الاتصال بالفضاء السحيق: كيف تقوم ناسا بتسريع الاتصال بين الكواكب

"لا يوجد مكان تقريبًا لتحسين التكنولوجيا التي تعمل على ترددات الراديو. نهاية الحلول السهلة "

في 26 نوفمبر 2018 في تمام الساعة 22:53 مساءً بتوقيت موسكو ، نجحت وكالة ناسا مرة أخرى - هبط مسبار InSight بنجاح على سطح المريخ بعد مناورات العودة والهبوط والهبوط ، والتي أطلق عليها فيما بعد "ست دقائق ونصف من الرعب". وصف مناسب ، لأن مهندسي ناسا لم يتمكنوا على الفور من معرفة ما إذا كان المسبار الفضائي قد هبط بنجاح على سطح الكوكب ، بسبب التأخير الزمني في الاتصالات بين الأرض والمريخ ، والذي كان حوالي 8,1 دقيقة. خلال هذه النافذة ، لم تتمكن InSight من الاعتماد على هوائياتها الأكثر حداثة وقوة - فكل شيء يعتمد على اتصالات UHF القديمة (لطالما استخدمت هذه الطريقة في كل شيء من البث التلفزيوني وأجهزة الاتصال اللاسلكي إلى أجهزة Bluetooh).

نتيجة لذلك ، تم إرسال البيانات الهامة عن حالة InSight على موجات الراديو بتردد 401,586 ميغاهرتز إلى قمرين صناعيين -كوبساتاو WALL-E و EVE ، والتي تنقل البيانات بعد ذلك بسرعة 8 كيلوبت في الثانية إلى هوائيات يبلغ قطرها 70 مترًا موجودة على الأرض. تم إطلاق المكعبات على نفس الصاروخ مثل InSight ، ورافقوه في رحلته إلى المريخ لمراقبة الهبوط ونقل البيانات إلى الوطن على الفور. سفن أخرى تدور حول المريخ مثل ساتل استطلاع المريخ (MRS) ، كانت في وضع غير مريح ولم تتمكن في البداية من تقديم رسائل في الوقت الفعلي مع المسبار. كي لا نقول إن الهبوط بالكامل اعتمد على اثنين من الأقمار الصناعية التجريبية بحجم حقيبة السفر لكل منهما ، ولكن MRS لن تكون قادرة إلا على نقل البيانات من InSight بعد انتظار أطول.

وضع هبوط InSight في الواقع بنية اتصالات ناسا بالكامل ، "شبكة المريخ" ، على المحك. كانت الإشارة من مركبة الهبوط InSight ، المرسلة إلى الأقمار الصناعية المدارية ، ستصل إلى الأرض على أي حال ، حتى لو فشلت الأقمار الصناعية. كانت هناك حاجة إلى WALL-E و EVE لنقل المعلومات بشكل فوري ، وقد فعلوا ذلك. إذا لم يعمل هؤلاء الكوبسات لسبب ما ، فإن MRS كانت مستعدة للعب دورهم. عمل كل واحد منهم كعقدة على شبكة تشبه الإنترنت ، حيث قام بتوجيه حزم البيانات عبر محطات طرفية مختلفة مكونة من معدات مختلفة. اليوم ، أكثرها كفاءة هي MRS ، القادرة على نقل البيانات بسرعات تصل إلى 6 ميغابت في الثانية (وهذا هو السجل الحالي للمهام بين الكواكب). ومع ذلك ، كان على ناسا أن تعمل بسرعات أبطأ بكثير في الماضي - وستحتاج إلى نقل بيانات أسرع بكثير في المستقبل.

مثل ISP الخاص بك ، تسمح NASA لمستخدمي الإنترنت تحقق من التواصل مع المركبات الفضائية في الوقت الحقيقي.

شبكة الفضاء السحيق

مع تزايد وجود وكالة ناسا في الفضاء ، تظهر أنظمة الاتصال المحسنة باستمرار ، وتغطي المزيد والمزيد من الفضاء: أولاً كان مدارًا منخفضًا حول الأرض ، ثم مدارًا متزامنًا مع الأرض والقمر ، وسرعان ما توغلت الاتصالات في الفضاء. بدأ كل شيء باستخدام راديو محمول باليد استخدم القواعد العسكرية الأمريكية في نيجيريا وسنغافورة وكاليفورنيا لتلقي القياس عن بعد من Explorer 1 ، وهو أول قمر صناعي أطلقه الأمريكيون بنجاح في عام 1958. ببطء ولكن بثبات ، تطور هذا الأساس إلى أنظمة المراسلة المتقدمة اليوم.

