В первом приближении изменение частоты Δf = f ∙ v/c, где v – лучевая скорость, f – частота передатчика, c – скорость света. При удалении источника частота снижается так же, как у звуковых сигналов в быту. Поскольку приемник находится на движущейся и вращающейся Земле, а источник – на движущемся КА, величина Δf все время плавно и предсказуемо изменяется. В случае если КА проводит коррекцию траектории, быстрый дополнительный сдвиг частоты четко проявляется на графике принимаемого сигнала.
Космические аппараты оснащаются высокостабильными генераторами сигнала с заданной частотой, что в принципе позволяет проводить односторонние доплеровские измерения. Однако на практике невозможно определить, как изменяются реальные характеристики бортового передатчика в ходе длительного полета, поэтому точность такого метода невелика.
Двусторонний доплеровский режим, еще называемый каскадным или когерентным, также возможен – и он был реализован на «Пионерах» и затем на «Вояджерах». В этом режиме частота бортового передатчика синтезируется на борту исходя из принимаемой частоты сигнала путем умножения на стандартную константу – для S-диапазона она равна 240/221. При этом доплеровский сдвиг удваивается, зато исходная и полученная частоты фиксируются с равной степенью точности, и погрешность измерений резко снижается – вплоть до 1 мм/с лучевой скорости и лучше.
Доплеровские измерения используются для определения параметров траектории и для прогноза условий последующих сеансов связи и управления.
7 марта на расстоянии 4 млн км от Земли провели первую коррекцию траектории полета. Цель операции – скомпенсировать ошибку выведения и обеспечить прибытие к Юпитеру в выбранный день, с правильной стороны и с ошибкой точки прицеливания в B-плоскости не более 25 000 км. По результатам измерений и моделирования требуемое приращение скорости составляло 13,45 м/с, но отработать его одним импульсом не получалось, так как для этого пришлось бы отвернуть ось КА от направления на Землю на угол 76°, и был риск потери связи через антенну MGA. Пришлось запланировать два последовательных разнонаправленных импульса с семичасовым интервалом. Первый проводился с предельно допустимым отклонением оси на 45°, он начался в 12:20, продолжался 487 секунд и дал приращение скорости 18,46 м/с на разгон. Второе включение, уже с ориентацией оси на Землю, выполнили в 19:31 на 256 секунд и получили 9,03 м/с на торможение. Векторная сумма двух импульсов оказалась близка к требуемой – 13,6 м/с. Время прибытия к цели приблизилось на девять часов.
Вторую коррекцию выполнили 23–24 марта, опять же, в два импульса – около 22:00 и 12:00 UTC. Их величины были 1,18 м/с в направлении от Земли и затем 2,14 м/с на торможение под предельным углом отклонения 24°, что соответствовало суммарному импульсу 1,16 м/с. Цель маневра состояла в том, чтобы свести к минимуму ошибки точки прицеливания в пространстве и желаемого момента прибытия. Коррекция сдвинула перицентр на 12 575 км ближе к планете, а время пролета сместилось на 2 ч 36 мин вперед от текущего прогноза, а именно на момент 02:33 UTC.
Стоит заметить, что маневрировать «Пионеру» приходилось в условиях значительной неопределенности. Во-первых, выбор точки прицеливания ограничивался неточностью модели движения планет Солнечной системы: в это время положение самого Юпитера, а значит, и его спутников, включая Ио, умели прогнозировать лишь с погрешностью около 1400 км. Во-вторых, специалисты пока не могли оценить, как будет меняться ожидаемое время прибытия с учетом плохо прогнозируемых факторов негравитационного характера, таких как давление солнечного света на КА. Пока отклонение на семь минут от оптимального момента устраивало навигаторов, но нужно было посмотреть, как этот прогноз будет меняться со временем. Оставшегося запаса скорости в 170 м/с было более чем достаточно для компенсации любых отклонений.
Тем временем 5 марта на КА начал работать телескоп космических лучей CRT, а 10 марта включили фотополяриметр IPP. К 13 марта функционировала уже вся научная аппаратура, за исключением ИК-радиометра, который проверили в первой половине мая. Он был особенно чувствителен к засветке Солнцем, которая на начальном этапе полета была очень значительной. Ось вращения изначально была направлена на Землю, и угол между нею и направлением на Солнце был равен 26°. Чтобы «зонтик» антенны HGA лучше затенял служебную аппаратуру и аккумуляторную батарею, ось вращения пришлось даже немного отвернуть от Земли, тем более что пока связь шла через антенну MGA с достаточно широким лучом.
Многих участников проекта беспокоила зона вблизи орбиты Марса, где в 1963 и 1965 гг. прекратили работу советские аппараты «Марс-1» и «Зонд-2», а 30 июля 1969 г. на семь часов прервалась связь с американским «Маринером-7». Последнее событие, случившееся за шесть суток до встречи с Марсом, было очень похоже на результат столкновения с крупной пылевой частицей. С учетом прежнего опыта – причины отказов двух советских станций в США не знали – саму эту область вроде бы в шутку (но не совсем) называли местом обитания Великого галактического вампира. Если говорить всерьез, то одной частицы диаметром 0,5 мм и выше было бы достаточно, чтобы существенно повредить земной зонд.
«Пионер-10», однако, нашел между орбитами Земли и Марса лишь мельчайшие пылевые частицы, распределенные довольно равномерно, но с «провалом» концентрации между отметками 1,14 и 1,34 а.е. К 5 мая 1972 г. они повредили 41 ячейку прибора MD из 108 имеющихся
[26]. Число пробоев было вдвое больше, чем ожидали постановщики, но быстро уменьшалось с расстоянием от Солнца. Четыре телескопа прибора AMD тем временем зафиксировали первые 20 объектов.
Фотополяриметр IPP подтвердил, что именно эти вездесущие пылинки, а не какой-то особый пылевой хвост Земли, ответственны за противосияние – слабое свечение области неба, противоположной Солнцу. Доказательство было вполне наглядным – светящаяся область смещалась по мере движения аппарата и не была привязана к Земле, ушедшей вперед по орбите. Помимо этого, уже в мае провели пробные наблюдения Меркурия и Юпитера в режиме поляриметра, то есть с измерениями интенсивности и поляризации света.
25 мая 1972 г. станция благополучно вышла за орбиту Марса, покинув уже знакомую земным аппаратам зону Солнечной системы, а 15 июля пересекла условную границу пояса астероидов в 1,8 а.е. от Солнца. Вероятность его успешного прохождения в проекте оценивалась в 90 %, хотя реальной обстановки в этой области никто еще не знал. Первая задача «Пионера-10» как раз и состояла в том, чтобы изучить потенциальные опасности на месте.
Никаких попутных съемок не планировали, чтобы не добавлять ненужного риска, а потому «Пионер-10» спокойно прошел на расстоянии 8,8 млн км от ближайшего известного астероида. Первой на пути ему встретилась безымянная планетка диаметром 1 км из Паломар-Лейденского обзора неба – это произошло уже 2 августа. Вторым был довольно крупный (24 км) астероид Ника – станция миновала его 2 декабря.
