旅行者1號「復活」：世界最慢的電腦，被成功修復了

机器之心發表於2024-04-28

一臺 46 年前的計算機，在 240 億公里之外，修好了。

這是一件浪漫的事。

經歷了五個月令人緊張的「失聯」之後，240 億公里之外的旅行者 1 號宇宙飛船（Voyager 1）被成功修復，順利發回了資料。

本週一，美國宇航局 NASA 宣佈：在經過一些創造性的措施之後，旅行者 1 號任務團隊五個月以來第一次收到了有效資料，我們現在已經能夠檢查現存最遙遠的人造物體的健康狀況與狀態了。

自去年 11 月以來，旅行者 1 號宇宙飛船首次發回了有關其機載工程系統健康狀況和狀態的可用資料。科學家們表示，下一步是讓宇宙飛船能夠再次開始返回科學資料。該探測器及其孿生的旅行者 2 號是目前唯二在星際空間（恆星之間的空間）飛行的人造航天器。

旅行者 1 號於去年 11 月 14 日開始出現資料傳輸錯誤，停止向地球傳送可讀的科學和工程資料，任務控制人員僅可以得知該航天器仍在接收命令，並且在其他方面正常執行。

能接收訊號，但只返回亂碼，這就給工程師們出了一道難題。

艱難的修復過程

今年 3 月，位於南加州的 NASA 噴氣推進實驗室（JPL）的旅行者工程團隊證實，該問題與航天器的三臺機載計算機之一，飛行資料子系統 FDS 有關。FDS 負責將科學和工程資料傳送到地球之前將其打包。

^{4 月 20 日，在五個月來首次收到有關旅行者 1 號健康和狀態的資料後，工程團隊成員在 NASA 噴氣推進實驗室的會議室裡慶祝。}

當時，工程師們發出了一個新的指令來「戳一下」旅行者 1 號的 FDS，讓其返回記憶體讀數，從而取得了突破。該讀數使工程師能夠查明 FDS 記憶體中問題的位置。

該團隊發現負責儲存部分 FDS 記憶體（包括部分 FDS 計算機軟體程式碼）的單個晶片無法工作，這可能是由於宇宙射線撞擊或硬體老化故障所致。程式碼的丟失導致科學和工程資料無法使用。由於遠端無法修復晶片硬體，該團隊決定將受影響的程式碼放置在 FDS 記憶體的其他位置。

大約只有 3% 的 FDS 記憶體被壞晶片影響，但 NASA 表示，沒有一個足夠大的新位置來容納完整的程式碼。其實自 11 月 14 日出問題以來，旅行者 1 號收集的所有科學資料均已丟失——該飛船沒有能力儲存科學資料。

因此，工程師們制定了一個計劃，將受影響的程式碼劃分為多個部分，並將這些分塊儲存在 FDS 中的不同位置。這不僅僅是複製貼上的事：為使該計劃奏效，他們還需要調整這些程式碼分塊，以確保它們仍然作為一個整體來執行；FDS 記憶體其他部分中對該程式碼位置的任何引用也需要更新。

^{航行者 1 號宇宙飛船飛行資料子系統計算機在 20 世紀 70 年代的掃描照片。}

該團隊首先挑選出負責打包航天器工程資料的程式碼。他們於 4 月 18 日將其傳送到 FDS 記憶體中的新位置。值得一提的是，無線電訊號大約需要 22.5 小時才能到達旅行者 1 號，雖然傳輸的速度是光速，但該探測器目前已距離地球超過 240 億公里——返回的訊號也需要 22.5 小時才能回到地球。

一個來回，兩天時間過去了。

頻寬是多少？由於距離遙遠，雖然 NASA 不斷擴充套件深空探測網路（Deep Space Network），但終究敵不過物理規律，如今旅行者 1 號的下行傳輸速率是 160 bps，每秒只能傳 160 bit。相比之下，使用新一代 iPhone 拍攝的普通照片大約佔用 25 MB。如果旅行者 1 號向地球傳輸這樣一張圖，大約需要 43 到 173 小時。

FDS 上出問題的資料流有關航天器狀態的資訊，例如功率水平和溫度測量值。

其實，旅行者 1 號的計算機至今保持著「連續開機時長最長計算機」的吉尼斯世界紀錄，自 1977 年發射後一直工作到現在沒斷過電，連續開機時長 40.8 萬個小時。

當任務飛行團隊於 4 月 20 日收到飛船的回覆時，終於傳來了好訊息：人們發現修復方式有效。五個月來他們第一次能夠檢查飛船的健康狀況和狀態。NASA 表示，重寫 FDS 系統丟失程式碼其餘部分的額外命令計劃在未來幾周內釋出。

