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48亿公里外惊鸿一瞥:冥王星照片的通信难题

2015-07-21 10:07:35

最近这段时间,一张冥王星的照片红遍了全世界。北京时间7月14日晚7点49分,美国航空航天局的探测器“新视野号”成功达到了与冥王星最近距离处,二者 相隔只有1.25万公里。新视野号成功拍下了这张清晰度极高的冥王星照片,并且顺利传回地球。虽然这项史无前例的旅程耗费了9年半的时间,但是飞行了48 亿公里的新视野号并没有因此停下自己的脚步。拍摄完这张照片,新视野号就以每小时4.96万公里的高速度向着位于柯伊伯带的下一个目标飞去。

48亿公里之外的信号是什么样的?

这是一张太阳系的结构图,冥王星位于太阳系边缘的柯伊伯带,距离太阳的平均距离将近59亿公里。即使是太阳发出的光,也需要将近5.47小时才能照射到冥王星的表面。要想从如此遥远的地方传输数据回地球,新视野号探测器需要克服很多困难。

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48亿公里的时候,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。

虽然信号传输问题很多,但是NASA还是成功接收到了来自冥王星的信号,史无前例的高清图片更是宣告了冥王星探测计划的成功。现在问题来了,NASA是怎么解决这些问题的呢?

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48亿公里之外的探测器信号。

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。

总结:

在众多新技术的大力支持下,新视野号探测器发出的信号终于成功被地球接收到,人们也终于有机会一窥来自冥王星的秘密。因为距离遥远,即使是以光速传输,新视野号探测器发出的信号也需要4.5小时才能到达地球。为了获得稳定可靠的信号,新视野号探测器的传输速率更是仅有1Kbps。换句话说,即使探测器已经收集到了大量有用的数据,这些数据传输回来也需要相当漫长的时间。根据NASA的初步估计,最终接受完这些数据需要耗费至少16个月的时间。在数据没有接受完整之前,我们只能看到一些照片的压缩版本。而真正高清晰度的冥王星靓照,还需要我们耐心等待。


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