يسلط دوغلاس أبراهام ، رئيس قسم التنبؤ الاستراتيجي والأنظمة في مديرية الشبكة بين الكواكب التابعة لوكالة ناسا ، الضوء على ثلاث شبكات مطورة بشكل مستقل للرسائل في الفضاء. تعمل شبكة الأرض القريبة من المركبات الفضائية في مدار أرضي منخفض. يقول أبراهام: "إنها مجموعة من الهوائيات ، معظمها من 9 أمتار إلى 12 مترًا. وهناك عدد قليل من الهوائيات الكبيرة ، من 15 إلى 18 مترًا". ثم ، فوق مدار الأرض المتزامن مع الأرض ، هناك العديد من أقمار التتبع والبيانات (TDRS). يوضح أبراهام: "يمكنهم النظر إلى الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض والتواصل معهم ، ثم نقل هذه المعلومات عبر TDRS إلى الأرض". "يسمى نظام نقل البيانات عبر الأقمار الصناعية بشبكة ناسا الفضائية."

ولكن حتى TDRS لم يكن كافياً للتواصل مع مركبة فضائية تجاوزت مدار القمر إلى كواكب أخرى. لذلك كان علينا إنشاء شبكة تغطي النظام الشمسي بأكمله. وهذه هي شبكة الفضاء العميق DSN ، كما يقول أبراهام. شبكة المريخ هي امتداد DSN.

نظرًا للمدى والخطط ، يعد DSN أكثر الأنظمة المدرجة تعقيدًا. في الواقع ، هذه مجموعة من الهوائيات الكبيرة ، قطرها من 34 إلى 70 مترًا. يحتوي كل موقع من مواقع DSN الثلاثة على عدة هوائيات 34 مترًا وهوائي 70 مترًا. يقع أحد المواقع في جولدستون (كاليفورنيا) ، والآخر بالقرب من مدريد (إسبانيا) ، والثالث في كانبيرا (أستراليا). تقع هذه المواقع على بعد 120 درجة تقريبًا حول العالم ، وتوفر تغطية على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع لجميع المركبات الفضائية خارج المدار المتزامن مع الأرض.

34m هوائيات هي المعدات الأساسية لـ DSN وتأتي في نوعين: هوائيات قديمة عالية الكفاءة وهوائيات جديدة نسبيًا للدليل الموجي. الفرق هو أن هوائي الدليل الموجي يحتوي على خمس مرايا RF دقيقة تعكس الإشارات أسفل الأنبوب إلى غرفة التحكم تحت الأرض ، حيث تكون الأجهزة الإلكترونية التي تحلل تلك الإشارات محمية بشكل أفضل من جميع مصادر التداخل. يمكن للهوائيات التي يبلغ طولها 34 مترًا ، والتي تعمل بشكل فردي أو في مجموعات من 2-3 أطباق ، توفير معظم الاتصالات التي تحتاجها وكالة ناسا. ولكن بالنسبة للحالات الخاصة التي تصبح فيها المسافات طويلة جدًا بالنسبة لعدد قليل من الهوائيات 34 مترًا ، تستخدم إدارة DSN 70 مترًا من الوحوش.

يقول أبراهام عن الهوائيات الكبيرة: "إنهم يلعبون دورًا مهمًا في عدة حالات". الأول هو عندما تكون المركبة الفضائية بعيدة جدًا عن الأرض بحيث يكون من المستحيل إقامة اتصال معها باستخدام طبق أصغر. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك مهمة نيو هورايزونز ، التي طارت بالفعل إلى ما بعد بلوتو ، أو المركبة الفضائية فوييجر ، التي تقع خارج النظام الشمسي. فقط الهوائيات التي يبلغ طولها 70 مترًا هي القادرة على الوصول إليها وتسليم بياناتها إلى الأرض ، "يوضح أبراهام.

