Еще летом 1974 г. технические специалисты Сети дальней связи DSN заключили, что именно наземные средства являются тем слабым звеном, которое может положить предел полезной работе «Пионера-10». Запаса гидразина по расчетам хватало для ориентации КА антенной в сторону Земли до 1989 г. включительно. Снимаемая с РИТЭГов мощность должна была упасть ниже уровня 94,6 Вт, обеспечивающего питание служебных систем и шести научных приборов, в 1983 г. А вот возможностей 64-метровых антенн с приемниками типа Block III по получению информации должно было хватить лишь до конца марта 1979 г., когда «Пионер-10» удалился бы от Солнца на 19 а.е. К этому моменту мощность несущей частоты принимаемого сигнала должна была упасть до –164,5 дБ; правда, в расчет закладывался некий «коэффициент пессимизма» величиной в 1 дБ.
Как это делается: децибелы и дистанции
С удалением от Земли приходящий сигнал ослабевает пропорционально квадрату расстояния. Та часть излучаемого сигнала, что собирается «тарелкой» приемной антенны с дистанции 5 а.е., с удалением до 10 а.е. распределяется на вчетверо бóльшую площадь, так что попадающая в антенну часть сигнала уменьшается вчетверо.
Радисты предпочитают использовать логарифмическую шкалу: если мощность изменилась в десять раз, они говорят – на 10 децибел (дБ), а если только в четыре раза – то на 6 дБ. Усиление сигнала на 1 дБ соответствует приросту мощности на 26 % – или же компенсирует увеличение расстояния примерно на 12 %.
«Единичным» уровнем мощности принимаемого сигнала в американской литературе в силу исторических причин считается 1 милливатт (мВт), ему соответствует отметка 0 дБ логарифмической шкалы. Таким образом, при уровне –164,5 дБ сигнал в 28 × 1015 раз слабее, чем «эталонный» 1 мВт. (В советской литературе было принято считать 0 дБ синонимом мощности 1 Вт – еще один источник разночтений…)
Бортовой передатчик «Пионера-11» имеет мощность 8 Вт, что соответствует уровню 39 дБ. Коэффициент ослабления сигнала с расстоянием составляет –288,5 дБ для дальности 19 а.е. и частоты S-диапазона. Отчасти его компенсирует усиление двух антенн – бортовой (33 дБ) и наземной (примерно 61,4 дБ). Учитываем потери на передачу и прием (–2,5 дБ) и на модуляцию несущей (–6,9 дБ). Итого полная мощность принимаемого сигнала составит –157,6 дБ, а мощность несущей –164,5 дБ. Наш оценочный расчет сошелся с профессиональным.
Сходным образом должен быть сведен баланс и в части выделения информации из принимаемого сигнала. Берем найденную выше полную мощность принятого сигнала (–157,6 дБ), вычитаем логарифм от скорости передачи информации, выраженный в децибелах, учитываем потери, и вот мы нашли эффективную энергию на бит передаваемой информации. Если она превышает с некоторым запасом спектральную плотность шума используемого приемника (–184,1 дБ), то информацию удастся принять. Для нашего случая баланс все еще сходится при 64 бит/с.
Конечно, нет необходимости всякий раз проводить весь расчет заново, всегда можно «танцевать» от достигнутого. Допустим, мы принимали сигнал от Юпитера (5,2 а.е. от Земли) на 64-метровую антенну на скорости 1024 бит/с, имея резерв 2 дБ. Долетаем до Сатурна (10,4 а.е.): мощность сигнала падает на 6 дБ, вместо резерва имеем дефицит в 4 дБ. Поднять мощность бортового передатчика мы не можем, точнее ориентировать КА на Землю – тоже. Можно нарастить приемную антенну, если позаботиться об этом заранее, ну и с тем, что дошло до «тарелки», реально поработать, улучшая приемный тракт и вытягивая из всех его элементов недостающие 4 дБ.
