孤独的使命（旅行者号）

旅行者 1 号和其姊妹舰旅行者 2 号是 1977 年发射的航天器，设计用于探索木星和土星，但它们的任务已远超预期，目前正在进行星际空间的探索。它们是人类历史上运行时间最长和最远的航天器，虽然表现出卓越的耐久性，但也正面临着一系列技术挑战，特别是在航天器系统发生故障时，仍需要依靠地球上的团队进行远程诊断和修复。

旅行者号时间线，图片来自于 NASA

星际修复

在最近的一次技术故障中（去年 11 月份出现），旅行者 1 号的飞行数据系统（FDS）出现问题，影响了科学和工程数据的回传。任务团队采用了创造性的解决策略，通过重新配置和调整受损的存储代码来恢复数据传输，这些工作需要考虑到由于航天器距离地球极远，命令传递和反馈需要长时间延迟。

1. 通信延迟：由于旅行者 1 号距离地球超过 243 亿公里，来回通信需要 45 小时，这极大地增加了故障诊断和修复的复杂性（黑盒操作，在无法实时调试代码的情况下修复故障其难度可想而知）。

2. 系统故障：飞行数据系统（FDS）是一个关键的数据处理单元，负责收集和打包科学及工程数据发送回地球。该系统的故障导致了数据传输中断。

3. 硬件问题：故障的具体原因是 FDS 内部的一个存储芯片损坏，导致部分关键代码丢失。这种物理损坏无法通过远程修复，团队必须寻找替代方案。

4. 创造性解决方案：工程师通过将受影响的代码分段（单个内存区域容量不足以存储所有代码）并重新分配到 FDS 的其他存储位置来应对，同时调整相关代码以确保整体功能的连续性。

团队首先单独处理了负责打包航天器工程数据的代码，在 4 月 18 日将其发送到 FDS 内存的新位置。一个无线电信号需要约 22.5 小时才能到达距离地球超过 243 亿公里的旅行者 1 号，并且返回地球还需要另外 22.5 小时。当团队在 4 月 20 日收到航天器反馈时，他们确认修改已经起作用了：这是五个月来他们首次能够检查航天器的健康和状态。在接下来的几周内，团队将继续调整和部署 FDS 的其他受影响部分，以便恢复科学数据的传输。

旅行者号

用“孤独的使命”来形容旅行者号姊妹空间探测器最恰当不过。目前仍在运行中，所以它们是距离地球最远，且运行时间最久的探测器。一个有趣的小知识点：旅行者 2 号先于 1 号发射，所以 1 号是妹妹（距离地球最远的人造物），2 号是姐姐（运行时间最久）。

20 世纪 70 年代初，科学家提出了一种名为重力助推（gravity assist，也被称为重力弹弓效应或绕行星变轨）的轨迹原理，利用一颗行星的引力改变航天器轨迹，使其无需额外燃料就能前往另一颗行星。这一原理首次在 1974 年水手 10 号任务中得到应用，该任务通过金星的引力助推前往水星。

1970 年代末，出现了一个罕见的行星排列，允许探测器访问所有外层行星（木星、土星、天王星、海王星和冥王星），并在每个行星利用引力助推前往下一个行星。这种独特的行星排列 175 年后才会再次出现，最初的计划名为“大巡游（Grand Tour program）”，意图派遣四艘航天器分两队探索不同的行星组合。但由于 1970 年代初的预算限制，计划被缩减为仅派遣两艘能力较弱的航天器访问木星和土星，以及土星中最大的卫星泰坦（土卫六）。

