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 × 10>15 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.