تُستخدم الأطباق التي يبلغ طولها 70 مترًا أيضًا عندما تكون المركبة الفضائية غير قادرة على تشغيل الهوائي المعزز ، إما بسبب موقف حرج مخطط له مثل الدخول المداري ، أو بسبب حدوث خطأ ما. على سبيل المثال ، تم استخدام الهوائي البالغ طوله 70 مترًا لإعادة أبولو 13 بأمان إلى الأرض. كما تبنت عبارة نيل أرمسترونج الشهيرة ، "خطوة صغيرة للإنسان ، خطوة عملاقة للبشرية". وحتى اليوم ، لا يزال DSN هو نظام الاتصال الأكثر تقدمًا وحساسية في العالم. يحذر إبراهيم: "لكن لأسباب عديدة ، وصل بالفعل إلى حدوده القصوى". "لا يوجد مكان تقريبًا لتحسين التكنولوجيا التي تعمل على ترددات الراديو. الحلول البسيطة آخذة في النفاد ".

ثلاث محطات أرضية تفصل بينها 120 درجة

لوحات DSN في كانبرا

مجمع DSN في مدريد

DSN في غولدستون

غرفة التحكم في مختبر الدفع النفاث

الراديو وما يأتي بعده

هذه القصة ليست جديدة. يتكون تاريخ اتصالات الفضاء السحيق من صراع مستمر لزيادة الترددات وتقصير الأطوال الموجية. يستخدم Explorer 1 ترددات 108 ميجا هرتز. ثم قدمت وكالة ناسا هوائيات أكبر وأفضل اكتسابًا تدعم الترددات من النطاق L ، من 1 إلى 2 جيجاهرتز. ثم جاء دور الـ S-band ، بترددات من 2 إلى 4 جيجا هرتز ، ثم تحولت الوكالة إلى النطاق X ، بترددات 7-11,2 جيجا هرتز.

اليوم ، تخضع أنظمة الاتصالات الفضائية لتغييرات مرة أخرى - فهي الآن تنتقل إلى النطاق 26-40 جيجاهرتز ، النطاق Ka. يقول أبراهام: "السبب في هذا الاتجاه هو أنه كلما كانت الأطوال الموجية أقصر وكلما زادت الترددات ، زادت معدلات البيانات التي يمكنك الحصول عليها".

هناك أسباب للتفاؤل ، بالنظر إلى أن سرعة تطوير الاتصالات في وكالة ناسا كانت عالية جدًا تاريخيًا. تستشهد ورقة بحثية صدرت عام 2014 من مختبر الدفع النفاث ببيانات الإنتاجية التالية للمقارنة: إذا استخدمنا تقنيات اتصالات Explorer 1 لنقل صورة iPhone نموذجية من كوكب المشتري إلى الأرض ، فسيستغرق الأمر 460 مرة أطول من الكون الحالي. كان الرواد 2 و 4 من الستينيات قد استغرقوا 1960 سنة. كان مارينر 633 من عام 000 قد فعل ذلك في 9 ساعة. اليوم سوف تستغرق لجنة السياسة النقدية ثلاث دقائق.

المشكلة الوحيدة ، بالطبع ، هي أن كمية البيانات التي تتلقاها المركبات الفضائية تنمو بنفس السرعة ، إن لم تكن أسرع من النمو في قدرات الإرسال. على مدار 40 عامًا من التشغيل ، أنتج فويجرز 1 و 2 5 تيرابايت من المعلومات. سينتج القمر الصناعي NISAR Earth Science ، المقرر إطلاقه في عام 2020 ، 85 تيرابايت من البيانات شهريًا. وإذا كانت الأقمار الصناعية للأرض قادرة تمامًا على القيام بذلك ، فإن نقل مثل هذا الحجم من البيانات بين الكواكب هو قصة مختلفة تمامًا. حتى نظام MRS السريع نسبيًا سينقل 85 تيرابايت من البيانات إلى الأرض لمدة 20 عامًا.