旅行者 1 号和 2 号穿越外太阳系的飞行轨迹（左图）以及搭载泰坦三号-半人马火箭发射的情景（右图）。图片来自于 NASA

旅行者 1 号和旅行者 2 号正是在这种背景下于 1977 年发射的。旅行者 2 号首先在 8 月 20 日发射，随后是旅行者 1 号于 9 月 5 日发射。两艘航天器首先飞越木星，利用其引力助推飞越土星。旅行者 1 号的特别任务计划是飞越土星的卫星泰坦，这个任务如果成功，将有可能重新定位旅行者 2 号继续前往天王星和海王星。发射后仅 13 天，旅行者 1 号就实现了一个重要里程碑，它拍摄了地球与月球的第一张合影，这标志着其后一系列科学发现的开始。

首张地球-月球系统的单帧照片（左图），由旅行者 1 号于 1977 年 9 月 18 日拍摄。旅行者宇宙飞船在太空中的样子（右图）。图片来自于 NASA

旅行者 1 号拍摄的太阳系全家福

旅行者 1 号

有史以来距离地球最远的星际探测器

旅行者 1 号（Voyager 1）重 825.5 kg，于 1977 年 9 月 5 日发射，截至目前部分功能依然正常运作，并持续与 NASA 的深空网络（DSN，Deep Space Network）通信。

2012 年 8 月 25 日，成为第一个穿越太阳圈并进入星际介质的航天器。截至 2024 年 4 月，距离地球 162.7 天文单位（约 243 亿公里），是距地球最远的人造物体。这么大的距离其实很难去想象，如果以波音 737 的巡航速度飞行（每小时 800 多公里），大约需要飞行 3,000 多年才能到达旅行者 1 号现在所处的位置。

NASA 通过 S 波段和 X 波段无线电频率与遥远的航天器进行通信。S 波段主要用于发出指令，因为它能可靠地穿透地球大气层。而 X 波段则用于接收从高速移动的航天器传回的科学数据，适合处理较高的数据传输需求。太阳光只需 8 分钟就能到达地球，而无线电信号从地球传到旅行者 1 号则需要 22 个小时。也就是说：当我们以光速发送指令后，信号到达旅行者 1 号时将超过 22 小时，回传也需要同样的时间，往返每个方向几乎都是一天的光程。从太阳系边缘外的航天器传回数据的速度非常慢，下行速度通常为 160 bits/s，若只传输工程数据则降至 40 bits/s。

随着旅行者探测器越来越远离地球，它发回的信号也相应变得更弱。因此，要接收这些远距离的信号，也需要更大的接收天线。尽管 DSN 已经装备了非常大的天线，但为了保持与位置更为遥远的航天器的联系，还需要更大的接收能力。

旅行者 1 号从地球上发射后的轨迹。在 1981 年于土星的位置与黄道分道扬镳，转往蛇夫座方向前进至今

📌 无线电波

不同波段的选择依赖于通信任务的具体需求，包括距离、所需的数据传输速度和环境条件。例如，深空探测任务通常倾向于使用 X 波段，因为它们需要高数据传输速度来从遥远的太空传回科学数据。而 S 波段则更适合于近地通信和那些需要较强穿透力的应用，如地球观测和某些类型的雷达。

S 波段

• 频率范围：大约 2-4 GHz

• 波长范围：150.00-75.00 mm（7.5-15 厘米）

• 特点：较长的波长使得 S 波段信号能较好地穿透大气，包括雨滴等障碍，因此在气象监测和航天通信中非常有用

X 波段

• 频率范围：大约 8-12 GHz

• 波长范围：37.50 - 25.00 mm（2.5-3.75 厘米）

• 特点：较短的波长允许信号带宽更宽，传输数据率更高，这对于传输高分辨率图像和大量科学数据非常有用。短波长也意味着更好的分辨率，适合高精度雷达和深空探测任务

📌 信息计量单位

数据存储单位之间的换算关系是按照 2 的幂次进行的。以下是主要的存储单位及其相互之间的换算关系：

1. Bit（比特）：最基本的信息单位，通常用于表示二进制中的一个 0 或 1

2. Byte（字节）：1 byte = 8 bits

3. Kilobyte (KB)（千字节）：1 KB = 1,024 bytes

4. Megabyte (MB)（兆字节）：1 MB = 1,024 KB = 1,048,576 bytes

5. Gigabyte (GB)（吉字节）：1 GB = 1,024 MB = 1,048,576 KB = 1,073,741,824 bytes

6. Terabyte (TB)（太字节）：1 TB = 1,024 GB = 1,048,576 MB = 1,073,741,824 KB

这些单位通常用于描述计算机存储空间或数据大小。换算时，每一级别与上一级别相比，数量级增加 1,024 倍，因为计算机数据存储基于二进制系统。这种换算方式在硬盘、内存和其他存储设备的容量表示中非常常见。

