人类航天探索史上的“名人”录,从太阳系探测器“先驱者”号和“旅行者”号、金星探测器“水手”号、火星探测器“勇气”号、木星探测器“伽利略”号和“朱诺”号,当然包括我们今天要说的土星探测器“卡西尼—惠更斯”号

深空探测网包括深空测控探测地面通信站空间应答机(卡西尼等航天器)两大部分,给地面通信站来几个素描:


一、大,特别大


无线通信信号的衰减就与传输距离成对数关系,随着探测器越往深空进发,距离地球越来越远,接收到的信号也就越来越微弱,而且时延也越来越大,那么大家想到的第一个办法是,把天线做大,这样就好比大耳朵能够听到更远的声音!(招风耳的同学肯定在说你的不是)目前深空测控地面通信站最大口径的天线是70米,面积是3850平方米,接近10个篮球场那么大。

美国深空探测网络DSN的最大的“锅 ”——直径70米的抛物面天线,它可以和已经飞出太阳系的“旅行者”号进行联络。


这个70米的锅也是卡塞格伦天线,此类天线由三部分组成,即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为抛物面,副反射面为双曲面。在结构上,双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合,双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合,而辐射源位于双曲面的另一焦点上。

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲,它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式,结构紧凑的同时更重要的是,让接收机可以直接放在主发射面面后面,这对于低噪声放大器妥妥的降温成为可能;

不过缺点是卡塞格伦天线的副反射面、副反射面的支杆以及馈源必然会在主反射面上带来遮挡影响。

卡塞格伦天线信号接收过程

卡塞格伦天线信号发射过程


大耳朵的高灵敏度让深空探测网危难之中现身手,当“惠更斯”探测仪和“卡西尼”探测器之间出现通讯不稳定情况的时候,深空探测网重新做了调整来直接捕捉“惠更斯”这个小不点的微弱信号,获得更多的信息!


二、全,全球监测


深空探测网由三处地面通信站构成,一处在美国加利福尼亚的戈尔德斯敦(Goldstone),位于巴斯托市附近的莫哈维沙漠之中;一处位于西班牙马德里(Madrid)附近;另一处位于澳大利亚的堪培拉(Canberra)附近,所有天线都具有L 、S和X频段的接收能力以及 S 、X频段的发射能力。相互之间经度相隔约120度,这样可以在深空探测器的跟踪、测量中提供连续观测和适当的重叠弧段,让深空探测器总能处在一座通信站的监视范围之内,这种安排使得即便地球在自转,监测任务三班倒不断!

深空探测网除了让探测器上传或下载数据之外,还能够起到导航的作用,让探测器精确入轨或是轨道微调。

依靠这三只360⁰覆盖的大耳朵,收发“卡西尼”的信号未曾间断!


其实并不只是美国人,欧洲人也有类似的深空测控网,罗塞塔探测器就是通过这种网络才能得以顺利执行任务(主页君注)


不同于NASA和ESA,我国没有海外基地和殖民地,领土跨度也不如俄罗斯辽阔,要形成一个覆盖全球的测控网颇具难度,但是我们也还是低调的完成了这一任务,图为我国设置在阿根廷的内乌肯的深空测控站。与美国的三座类似,结合国内的喀什和佳木斯两座测控站,共同构成全球深空测控网(主页君注)


三、强,特别强


深空探测网位于澳洲堪培拉通信站的70米直径天线嗓门特别大,S波段发射输出功率有足足400千瓦,都可以给200户家庭日常用电(空调开启)!

为此次任务配置的X波段(7-12GHz)发射器也有20千瓦,随着她“嗷”的一声怒吼,遥测信号发送到远在土星的卡西尼探测器上,卡西尼听到之后做出迅速的响应!

澳大利亚堪培拉通信站的70米天线,大概20层楼高


四、多,替补多

这么大个头的天线总有生病的时候,比方说马德里70米天线,1900吨重的大胖子活生生把基座都坐出裂纹来了!生病期间不能工作,深空探测网在每一个通信站还有3个以上的替补,在70米大天线的附近还有34米天线子网和26米的“小锅”。这些替补在大个头休息的时候换班。

澳大利亚堪培拉的深空探测网通信站天线群


34米口径的锅分为两种,波束波导BWG (beam waveguide)和HEF (high efficiency,深空网项目自己这么叫的)两种,其中波束波导为深空探测网最新一代天线,与老款的区别是馈源和低噪声放大器通过平板反射镜、二次曲面镜、波导管连接到天线主反射面,低噪声放大器安装在天线下方的小房子里面,为冷却创造条件。对每一个频段均设置一个低噪声放大器(LNA),同时支持左旋极化和右旋极化(卫星接收天线的极化方式中的两种,不需要深刻理解)。


三个地面通信站的34米天线子网联手还能用于甚长基线干涉测量(VLBI和射电源观测)。VLBI是very long baseline interferometry的缩写,简单来说,VLBI就是把几个小望远镜联合起来,分别在同一时刻接收同一射电源的信号,对各自的数据记录进行相关运算,求出观测值。这种干涉测量方法的优点是基线长度原则上不受限制,可长达几千公里,因而极大地提高了分辨率,达到一架大望远镜的观测效果,使不同望远镜接收到的电磁波可以叠加成像。提出这个创新的剑桥大学的天文学家马丁•赖尔(Martin Ryle,1918-1984)获得1974年诺贝尔奖。

 

结束

怎么样,有了深空探测网这个狮吼功和顺风耳,“卡西尼”远在天边,近在眼前!一起来看一下“卡西尼”给我们传回的土星的美丽而神秘的面容!



出处:航天爱好者 超级loveovergood


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