يقول أبراهام: "معدلات نقل البيانات المقدرة لاستكشاف المريخ في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين وأوائل العقد الثالث من القرن الحادي والعشرين ستكون 2020 ميجابت في الثانية أو أعلى ، لذا فلنقم بالحسابات". - إذا كان بإمكان مركبة فضائية من فئة MPC على مسافة قصوى منا إلى المريخ أن ترسل حوالي 2030 ميغابت في الثانية إلى هوائي 150 مترًا على الأرض ، فستكون هناك حاجة إلى مجموعة من 1 هوائيًا بطول 70 مترًا لإنشاء اتصال بسرعة 150 ميغابت في الثانية . نعم ، بالطبع ، يمكننا التوصل إلى طرق ذكية لتقليل هذا المبلغ السخيف بشكل طفيف ، ولكن من الواضح أن المشكلة موجودة: تنظيم الاتصال بين الكواكب بسرعة 150 ميجابت في الثانية أمر صعب للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، ينفد طيف الترددات المسموح بها ".

كما يوضح أبراهام ، عند التشغيل على النطاق S أو X ، ستشغل مهمة واحدة بسعة 25 ميجابت في الثانية النطاق الكامل المتاح. هناك مساحة أكبر في النطاق Ka ، لكن قمرين صناعيين فقط للمريخ بعرض نطاق ترددي يبلغ 150 ميجابت في الثانية سيشغلان الطيف بأكمله. ببساطة ، سيتطلب الإنترنت بين الكواكب أكثر من مجرد راديو لتشغيله - فهو سيعتمد على الليزر.

ظهور الاتصالات البصرية

يبدو الليزر مستقبليًا ، ولكن يمكن إرجاع فكرة الاتصالات الضوئية إلى براءة اختراع قدمها ألكسندر جراهام بيل في ثمانينيات القرن التاسع عشر. طور بيل نظامًا يتم فيه توجيه ضوء الشمس ، الذي يركز على شعاع ضيق للغاية ، إلى غشاء عاكس يهتز بسبب الأصوات. تسببت الاهتزازات في حدوث اختلافات في الضوء الذي يمر عبر العدسة إلى جهاز الكشف الضوئي الخام. أدت التغييرات في مقاومة جهاز الكشف الضوئي إلى تغيير التيار المتدفق عبر الهاتف.

كان النظام غير مستقر ، وكان الحجم منخفضًا للغاية ، وفي النهاية تخلى بيل عن هذه الفكرة. ولكن بعد ما يقرب من 100 عام ، مسلحين بأشعة الليزر والألياف الضوئية ، عاد مهندسو ناسا إلى هذا المفهوم القديم.

قال أبراهام: "كنا على دراية بالقيود المفروضة على أنظمة التردد اللاسلكي ، لذلك في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات ، بدأ مختبر الدفع النفاث في مناقشة إمكانية إرسال رسائل من الفضاء السحيق باستخدام ليزر الفضاء". لفهم ما هو ممكن وما هو غير ممكن في الاتصالات الضوئية في الفضاء السحيق ، كلف المختبر بدراسة لمدة أربع سنوات ، نظام الأقمار الصناعية للترحيل الفضائي العميق (DSRSS) ، في أواخر الثمانينيات. كان من المفترض أن تجيب الدراسة على أسئلة مهمة: ماذا عن مشكلات الطقس والرؤية (بعد كل شيء ، يمكن لموجات الراديو أن تمر بسهولة عبر السحب ، بينما لا تستطيع أشعة الليزر ذلك)؟ ماذا لو أصبحت زاوية مسبار الشمس والأرض حادة جدًا؟ هل سيميز الكاشف الموجود على الأرض إشارة ضوئية ضعيفة من ضوء الشمس؟ وأخيرًا ، كم سيكلف كل هذا وهل يستحق كل هذا العناء؟ يعترف إبراهيم: "ما زلنا نبحث عن إجابات لهذه الأسئلة". "ومع ذلك ، فإن الردود تؤكد بشكل متزايد إمكانية نقل البيانات الضوئية."

اقترح DSRSS أن نقطة فوق الغلاف الجوي للأرض ستكون الأنسب للاتصالات الضوئية والراديوية. زُعم أن نظام الاتصالات الضوئية المثبت على المحطة المدارية سيعمل بشكل أفضل من أي بنية أرضية ، بما في ذلك الهوائيات الشهيرة التي يبلغ ارتفاعها 70 مترًا. كان من المفترض أن تنشر صحنًا طوله 10 أمتار في مدار قريب من الأرض ، ثم ترفعه إلى التزامن الأرضي. ومع ذلك ، فإن تكلفة مثل هذا النظام - المكون من قمر صناعي مع طبق ، وصاروخ إطلاق وخمسة أطراف مستخدمين - كانت باهظة. علاوة على ذلك ، لم تتضمن الدراسة حتى تكلفة النظام الإضافي الضروري ، والذي سيبدأ تشغيله في حالة تعطل القمر الصناعي.

