Как маленькие радиоприемники на космических зондах улавливают сигнал, достаточный для связи с нами?

Мы общаемся по радио, как вы заметили, но это не так сложно, как кажется из вашего вопроса. Не поймите меня неправильно, это по-прежнему удивительный инженерный подвиг, но мы можем понять, как это возможно.

Во-первых, мы можем думать об этом посредством аналогии. Вы можете подумать, что это похоже на то, как если бы вы были на стадионе ночью, когда сверху сияли огромные яркие белые огни, и вы пытаетесь найти кого-то крошечным фонариком размером с ручку, который светит им прямо рядом с вами. эти большие огни. Но это не очень хорошая аналогия. Вместо этого мы используем радиоволны, которые относительно тихие для большинства других сигналов из космоса. Таким образом, это больше похоже на то, что у вас есть действительно яркие стадионные огни, которые излучают только свет от синего до красного, и вы излучаете небольшой ультрафиолетовый свет. Если у вас есть ультрафиолетовый фильтр, эти яркие огни стадиона фактически даже не будут гореть, и вы сможете легко различить крошечный ультрафиолетовый свет, сияющий рядом с ними.

Во-вторых, у нас есть проблема с уровнем сигнала. Когда НАСА (или ЕКА, или другое космическое агентство) передает сигнал, который они хотят принять космическим кораблем, этот сигнал является чрезвычайно мощным. Антенны могут передавать сигнал мощностью примерно до 20 кВт ( см., например, этот другой вопрос StackExchange ). Мощности, достаточной для работы большого дома, сконцентрированной в одном радиосигнале на очень, очень специфической частоте. Эти передатчики чрезвычайно хороши, разница составляет менее 1 части на 1000. Это похоже на то, почему зеленая лазерная указка мощностью 5 мВт может выглядеть такой яркой, а 100-ваттная лампочка — удобной лампой для чтения: вся эта мощность сосредоточена именно на этой конкретной частоте (это не идеальная аналогия, поскольку она также имеет делать с тем, как ваш глаз фокусирует свет).

В-третьих, количество информации, которое может быть передано в единицу времени (например, в секунду), зависит от того, насколько вы можете разделить эту мощность и получить ее на космическом корабле. Если вы разделите этот сигнал мощностью 20 кВт на 20 частей в секунду, вы отправляете 20 бит в секунду, и каждый бит имеет мощность 1 кВт при передаче.

В-четвертых, свет, безусловно, распространяется и затухает по мере своего распространения, следуя закону обратных квадратов, и поэтому мы должны спроектировать приемные антенны на космическом корабле так, чтобы они могли обнаруживать эти слабые сигналы выше уровня фонового шума. Если космический корабль находится дальше от Земли, мы должны уменьшить скорость передачи данных, чтобы каждый бит имел достаточную мощность для обнаружения. Принимаемая мощность часто выражается в дБ (децибелах), как звук. У меня нет цифр для марсианского корабля, но я могу сказать вам, что для New Horizons, на Плутоне, с сигналом мощностью 10 кВт антенна получит сигнал около 50–55 дБ, что намного выше фонового шума от любого другие источники. Если бы это был звук, это был бы нормальный уровень звука домашнего разговора.

Пятое — получение сигнала с космического корабля на Землю. Возможно, очевидно, что передатчики на этих космических кораблях не могут вложить в свой сигнал десятки киловатт. Вместо этого они должны полагаться на две вещи: снизить скорость передачи данных, чтобы каждый бит имел большую мощность, и полагаться на то, что телескопы Deep Space Network больше и поэтому способны обнаруживать более слабые сигналы, чем эти космические аппараты. Сами 70-метровые тарелки Deep Space Network могут обнаруживать сигналы в диапазоне pW (пиковатт, или 10–12 ^Вт ), прежде чем они потеряются в шуме, при условии, что этот сигнал аналогичным образом передается на длине волны, на которой другие случайные космические источники не громко вкл. Если я правильно выполняю преобразование, 1 пВт равен -90 дБм или -120 дБВт (дБ относится к 1 мВт или 1 Вт мощности).

Тогда математика достаточно проста: (а) вы можете передавать с определенной общей мощностью, (б) вы можете принимать сигналы с определенной минимальной мощностью, (в) общая мощность упадет на определенный коэффициент в зависимости от как далеко вы находитесь, (d) тогда на сколько я могу разделить эту потерянную мощность, чтобы получить свой битрейт?

Вот почему «Новые горизонты», когда он находился рядом с Плутоном, передавал данные со скоростью около 1300–2400 бит в секунду, но сейчас скорость передачи ближе к 600–700 битам в секунду, поскольку корабль находится примерно на 5 а. у него меньше энергии, которую можно подавать на его передатчик, поскольку его источник питания из плутония продолжает распадаться.

В частности, с марсоходами эти тарелки часто меньше и полагаются на орбитальные космические корабли с более крупными тарелками для приема сигналов с Земли и передачи сигналов на Землю, эффективно выполняя роль ретранслятора между Землей и марсоходом.

И диаметр телескопа — это то, что используется, так что от края до края «по вороне летит», в отличие от того, как ходит муравей.

PS Я помог разработать эту инфографику/информационную брошюру для New Horizons , которая охватывает многие из этих вопросов.