📌 天文单位

天文单位（Astronomical unit，缩写的标准符号为 AU 或 au）是天文学上的长度单位，曾以地球与太阳的平均距离定义。2012 年 8 月，天文学家以无记名投票的方式，把天文单位固定为 149,597,870,700 米。新的天文单位以米（m）来定义，而米的定义来源于真空中的光速。虽然天文单位最初的来源就是日地平均距离，但现在不再与地球与太阳的实际距离挂钩，也不再受时间变化的影响。

天文单位主要用于测量太阳系内或其他恒星周围的距离。它也是另一个天文长度单位秒差距定义的基本组成部分。1 au 相当于 499 光秒，精度在百万分之十以内。

关于 1 au = 499 光秒，在这里有一个换算公式（光速在真空中的速度约为 299,792 公里/秒）：

299,792km/s × 499s = 149,641,208km

时间线

• 1977-09-05：12:56:00 UTC 航天器发射升空

• 1977-12-10：进入主小行星带

• 1977-12-19：超越旅行者 2 号

• 1978-09-08：离开主小行星带

• 1979-01-06：开始木星观测阶段

• 1979-03-05：与木卫系统接触

• 06:54：飞掠阿马尔塞（木卫五），高度 420,200 公里

• 12:05:26：抵达距木星质心最近处，高度 348,890 公里

• 15:14：飞掠埃欧（木卫一），高度 20,570 公里

• 18:19：飞掠欧罗巴（木卫二），高度 733,760 公里

• 1979-03-06

• 02:15：飞掠盖尼米德（木卫三），高度 114,710 公里

• 17:08：飞掠卡里斯托（木卫四），高度 126,400 公里

• 1979-04-13：阶段结束

• 1980-08-22：开始土星观测阶段

• 1980-11-12：与土卫系统接触

• 05:41:21：飞掠泰坦（土卫六），高度 6,490 公里。

• 22:16:32：飞掠忒堤斯（土卫三），高度 415,670 公里。

• 23:46:30：抵达距土星质心最近处，高度 184,300 公里

• 1980-11-13

• 01:43:12：飞掠弥玛斯（土卫一），高度 88,440 公里

• 01:51:16：飞掠恩赛勒达斯（土卫二），高度 202,040 公里

• 06:21:53：飞掠瑞亚（土卫五），高度 73,980 公里

• 16:44:41：飞掠海碧尔琳（土卫七），高度 880,440 公里

• 1980-12-14：阶段结束

• 1980-12-14：延伸任务开始（这是一个重要的分界线，从这里开始，旅行者 1 号开始飞向更遥远的星际空间）

• 1990-02-14：旅行者 1 号拍摄了整个旅行者计划中最后一张照片太阳系全家福

• 1998-02-17：旅行者 1 号超越先锋 10 号，成为距离太阳最遥远的航天器，距离地球约 69.419 AU。旅行者一号每年以超过 1 AU 的速度离开太阳，比先锋 10 号还要快