«Пионер-11» после пролета Юпитера 3 декабря 1974 г. и вплоть до встречи с Сатурном должен был оставаться в пределах 10 а.е. от Земли, так что потеря связи ему не грозила, как и нехватка электроэнергии: к Сатурну он должен был прийти со 117 Вт вырабатываемой мощности. Проблема заключалась в съемке планеты. Чтобы получить полноценные цветные изображения размером примерно 500 × 500 точек, как и при встрече с Юпитером, нужно было сохранить скорость передачи 1024 бит/с. Расчеты же показывали, что при сближении с Сатурном в сентябре 1979 г. и величина 512 бит/с – на грани возможного.
Руководители проекта рассчитывали на строительство в Голдстоуне второй 64-метровой антенны. Совместное использование двух антенн с совмещением фаз принимаемого сигнала обещало солидную прибавку в 3 дБ в энергетике радиоканала и позволяло сохранить желаемую скорость 1024 бит/с.
Первый эксперимент такого рода был проведен еще 21 сентября 1974 г. во время пролета «Маринера-10» у Меркурия. Участвовали 64-метровая антенна DSS-14 и две 26-метровые, принимаемые сигналы объединялись импровизированным коррелятором фаз. Тогда разработчики заявили об улучшении соотношения сигнал/шум на 0,7 дБ.
К сожалению, средства на строительство второй 64-метровой антенны выделены не были, и пришлось искать иные возможности для усовершенствования приемной части.
Уменьшение с 12 до 3 Гц ширины полосы фильтра в контуре автоподстройки приемника обещало 1 дБ прибавки. Использование облучателя с меньшей шумовой температурой (18,5 К вместо 22 К в зенитной области и 28 К у горизонта) позволяло выиграть примерно 0,75 дБ. Наконец, можно было снизить уровень шума еще на 0,9 дБ, если использовать 64-метровую станцию только на прием, а для передачи задействовать вторую антенну.
Необходимые эксперименты провели осенью 1975 г. на 26-метровой станции DSS-11 в Калифорнии. На ней установили экспериментальный малошумящий облучатель и получили добавку в 0,7 дБ. Доработали приемник, поставив фильтр с полосой 3 Гц, и в сеансе 4 октября это принесло 1 дБ в силе сигнала.
К началу 1976 г. все 64-метровые антенны оснастили новыми приемниками типа Block IV, имеющими такой режим работы. Эти три станции могли теперь обеспечивать полет «Пионера-10» до начала 1981 г., а антенна DSS-11 – до конца 1977 г. Однако на 64-метровые антенны был большой спрос; в частности, весной и летом 1979 г. они были по уши загружены «Вояджерами». Чтобы в этот период «Пионер-11» не остался без связи, решено было оснастить двумя оставшимися трехгерцовыми фильтрами две 26-метровые станции в Австралии и Испании. Это позволяло поддерживать круглосуточный контакт с КА хотя бы на скорости 16 бит/с вплоть до его встречи с Сатурном в сентябре 1979 г.
Стоит добавить, что 23 мая 1974 г. опробовали первую очередь новой наземной системы прямого управления «Пионерами». Раньше команды уходили на борт лишь с компьютеров Лаборатории реактивного движения, которой подчинялась сеть DSN, а вот принятые данные сразу пересылались в Центр Эймса для обработки. Теперь в Маунтин-Вью появился собственный комплекс на двух компьютерах PDP-11, позволяющий генерировать команды и пересылать их на выделенную по графику наземную станцию для отправки на борт в нужный момент времени. На время сеанса управляющий компьютер этой станции подчинялся компьютеру Центра Эймса.
Управление «Пионером-10» перевели на новую систему с 1 сентября 1974 г. Что же касается второго аппарата, то сближение с Юпитером на всякий случай провели по старой схеме и переключились на новую с 15 января 1975 г.
«Пионер-11» прошел мимо Юпитера с заметным и неизбежным отклонением от расчетной траектории. Опоздание в перицентре составило 20 секунд, и это не было удивительно: даже после визита «Пионера-10» и уточнения массы самой планеты и ее спутников положение Юпитера удавалось предсказывать лишь с точностью порядка 300 км. Навигационные измерения после ухода из окрестностей планеты показали, что станция пройдет примерно в 1,7 млн км от Сатурна. Его координаты пока рассчитывались с ошибкой до 1200 км, и уточнить модель движения шестой планеты до прибытия «Вояджеров» было очень важно.
