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48億公里外驚鴻一瞥:冥王星照片的通信難題
48億公里外驚鴻一瞥:冥王星照片的通信難題
Cnblogs 新浪科技     阅读简体中文版

  文/丁傲西

  最近這段時間,一張冥王星的照片紅遍了全世界。北京時間 7 月 14 日晚 7 點 49 分,美國航空航天局的探測器新視野號成功達到了與冥王星最近距離處,二者相隔只有 1.25 萬公里。新視野號成功拍下了這張清晰度極高的冥王星照片,并且順利傳回地球。雖然這項史無前例的旅程耗費了 9 年半的時間,但是飛行了 48 億公里的新視野號并沒有因此停下自己的腳步。拍攝完這張照片,新視野號就以每小時 4.96 萬公里的高速度向著位于柯伊伯帶的下一個目標飛去。

  48 億公里之外的信號是什么樣的?

  這是一張太陽系的結構圖,冥王星位于太陽系邊緣的柯伊伯帶,距離太陽的平均距離將近 59 億公里。即使是太陽發出的光,也需要將近 5.47 小時才能照射到冥王星的表面。要想從如此遙遠的地方傳輸數據回地球,新視野號探測器需要克服很多困難。

  首先,影響信號傳輸最大的困難就是距離。為了更好理解這個問題,不妨舉一個簡單的例子。假設兩個人正在說話,當兩個人相距 1 米的時候,一個人不用太大聲說話對方就能聽清。但是當兩個人的距離達到 100 米的時候,即使一個人大聲說話對方也不一定聽得起。由于信號的強度和距離的平方成反比,隨著距離的增加信號的強度也成指數型減少。探測器和地球之間的關系和兩個人說話十分類似,當兩者距離達到 48 億公里的時候,地球所能接受到的探測器信號強度非常有限。除非使用超高靈敏度的接受天線,否則這一信號很難被檢測出來。

  其次,背景噪音也會直接影響到信號的傳輸。回到前一個例子,假設兩個人身處非常吵雜的體育場中。即使他們間相距 1 米,巨大的噪聲也會影響到兩者的溝通。如果兩者的距離擴大到 100 米,那么無論再怎么大聲說話對方也無法聽清。在我們的宇宙中,包括恒星在內的許多星體都會發出各種頻率的電磁信號。而在太陽系中,太陽所發出的的電磁波更是成為了巨大的噪聲源。這些噪聲累加在一起,成為宇宙空間的背景噪聲。隨著距離的增加,探測器的傳輸信號很容易淹沒在宇宙背景噪聲中,更加難以被檢測出來。

  雪上加霜的是,信號在傳輸的過程中還會因為干擾而出現失真。由于距離太遠加之干擾巨大,信號中的二進制數據很容易出現錯誤。明明代表 0 的信號可能因干擾變成1,明明代表 1 的信號也可能因干擾而變成0。一旦信號失真,數據的還原就會出現嚴重的問題。

  雖然信號傳輸問題很多,但是 NASA 還是成功接收到了來自冥王星的信號,史無前例的高清圖片更是宣告了冥王星探測計劃的成功。現在問題來了,NASA 是怎么解決這些問題的呢?

  盡可能集中能量發射

  由于探測器和地球距離過于遙遠,任何沒有對準地球發出的信號都無法被接受到。為了提升發射信號效率,探測器的發射天線必須對準地球。只有將發射的能量盡可能的集中,地球才有可能接受到 48 億公里之外的探測器信號。

  擴頻技術

  為了克服宇宙背景噪聲對信號帶來的影響,探測器在傳輸信號的過程中使用了擴頻技術。所謂的擴頻技術,是將原本用于傳輸的原始信號通過擴頻技術變成頻率較寬的新信號。在信號功率遠低于噪聲功率的情況下,通過擴展信號傳輸的頻譜可以極大的提升傳輸信號的穩定性。而將接受到的擴頻信號進行解調,就可以輕易的從背景噪音中獲取到所需的信號。

  信道編碼

  即使獲得了有用的信號,信號在傳輸過程中依然有可能因為干擾而出現失真,這個時候就需要用信道編碼進行糾錯。為了增加通信的可靠性,人們利用信道編碼對原始信號增加特定的信息,從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的。舉一個簡單的例子,假設有人運送一批玻璃杯,為了保證運送途中不出現打爛玻璃杯的情況,人們通常用泡沫海綿之類的緩沖物將玻璃杯保護起來。當然,有得必有失。由于增加了緩沖物,原來能裝 100 個玻璃杯的箱子可能只能裝 80 個了,剩下的空間被緩沖物所占據。同樣的道理,信號的傳輸速率也會因為增加特定的糾錯編碼而下降(傳輸 100bit 的數據可能 90bit 都是糾錯碼,真正有用的數據僅有 10bit)。

  通過對原始信號增加特定的糾錯信息,信號即使在傳輸過程中出現差錯,也可以在接受端被發現和糾正。通常深空通信使用的信道編碼方式是 LDPC 碼(低密度奇偶校驗碼),通過這種編碼方式,探測器所發出的信號可以更加穩定的傳輸到地面接收站。

  總結:

  在眾多新技術的大力支持下,新視野號探測器發出的信號終于成功被地球接收到,人們也終于有機會一窺來自冥王星的秘密。因為距離遙遠,即使是以光速傳輸,新視野號探測器發出的信號也需要 4.5 小時才能到達地球。為了獲得穩定可靠的信號,新視野號探測器的傳輸速率更是僅有 1Kbps。換句話說,即使探測器已經收集到了大量有用的數據,這些數據傳輸回來也需要相當漫長的時間。根據 NASA 的初步估計,最終接受完這些數據需要耗費至少 16 個月的時間。在數據沒有接受完整之前,我們只能看到一些照片的壓縮版本。而真正高清晰度的冥王星靚照,還需要我們耐心等待。

2015-08-23 08:57

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