• 2004-12-17：于距地球 94 AU 处通过终端激波并进入了日鞘

• 2007-02-02：终止了等离子子系统运作

• 2007-04-11：终止了等离子体子系统的加热器

• 2008-01-16：终止了行星无线电天文实验运作

• 2012-08-25：于距地球 121 AU 处越过太阳圈，进入星际空间

• 2014-07-07：进一步确认该探测器已抵达星际空间

• 2016-04-19：终止了紫外光谱仪运作

• 2017-11-28：“轨迹修正机动”（TCM） 推进器自 1980 年 11 月以来首次使用进行了测试

• 2022-07-14：旅行者 1 号已到达距地球的距离为 23.381 × 10⁹ km（14.528 × 10⁹ mi；156.29 AU），距太阳的距离为 23.483 × 10⁹ km（14.592 × 10⁹ mi；156.97 AU）

• 2023-11-14：机载电脑出现问题，导致其无法将可用资料传回地球，工程师开始规划和开发解决方案

• 2024-04-22：工程师通过将代码从损坏的内存芯片中移走，重新建立与探测器的通信

旅行者 2 号

有史以来运行时间最久的星际探测器

旅行者 2 号（Voyager 2）是于 1977 年 8 月 20 日发射的太空探测器，该航天器目前仍在执行研究星际介质的扩展任务，截至 2024 年 4 月，它距地球的距离为 136.2 天文单位（204 亿公里），是有史以来运作时间最久的空间探测器。与姊妹船旅行者 1 号设计基本相同，不同的是旅行者 2 号循一个较慢的飞行轨迹，使它能够保持在黄道（即太阳系众行星的轨道水平面）之中，借此在 1981 年的时候透过土星的引力加速飞往天王星和海王星。也因此而成为了第一艘造访天王星和海王星的航天器，完成了 176 年一遇的行星几何排阵而造访四颗气态巨行星的机会（木星、土星、天王星、海王星及其卫星）。它还是 5 艘达到太阳逃逸速度的航天器中的第 3 艘，这将使它能够离开太阳系。

旅行者 2 号从地球上发射后的轨迹。1989 年在海王星沿黄道运行，现在向南进入孔雀座

金唱片

旅行者金唱片是由 NASA 设计的复杂信息载体，旨在与外星文明进行跨星际通信。它装载在 1977 年发射的旅行者 1 号和 2 号探测器上，这两个探测器计划穿越太阳系并进入星际空间。金唱片的设计灵感来源于先驱者 10 号和 11 号飞船上携带的镀金铝板，记录了它们的起源和发射时间。

金唱片是一张直径 12 英寸的镀金铜盘，被视为一种“时间胶囊”，包含了声音、图像、音乐和多种语言的问候，旨在展示地球上生命和文化的多样性。这张唱片包含 115 幅图像以及来自地球的各种自然声音，如海浪、风声、雷声、鸟鸣和鲸鱼叫声。此外，唱片还收录了不同文化和时代的音乐选择，以及 55 种语言的口头问候。

金唱片上的部分图片截图，图片来自于 NASA

唱片的封面更像一份使用说明书，显示了如何播放唱片以及如何从记录的信号中重构图像。封面上还印有一张脉冲星地图，标出了太阳系相对于 14 个脉冲星的位置，以及一个氢原子的示意图，这些设计帮助解释唱片上的信息和计算时间尺度。

此外，唱片封面还镀有极纯的 铀-238 同位素，半衰期为 44.68 亿年，其放射性衰变可用作一种时间参考，帮助未来的发现者估计自唱片发射以来所经过的时间。

📌 先驱者 10 号

先驱者 10 号是 1972 年 3 月 2 日发射的一艘非载人航天器。它是人类史上第一个安然通过火星与木星之间的小行星带，以及第一个拜访木星的航天器。1983 年 6 月 13 日，它飞越海王星轨道，成为第一个离开八大行星范围的人造物体（第一个离开太阳系的人造物件）。

装嵌在先驱者 10 号上的镀金铝板上刻有一男一女的画像，及一些符号用以表示这艘探测器的来源（氢原子内自旋跃迁、探测器的轮廓、太阳相对于银河系中心及 14 颗脉冲星的位置、太阳系）。

