分步解析如何在48亿公里外控制新视野号飞行

　　新视野号
　　新视野号（NewHorizons），是美国宇航局新世纪发射的最先进深空探测任务，任务目标直指目前整个太阳系内最神秘的冥王星（目前没有一个人类航天器到达过）和它的至少三颗卫星（卡戎、尼克斯和许德拉），然后飞进柯伊伯带（可以理解为太阳系边缘的小行星带，目前冥王星已经被归进去了）。
　　地球距离新视野号48亿公里，按照光速需要4。5小时才能单程到达。而在整个从地球出发飞往冥王星的过程中，它的飞行轨迹基于精细的设计与仿真，毋庸置疑需要非常复杂的控制过程才能顺利抵达。
　　任何一个信号和指令的发送与接收，一定包括四个方面：指令生成、发送、传递与接收。地面主要负责指令生成，当然新视野也有一定的自主导航能力，这里只关注地面指令部分。因为控制也是一个双向交互的过程：地面既要发送指令，又要接收卫星状态信息，同理对于卫星亦然。下面按照这个顺序来解释如何控制：
　　图自NASA
　　本图是新视野的飞行轨迹，每个颜色代表一个年份的飞行时间区间，可以看到它从起飞到目前的轨迹大概经历了两个主要阶段：
　　a。摆脱太阳系内部行星圈（火星以内），这个基本上美帝的火箭一口气就给打出来了。
　　b。借助强大的木星（土星的影响还没到）引力造成引力拖车效应，大概就是火箭相当于一个弹弓把新视野往未来（一年后）木星的位置上打去了，木星到时果然出现。根据牛顿定律（力的吸引会使物体加速），木星会使卫星加速，但轨道设计又非常合理，不会落入木星的引力圈内。所以相当于再用木星作为弹弓，把它朝冥王星的未来（八年后了）位置上打去。这段时间内，可以看到土星、天王星和海王星都离新视野很远，所以引力不会有很大干扰，相当于可以直线飞行。到了2015年7月14日，二者按照原计划汇合，任务成功。那么这个阶段经历了哪些过程会生成了哪些指令呢？
　　第一部分。控制指令生成：
　　a。卫星平台基本系统的启动与稳定工作保持，比如星上计算机、动力（核电池）系统、姿态确定（陀螺、星敏感器之类的）系统、通讯系统（下面介绍）、数据预处理与储存系统、能源优化利用系统、姿态控制（微型喷气发动机）系统、温控系统等等一大堆。。。
　　b。有效载荷系统，主要是上面带的各种大家根本没有听说过的高端仪器，我这里也不赘述啦，总而言之这些有效载荷的存在才使我们通过卫星获得了想要知道的信息，比如这两天刷屏的冥王星无码免冠清晰彩色近照。
　　太阳系内星际转移各个最优点
　　c。轨道机动，这些机动是飞行任务能够成功极其极其极其重要的方面。因为大家有所不知，根据深空飞行的多体引力场影响，在关键点（最小能量消耗获得最大收益，一般指引力平衡点例如拉格朗日点之类的，见上图哇）需要作出非常精细的轨道机动，真心是差之毫厘谬以千里，错0。1米每秒就完全不同的轨道了。新视野经历了以下几个机动（它的飞行启动速度在16300ms以上，大家可以看下面的数据感受这些发动机的控制有多精细）：
　　c。12006年1月28和30日（起飞10天后），脱离日地引力平衡位，修正两次轨道，速度变化18
　　c。22006年3月9日，发动机工作76秒，速度变化1。16然后被木星狂加速了一把；
　　c。32007年9月25日，发动机工作937秒，速度变化2。37
　　c。42010年6月30日，发动机工作35。6秒，速度变化0。44
　　有没有觉得在这么远的距离做出这么小的动作，难度挺大的。。。太阳引力总体作用是使它减速，现在大约14500ms
　　d。它中间为了节省燃料也节省地面控制人员成本，必须休眠，2014年底才重新唤醒，也属于指令；
　　e。所有仪器工作时，各种调姿态、拍照、记录数据等，都要地面控制指令。而这个时候已经是单程数小时了。
　　第二部分：地面发送指令与接收数据
　　地面的指令发送站，也是数据接收站。对于这种深空任务，因为可能离地球极其远，已然不可能通过普通基站或测量船来发送、接收了，必须通过这个地球上强大的深空通讯网络（DeepSpaceNetwork，DSN），它最早是美国海陆空三军一起搞的，现在名义上是一个国际天线网，实质上依然由NASA的JPL（喷气推进实验室）控制。