نظرًا لأن هذا النظام ، بدأ المختبر في النظر في بنية الأرض الموضحة في دراسة التكنولوجيا المتقدمة القائمة على الأرض (GBATS) التي أجريت في المختبر في نفس الوقت تقريبًا مع DRSS. توصل الأشخاص الذين عملوا في GBATS إلى مقترحين بديلين. الأول هو تركيب ست محطات بهوائيات طولها 10 أمتار وهوائيات مترية احتياطية ، تقع على مسافة 60 درجة بعيدًا عن بعضها البعض حول خط الاستواء. كان لابد من بناء المحطات على قمم الجبال ، حيث كانت 66٪ على الأقل من أيام السنة صافية. وبالتالي ، ستكون 2-3 محطات مرئية دائمًا لأي مركبة فضائية ، وسيكون لها طقس مختلف. الخيار الثاني هو تسع محطات ، مجمعة في مجموعات من ثلاث ، وتقع 120 درجة عن بعضها البعض. يجب أن تكون المحطات داخل كل مجموعة على بعد 200 كم بحيث تكون في خط الرؤية ، ولكن في خلايا طقس مختلفة.

كانت كلتا معماريتي GBATS أرخص من نهج الفضاء ، لكنهما واجهتا أيضًا مشاكل. أولاً ، نظرًا لأنه كان على الإشارات أن تمر عبر الغلاف الجوي للأرض ، فإن الاستقبال أثناء النهار سيكون أسوأ بكثير من الاستقبال الليلي بسبب السماء المضيئة. على الرغم من الترتيب الذكي ، ستعتمد المحطات الضوئية الأرضية على الطقس. سيتعين على المركبة الفضائية التي تستهدف الليزر في محطة أرضية أن تتكيف في النهاية مع الظروف الجوية السيئة وإعادة الاتصال بمحطة أخرى لا تحجبها السحب.

ومع ذلك ، وبغض النظر عن المشكلات ، فقد أرسى مشروعا DSRSS و GBATS الأساس النظري للأنظمة البصرية في الفضاء السحيق والتطورات الحديثة للمهندسين في وكالة ناسا. بقي فقط لبناء مثل هذا النظام وإثبات أدائه. لحسن الحظ ، كان ذلك قبل بضعة أشهر فقط.

تنفيذ المشروع

بحلول ذلك الوقت ، كان قد تم بالفعل نقل البيانات الضوئية في الفضاء. تم إجراء الاختبار الأول في عام 1992 عندما كان مسبار جاليليو متجهًا إلى كوكب المشتري وقام بتحويل كاميرته عالية الدقة نحو الأرض لتلقي مجموعة من نبضات الليزر بنجاح من تلسكوب مرصد جبل الطاولة 60 سم ومن تلسكوب ستار فاير البصري التابع لسلاح الجو الأمريكي 1,5 متر. في نيو مكسيكو. في تلك اللحظة ، كان جاليليو على بعد 1,4 مليون كيلومتر من الأرض ، لكن شعاع الليزر أصاب كاميرته.

تمكنت وكالات الفضاء اليابانية والأوروبية أيضًا من إنشاء اتصالات بصرية بين المحطات الأرضية والأقمار الصناعية في مدار الأرض. ثم تمكنوا من إنشاء اتصال بسرعة 50 ميجابت في الثانية بين القمرين الصناعيين. قبل بضع سنوات ، أنشأ فريق ألماني رابطًا بصريًا ثنائي الاتجاه متماسك 5,6 جيجابت في الثانية بين قمر صناعي NFIRE في مدار حول الأرض ومحطة أرضية في تينيريفي ، إسبانيا. لكن كل هذه الحالات كانت مرتبطة بمدار قريب من الأرض.