离开太阳系的人造物体

离开太阳系的人造物体列表中都是 NASA 发射的太空探测器及其运载火箭的最上级。其中，旅行者 1 号、旅行者 2 号和新视野号仍在运行并通过无线电通信定期与地球联系；而先锋 10 号和先锋 11 号已经停止运作。这些探测器和部件之所以能离开太阳系，是因为它们的速度（逃逸速度，escape velocity）足以克服太阳的引力，继续向星际空间前进。以下是各探测器的具体信息：

• 先锋 10 号：1972 年发射，1973 年飞越木星，朝向位于金牛座的毕宿五（65 光年外）方向飞去。2003 年 1 月失去联系，估计与地球的距离已经超过了 134 AU。

• 先锋 11 号：1973 年发射，1974 年飞越木星，1979 年飞越土星。1995 年 11 月失去联系，估计已距离地球 111 AU。这艘太空探测器正朝着位于人马座西北部的天鹰座的方向前进。除非发生意外，“先锋 11 号”将在大约 400 万年后从天鹰座的一颗恒星附近经过。

• 旅行者 2 号：1977 年 8 月发射，1979 年飞越木星，1981 年飞越土星，1986 年飞越天王星，1989 年飞越海王星。这艘太空探测器于 2018 年 11 月 5 日在 119 AU 的距离离开日球层前往星际空间。“旅行者 2 号”仍然处于活动状态。它没有朝向任何特定的恒星，然而在大约 40,000 年后，它应该会距离恒星罗斯 248（仙女座 HH）1.7 光年。如果不受干扰，296,000 年它应该会在 4.3 光年的距离处经过天狼星。

• 旅行者 1 号：1977 年 9 月发射，1979 年飞越木星，1980 年飞越土星，特别接近土星的卫星泰坦。2012 年 8 月 25 日，探测器在 121 AU 通过日球层顶，进入星际空间。“旅行者 1 号”仍然处于活动状态。它正朝着与距离地球 17.6 光年的恒星格利泽 445（AC +79 3888）在大约 40,000 年后相遇的方向前进。

• 新视野号：2006 年发射，于 2007 年飞越木星，2015 年 7 月 14 日飞越冥王星。做为古柏带扩展任务（KEM）的一部分，它于 2019 年 1 月 1 日飞越古柏带天体（486958）天空。

旅行者 1 号速度最快，已成为离太阳最远的探测器。旅行者 2 号紧随其后，排名第二。新视野号虽然最后发射，但预计将在未来几个世纪超越先锋系列探测器，但不太可能超越旅行者系列。这些探测器的继续任务和轨迹将提供宝贵的数据，帮助我们了解太阳系之外的空间环境。

暗淡蓝点

“暗淡蓝点”是旅行者 1 号拍摄的著名地球照片之一，地球悬浮在太阳系漆黑的背景中。美国著名天文学家 Carl Sagan 博士因此得到灵感，写成《Pale Blue Dot》一书。

照片在 1990 年由旅行者 1 号拍摄。从大约 60 亿公里的距离看，地球在深空中只是一个小点（红色圆圈中心）

Look again at that dot. That's here. That's home. That's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives. The aggregate of our joy and suffering, thousands of confident religions, ideologies, and economic doctrines, every hunter and forager, every hero and coward, every creator and destroyer of civilization, every king and peasant, every young couple in love, every mother and father, hopeful child, inventor and explorer, every teacher of morals, every corrupt politician, every “superstar,” every “supreme leader,” every saint and sinner in the history of our species lived there--on a mote of dust suspended in a sunbeam.