　　有三个天线站，分别位于美国加州、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉，基本上分布为各隔120度。意义不用废话了，因为地球在自转，要保证任一时刻卫星传回的信号都有至少一个站能接收到。信号本来就很弱了，地球这个结结实实的石头块儿肯定把信号全部挡完了。
　　2014年印度成为了第一个发射火星探测器成功的亚洲国家（仅次于美欧俄排第四，咱们之前的萤火一号被俄罗斯发射失败了，心痛啊，印度还是全球第一个首次发射火星探测器就成功的国家，哎！哎！），他们很核心的深空测控任务，就完全依赖美国的这个网络。俄罗斯有一个，在远东、克里米亚和莫斯科（地盘大，本土就可以建成一个牛逼的网络，克里米亚问题这里不讨论）。欧空局也有一个，在阿根廷、西班牙和澳大利亚。
　　我国的在喀什和青岛的应该会发展成深空站，还打算在南美建一个，这样的话我们就也有一个全球网了（都是网络上公开信息哈）。其实当时不仅要让俄罗斯帮咱们打萤火一号，还要借他们网络，不容易啊！
　　第三部分：深空信号传递
　　所有的信号都由电磁波来传递，光也是一种电磁波。距离是信号最大的问题，传的远了，自然就弱，克服这个方案如下：更强大的天线发射功率，越大越好，但无论是卫星还是地面天线，都有大小瓶颈，受诸多原因控制；提高载波频率；采用信道编译码技术（根据各路讨论，我发现自己不懂这些技术，大概就是信号处理，使其优化）。上述比较值得咱们关注的是通信信号频率的选择：
　　一般情况下深空任务都会用S、X和Ka波段，这个用的是X波段，大概是个神马情况呢，如图。比人类可以看见的光频率低上不少，频率大概在812GHz，波长大约在毫米级，属于雷达波段里的高频了。至于传递之前和之后的信号增益、处理之类的，咱们不关心（本汪能力不够解读）。
　　第四部分：星上信号发送与接收
　　新视野安装了一个直径2。1米的高增益天线，能够与地球的深空网络保持联系，接收来自地球的指令，以及将收集得到的科学资料输送回去地球。正上方有一个低增益天线，是高增益天线的后备，以备不时之须。高增益天线有两条频带收发讯号，频谱宽阔，上传下载速度高；低增益天线只有一条窄频带，效率较低，但是在紧急情况之下，可以顶替高增益天线的工作。不用在意这么多看不懂的技术名词，他们的作用就是发送与接收信号而已。所以深空任务的有效测控是一系列因素实现的，比如：
　　1。没有足够强的政治影响力，哪里有能力建立一个全球覆盖的深空网（俄罗斯地盘够大除外），如果中国不够强大，南美、澳洲甚至非洲都不鸟你，建什么全球覆盖深空网？
　　2。强大的技术要求。可以看到各种轨道机动要求非常非常非常严格，所以深空网的测控能力要求也是极高的，既要求稳、又要求准，地面上人的理论能力也要跟上，比如变0。5ms和0。4ms是完全不同的；
　　3。需要强大的基础工业能力。咱们的理论技术丝毫不比美国的差，中国人发的各种论文仿真出的罗塞塔和其他任务的轨道也是极其准确。可问题来了，你做的理论需要那个发动机能够执行出来，比如有一个轨道机动，在937秒内改变2。37ms的速度，得需要一个何等精确的发动机！还有那些深空天线，动辄六七十米直径，得超高标准制造出来；动力系统，微型的核能电池，也非常复杂；再进一步，你的航天器要能飞到冥王星，要保证上面的元器件在太空那种高辐射、超低温的环境下无故障运行至少10年（旅行者都飞了近40年了还算可以），这些方面我们有待进步，不过客观说咱们目前也没差这么远了，未来绝对和美国有一拼。
　　4。首先的首先，得先有一个探测器能发射出去，比如嫦娥之类的，多多益善，没有试验尤其是失败的试验，坐在实验室里对着电脑仿真可不靠谱。
　　5。每个航天能搞好的国家，都需要无数航天汪聚在一起不断努力，木有捷径，人才人才和更多的人才永远是超越一切的力量，大家加油！
　　一个美图（冥王星）就是这样产生的！