تم تركيب أول رابط ضوئي يربط بين محطة أرضية ومركبة فضائية في مدار حول كوكب آخر في النظام الشمسي في يناير 2013. تم نقل صورة الموناليزا بالأبيض والأسود 152 × 200 بكسل من محطة مدى الليزر عبر الأقمار الصناعية من الجيل التالي في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا إلى مركبة الاستطلاع المدارية القمرية (LRO) بسرعة 300 نقطة في الثانية. كان الاتصال في اتجاه واحد. أرسل LRO الصورة المستلمة من الأرض عبر الراديو التقليدي. احتاجت الصورة إلى القليل من تصحيح أخطاء البرنامج ، ولكن حتى بدون هذا الترميز كان من السهل التعرف عليها. وفي ذلك الوقت ، كان من المخطط بالفعل إطلاق نظام أكثر قوة على القمر.

من مشروع Lunar Reconnaissance Orbiter في عام 2013: لتنظيف أخطاء الإرسال التي يسببها الغلاف الجوي للأرض (يسار) ، طبق العلماء في مركز جودارد لرحلات الفضاء تصحيح خطأ Reed-Solomon (على اليمين) ، والذي يستخدم بكثرة في الأقراص المضغوطة وأقراص DVD. تتضمن الأخطاء النموذجية بكسل مفقود (أبيض) وإشارات خاطئة (سوداء). يشير الشريط الأبيض إلى توقف طفيف في الإرسال.

«باحث في الغلاف الجوي القمري وبيئة الغبار»(LADEE) دخلت مدار القمر في 6 أكتوبر 2013 ، وبعد أسبوع واحد فقط أطلقت ليزرها النبضي لنقل البيانات. هذه المرة ، حاولت وكالة ناسا تنظيم اتصال ثنائي الاتجاه بسرعة 20 ميجابت في الثانية في هذا الاتجاه وسرعة قياسية تبلغ 622 ميجابت في الثانية في الاتجاه المعاكس. كانت المشكلة الوحيدة هي العمر القصير للبعثة. عمل الاتصال البصري LRO لبضع دقائق فقط. تواصل LADEE مع جهاز الليزر الخاص به لمدة 16 ساعة لمدة 30 يومًا. يجب أن يتغير هذا الموقف عند إطلاق القمر الصناعي الإرشادي للاتصالات بالليزر (LCRD) ، المقرر في يونيو 2019. وتتمثل مهمته في إظهار كيفية عمل أنظمة الاتصالات المستقبلية في الفضاء.

يتم تطوير LCRD في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا بالتعاون مع مختبر لينكولن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. سيكون له طرفان بصريان: أحدهما للاتصال في مدار أرضي منخفض ، والآخر للفضاء السحيق. سيتعين على الأول استخدام مفتاح إزاحة الطور التفاضلي (DPSK). سيرسل جهاز الإرسال نبضات ليزر بتردد 2,88 جيجاهرتز. باستخدام هذه التقنية ، سيتم تشفير كل بت من خلال اختلاف الطور للنبضات المتتالية. سيكون قادرًا على العمل بسرعة 2,88 جيجابت في الثانية ، لكنه سيتطلب الكثير من الطاقة. الكاشفات قادرة فقط على اكتشاف اختلافات النبض في الإشارات عالية الطاقة ، لذلك تعمل DPSK بشكل رائع مع الاتصالات القريبة من الأرض ، ولكنها ليست أفضل طريقة للفضاء السحيق ، حيث يكون تخزين الطاقة مشكلة. ستفقد الإشارة المرسلة من المريخ الطاقة قبل وصولها إلى الأرض ، لذلك سيستخدم LCRD تقنية أكثر كفاءة ، وهي تعديل طور النبضة ، لإظهار الاتصال البصري مع الفضاء السحيق.

يقوم مهندسو ناسا بإعداد LADEE للاختبار

في عام 2017 ، اختبر المهندسون أجهزة مودم الطيران في غرفة فراغ حراري

يوضح إبراهيم قائلاً: "في الأساس ، يتم عد الفوتونات". - تنقسم الفترة القصيرة المخصصة للاتصال إلى عدة أجزاء زمنية. للحصول على البيانات ، تحتاج فقط إلى التحقق مما إذا كانت الفوتونات في كل فجوة قد اصطدمت بالكاشف. هذه هي الطريقة التي يتم بها تشفير البيانات في FIM ". إنه مثل شفرة مورس ، فقط بسرعة فائقة. إما أن يكون هناك وميض في لحظة معينة ، أو لا يوجد ، ويتم تشفير الرسالة بواسطة سلسلة من الومضات. ويضيف أبراهام: "في حين أن هذا أبطأ بكثير من DPSK ، لا يزال بإمكاننا إنشاء اتصالات بصرية بسرعات تصل إلى عشرات أو مئات الميجابت في الثانية حتى المريخ".