再来看一眼这个小点。就在这里。这就是家。这就是我们。在这个小点上，每一个你爱的人，每一个你认识的人，每一个你听说过的人，每一个人，无论他是谁，都曾经生活过。我们所有的快乐和挣扎，数以千万自傲的宗教信仰、思想体系观念意识，以及经济学原理教义，每一个猎人或征服者，每一位勇士或是懦夫，每一个文明的缔造者或摧毁者，每一位君王或农夫，每一对陷入爱河的年轻伴侣，每一位为人父母者，所有充满希望的小孩，发明家或探险者，每一位灵魂导师，每一个腐败的政客，每一个所谓的‘超级巨星’，每一个所谓的‘最伟大领袖’，每一位我们人类史上的圣人或是罪人……我们的一切一切，全部都存在于这样一粒悬浮在一束阳光中的尘埃上。

The Earth is a very small stage in a vast cosmic arena. Think of the rivers of blood spilled by all those generals and emperors so that, in glory and triumph, they could become the momentary masters of a fraction of a dot. Think of the endless cruelties visited by the inhabitants of one corner of this pixel on the scarcely distinguishable inhabitants of some other corner, how frequent their misunderstandings, how eager they are to kill one another, how fervent their hatreds.

地球，只是浩瀚宇宙竞技场上一个小小的舞台。想那鲜血流淌成的河流，仍由那些帝王将相挥洒。所以他们的胜利与荣耀，可以让他们成为这样一颗小小点的某一区间上，瞬间而逝的主人。想想有些永无止境的残暴，竟然就发生在这个小点上某个角落里的一群人、与几乎分不出任何区别的同样这一个小点上的另一个角落的另一群人之间。他们之间的误解能有多频繁，他们之间想灭掉对方的愿望能有多迫切，他们之间互相的仇恨能有多炙烈。

Our posturings, our imagined self-importance, the delusion that we have some privileged position in the Universe, are challenged by this point of pale light. Our planet is a lonely speck in the great enveloping cosmic dark. In our obscurity, in all this vastness, there is no hint that help will come from elsewhere to save us from ourselves.

我们的故作深沉，我们想象出来的自我重要性，我们以为自己在宇宙里有什么特权的错觉，一直被这颗发着微弱蓝光的小点挑战着。我们的这颗星球，是一粒孤孤单单的微尘，被包裹在宇宙浩瀚的黑暗中。在我们有限的认知里，在这一片浩瀚之中，没有任何迹象表明救助会从别处而来帮助我们救赎自己。

The Earth is the only world known so far to harbor life. There is nowhere else, at least in the near future, to which our species could migrate. Visit, yes. Settle, not yet. Like it or not, for the moment the Earth is where we make our stand.

目前为止，地球是我们唯一所知有生命居住的世界。没有其他地方——至少是在不远的未来里，可供我们这一物种移民。造访是可以的，但尚不能常驻。不管你喜欢还是不喜欢，目前为止只有地球是我们的立足之地。

It has been said that astronomy is a humbling and character-building experience. There is perhaps no better demonstration of the folly of human conceits than this distant image of our tiny world. To me, it underscores our responsibility to deal more kindly with one another, and to preserve and cherish the pale blue dot, the only home we've ever known.

有人说，天文学是一门令人谦卑的、同时也是塑造性情的学问。也许没有什么能比从遥远太空拍摄到的我们微小世界的这张照片，更能展示人类的自负有多愚蠢。对我而言，这也是在提醒我们的责任所在：更和善的对待彼此，并维护和珍惜这颗暗蓝色的小点——这个我们目前所知唯一的家园。

注：这篇文章信息量很大，从整理资料到写成此文花费了几天时间。如果大家喜欢我写科普类文章，可以在评论区留言。如果对你有所帮助，也欢迎点赞或转发 ❤️。

参考链接

• Voyager’s Grand Tour: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20170009181/downloads/20170009181.pdf

• Voyager probes beam back universe’s puzzle pieces, NASA scientist says: https://cybernews.com/editorial/linda-spilker-discusses-nasa-voyager-probe

• Voyager 1 (wiki): https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1

• Voyager 2 (wiki): https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_2

• The Golden Record: https://voyager.jpl.nasa.gov/golden-record

• Gravity assist: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist

• List of artificial objects leaving the Solar System: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_artificial_objects_leaving_the_Solar_System