這可以稱得上是目前人類使用的最慢的電腦，被修復成功了。

值得一提的是，改程式碼的方式也很原始。在美國宇航局，如今大多數宇宙探測器任務在地面上都有硬體和軟體模擬器，工程師可以在其中測試新程式，以確保它們在將命令上傳到真實航天器時不會造成傷害。但由於年代久遠，旅行者 1 號沒有任何地面模擬器，而且該任務的大部分原始設計文件仍然是紙質的，尚未數字化。

「看程式碼真的是隻用眼睛看，」NASA 噴氣推進實驗室旅行者專案航天器科學家 Linda Spilker 說道。「所以我們必須進行三次檢查。每個人都在仔細檢查並確保我們將所有連結放在一起。」

旅行者 1 號，經歷了什麼

旅行者 1 號的發射時間是 1977 年 9 月，同一年份釋出的消費級計算機是 Apple II。從很多角度來看，它都稱得上是一個科學傳奇。

迄今為止，旅行者 1 號已經在宇宙中飛行了 46 年又 7 個月。旅行者 1 號目前在沿雙曲線軌道飛行，並已經達到了第三宇宙速度，這意味著它的軌道再也不能引導航天器飛返太陽系了。

^{旅行者 1 號從地球上發射後的軌跡。它在 1981 年於土星的位置與黃道分道揚鑣，轉往蛇夫座方向前進至今。}

它由噴氣推進實驗室設計建造，其配有姿態調節控制子系統（ACS），包含 16 個聯氨推進器、三軸穩定陀螺儀，以及將探測器的無線電天線指向地球的儀器。該系統還包括了大多數儀器的冗餘單元和 8 個備用推進器。旅行者 1 號還擁有 11 個科學儀器，用於研究如行星等在太空中飛行時可能會遇到的天體。

旅行者 1 號原先設計的主要目標是探測木星、土星及其衛星與光環，設計壽命僅為 4 年。透過引力彈弓的方式，旅行者 1 號充分利用了 176 年一遇的行星幾何排列，僅使用較少燃料陸續造訪了木星、土星、天王星和海王星。它現在的任務已變為探測太陽風頂，以及對太陽風進行粒子測量。

^{旅行者 1 號是目前距離人類最遠的航天器。航行者 2 號是第二遠的航天器，它們在朝不同的方向飛行。}

多年來，NASA 一直利用旅行者 1 號來研究宇宙射線、磁場和星際空間中的等離子體環境，它已為人類帶來了大量科研成果，也從宇宙深處帶回了壯觀的太空影像，包括木星上的大紅斑、木衛一上的活火山。

那張廣為人知的暗淡藍點（Pale Blue Dot）照片也是其中之一，它是在 1990 年 2 月 14 日，旅行者 1 號徹底關閉其相機之前看往地球的最後一眼。

^{旅行者 1 號拍攝的照片《暗淡藍點》。}

當時，美國天文學家卡爾・薩根說服了 NASA 讓控制中心發出指令，指示旅行者 1 號向後看以拍攝它所探訪過的行星。其中一張拍攝到了地球，在 64 億公里外地球只是太陽光束上的一個小點——這是我們目前所知唯一的家園。

與大多數依靠太陽能板的人造探測裝置不同，兩艘旅行者號探測器都是以三塊放射性同位素熱電機（RTG）作為動力來源。這些「電池」目前已經大大超出了設計壽命，一般認為它們會在大約 2030 年之前仍然保持令航天器能夠與地球聯絡的能源。此外，鈽核電池能夠保證旅行者號上搭載的科學儀器繼續工作至 2025 年。

^{RTG 燃料容器示意圖，其中的球形物是鈽 - 238 氧化物球體。}

隨著多年來外太空的惡劣環境影響，以及電池功率的降低，NASA 已經陸續關閉了 11 臺科學儀器中的 6 臺。

旅行者 1 號能夠再執行多久，這本身也是一個科學實驗。旅行者1號「復活」：世界最慢的電腦，被成功修復了

一旦電池耗盡，旅行者 1 號仍將繼續向銀河系中心前進，但無法再向地球發回資料。

但迄今為止，傳奇仍在繼續。

^{參考內容：}

^{https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-voyager-1-resumes-sending-engineering-updates-to-earth}

^{https://arstechnica.com/space/2024/04/recoding-voyager-1-nasas-interstellar-explorer-is-finally-making-sense-again/}

^{https://www.scientificamerican.com/article/after-months-of-gibberish-voyager-1-is-communicating-well-again/}

旅行者1號「復活」：世界最慢的電腦，被成功修復了

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