بالطبع ، لا يتعلق مشروع LCRD بهاتين المحطتين فقط. يجب أن تعمل أيضًا كعقدة إنترنت في الفضاء. على الأرض ، ستكون هناك ثلاث محطات تعمل على LCRD: واحدة في وايت ساندز في نيو مكسيكو ، وواحدة في تيبل ماونتن في كاليفورنيا ، وواحدة في جزيرة هاواي أو ماوي. الفكرة هي اختبار التبديل من محطة أرضية إلى أخرى في حالة سوء الأحوال الجوية في إحدى المحطات. ستختبر البعثة أيضًا تشغيل LCRD كجهاز إرسال بيانات. ستذهب الإشارة الضوئية من إحدى المحطات إلى القمر الصناعي ثم تنتقل إلى محطة أخرى - وكل هذا عبر الاتصال البصري.

إذا لم يكن من الممكن نقل البيانات على الفور ، فسيقوم LCRD بتخزينها ونقلها عندما يكون ذلك ممكنًا. إذا كانت البيانات عاجلة ، أو لا توجد مساحة تخزين كافية على متنها ، فسوف يرسلها LCRD على الفور عبر هوائي Ka-band الخاص به. لذا ، فإن مقدمة أقمار الإرسال المستقبلية ، LCRD ستكون نظامًا ضوئيًا راديويًا هجينًا. هذا هو بالضبط نوع الوحدة التي تحتاج ناسا لوضعها في مدار حول المريخ من أجل تنظيم شبكة بين الكواكب تدعم استكشاف الإنسان للفضاء السحيق في ثلاثينيات القرن الحالي.

إحضار المريخ عبر الإنترنت

على مدار العام الماضي ، كتب فريق أبراهام ورقتين بحثيتين تصفان مستقبل اتصالات الفضاء السحيق ، والتي سيتم تقديمها في مؤتمر SpaceOps في فرنسا في مايو 2019. أحدهما يصف اتصالات الفضاء السحيق بشكل عام ، والآخر ("شبكة كوكبية المريخ لعصر الاستكشاف البشري - المشاكل والحلول المحتملة") وصفًا تفصيليًا للبنية التحتية القادرة على توفير خدمة تشبه الإنترنت لرواد الفضاء على الكوكب الأحمر.

كانت تقديرات متوسط ​​معدلات نقل البيانات القصوى حوالي 215 ميجابت في الثانية للتنزيل و 28 ميجابت في الثانية للتحميل. ستتألف شبكة الإنترنت المريخية من ثلاث شبكات: WiFi تغطي منطقة البحث على السطح ، وشبكة الكواكب التي تنقل البيانات من السطح إلى الأرض ، والشبكة الأرضية ، وهي شبكة اتصالات في الفضاء السحيق بها ثلاثة مواقع مسؤولة عن تلقي هذه البيانات وإرسال الردود. العودة إلى المريخ.

"عند تطوير مثل هذه البنية التحتية ، هناك العديد من المشاكل. يجب أن يكون موثوقًا ومستقرًا ، حتى على مسافة قصوى تبلغ 2,67 وحدة فلكية إلى المريخ. خلال فترات الاقتران الشمسي المتفوق ، عندما يختبئ المريخ خلف الشمس ، "يقول أبراهام. يحدث هذا الاقتران كل عامين ويقطع الاتصال بالمريخ تمامًا. "اليوم لا يمكننا التعامل معها. تفقد جميع محطات الهبوط والمدار الموجودة على سطح المريخ الاتصال بالأرض لمدة أسبوعين تقريبًا. مع الاتصال البصري ، سيكون فقدان الاتصال بسبب الاتصال الشمسي أطول ، من 10 إلى 15 أسبوعًا ". بالنسبة للروبوتات ، هذه الفجوات ليست مخيفة بشكل خاص. هذه العزلة لا تسبب لهم مشاكل ، لأنهم لا يشعرون بالملل ، ولا يعانون من الوحدة ، ولا يحتاجون لرؤية أحبائهم. لكن بالنسبة للبشر ، الأمر ليس كذلك على الإطلاق.

"لذلك ، نحن نسمح نظريًا بتكليف جهازي إرسال مداريين موضوعين في مدار استوائي دائري على ارتفاع 17300 كيلومتر فوق سطح المريخ" ، يتابع أبراهام. وفقًا للدراسة ، يجب أن تزن كل منها 1500 كجم ، وتحمل مجموعة من المحطات الطرفية العاملة في النطاق X ، و Ka-band ، والنطاق البصري ، وأن يتم تشغيلها بواسطة الألواح الشمسية بسعة 20-30 كيلو واط. يجب أن يدعموا بروتوكول شبكة التسامح التأخير — TCP / IP بشكل أساسي ، المصمم للتعامل مع التأخيرات الكبيرة التي ستواجهها الشبكات بين الكواكب حتمًا. يجب أن تكون المحطات المدارية المشاركة في الشبكة قادرة على التواصل مع رواد الفضاء والمركبات على سطح الكوكب ، مع المحطات الأرضية ومع بعضها البعض.

يقول أبراهام: "هذا الحديث المتبادل مهم جدًا لأنه يقلل من عدد الهوائيات المطلوبة لنقل البيانات بسرعة 250 ميجابت في الثانية". يقدر فريقه أن هناك حاجة إلى مجموعة من ستة هوائيات بطول 250 مترًا لتلقي بيانات 34 ميجابت في الثانية من أحد أجهزة الإرسال التي تدور في المدار. هذا يعني أن وكالة ناسا ستحتاج إلى بناء ثلاثة هوائيات إضافية في مواقع اتصالات الفضاء السحيق ، لكن بناء هذه المواقع يستغرق سنوات وهي مكلفة للغاية. يقول أبراهام: "لكننا نعتقد أن محطتين مداريتين يمكنهما مشاركة البيانات فيما بينهما وإرسالها في نفس الوقت بسرعة 125 ميجابت في الثانية ، حيث سيرسل أحدهما نصف حزمة البيانات والآخر سيرسل الآخر". . حتى اليوم ، يمكن لهوائيات الاتصالات الفضائية العميقة التي يبلغ ارتفاعها 34 مترًا تلقي البيانات في وقت واحد من أربع مركبات فضائية مختلفة في وقت واحد ، مما يؤدي إلى الحاجة إلى ثلاثة هوائيات لإكمال المهمة. يوضح أبراهام قائلاً: "يتطلب الأمر نفس عدد الهوائيات لاستقبال إرسالين بقدرة 125 ميجابت في الثانية من نفس المنطقة من السماء كما هو مطلوب لاستقبال إرسال واحد". "هناك حاجة إلى المزيد من الهوائيات فقط إذا كنت بحاجة إلى الاتصال بسرعة أعلى."

للتعامل مع مشكلة الاتصال الشمسي ، اقترح فريق أبراهام إطلاق قمر صناعي على نقاط L4 / L5 في مدار الشمس - المريخ / الشمس - الأرض. بعد ذلك ، خلال فترات الاتصال ، يمكن استخدامه لنقل البيانات حول الشمس ، بدلاً من إرسال الإشارات من خلالها. لسوء الحظ ، خلال هذه الفترة ، ستنخفض السرعة إلى 100 كيلوبت في الثانية. ببساطة ، ستنجح ، لكنها سيئة.

في غضون ذلك ، سيتعين على رواد الفضاء المحتملين على كوكب المريخ الانتظار ما يزيد قليلاً عن ثلاث دقائق للحصول على صورة قطة صغيرة ، دون احتساب التأخيرات التي يمكن أن تصل إلى 40 دقيقة. لحسن الحظ ، بحلول الوقت الذي تدفعنا فيه طموحات البشرية إلى أبعد من الكوكب الأحمر ، ستعمل الإنترنت بين الكواكب بالفعل بشكل جيد في معظم الأوقات.

المصدر: www.habr.com