«Ужо практычна няма куды паляпшаць тэхналогію, якая працуе на радыёчастотах. Простыя рашэнні заканчваюцца»
26 лістапада 2018 года ў 22:53 мск у НАСА гэта зноў атрымалася - зонд InSight здзейсніў паспяховую пасадку на паверхню Марса пасля ўваходу ў атмасферу, спуску і пасадачных манеўраў, якія пазней аб хрысцілі «шасцю з паловай хвілінамі жаху». Падыходнае апісанне, бо інжынеры НАСА не маглі даведацца адразу, ці паспяхова касмічны зонд сеў на паверхню планеты, з-за часовай затрымкі камунікацый паміж Зямлёй і Марсам, якая склала прыкладна 8,1 мін. Падчас гэтага акна InSight не мог спадзявацца на свае больш сучасныя і магутныя антэны - усё залежала ад старамоднай УВЧ-сувязі (гэты метад даўно выкарыстоўваецца ўсюды, ад тэлевяшчання і рацый да прылад Bluetooh).
У выніку, крытычна важныя дадзеныя па стане InSight былі перададзеныя на радыёхвалях частатой 401,586 Мгц на два спадарожніка-, WALL-E і EVE, якія перадалі затым дадзеныя на хуткасці 8 Кбіт / с на 70-метровыя антэны, размешчаныя на Зямлі. Кубсаты былі запушчаныя на той жа ракеце, што і InSight, і яны суправаджалі яго ў вандраванні да Марса, каб назіраць за пасадкай і адразу перадаць дадзеныя дадому. Іншыя арбітальныя марсіянскія караблі, напрыклад, (МРС), знаходзіліся ў нязручным становішчы і не маглі ў першыя часы забяспечыць абмен паведамленнямі з пасадачным модулем у рэальным часе. Не сказаць, каб уся пасадка залежала ад двух эксперыментальных Кубсатаў памерам з чамадан кожны, але МРС змог бы перадаць дадзеныя ад InSight толькі пасля яшчэ больш працяглага чакання.
Пасадка InSight насамрэч падвергла выпрабаванню ўсю архітэктуру камунікацый НАСА, "Марсіянскую сетку" [the Mars Network]. Сігнал пасадачнага модуля InSight, перададзены на арбітальныя спадарожнікі, у любым выпадку дасягнуў бы Зямлі, нават калі б спадарожнікі адмовілі. WALL-E і EVE патрэбны былі для імгненнай перадачы інфармацыі, і яны з гэтым зладзіліся. Калі б гэтыя Кубсаты не спрацавалі па нейкіх прычынах, іх роля гатовы быў адыграць МРС. Кожны з іх працаваў у якасці вузла ў сетцы, падобнай на інтэрнэт, накіроўваючы пакеты дадзеных праз розныя тэрміналы, якія складаюцца з рознага абсталявання. На сёння самым эфектыўным з іх з'яўляецца МРС, здольны перадаваць даныя на хуткасці да 6 Мбіт/с (і гэта бягучы рэкорд для міжпланетных місій). Аднак НАСА даводзілася працаваць з куды як меншымі хуткасцямі ў мінулым - а ў будучыні яму спатрэбіцца значна больш хуткая перадача дадзеных.
Як і ваш інтэрнэт-правайдэр, НАСА дазваляе карыстальнікам інтэрнэту сувязь з касмічнымі караблямі ў рэальным часе.
Сетка далёкай касмічнай сувязі
З павелічэннем прысутнасці НАСА ў космасе ўвесь час з'яўляюцца палепшаныя сістэмы перадачы паведамленняў, якія пакрываюць усю большую прастору: спачатку гэта была нізкая калязямная арбіта, затым геасінхронная арбіта і Месяц, а неўзабаве камунікацыі сышлі глыбей у космас. Усё пачалося з грубага партатыўнага радыёпрымача, пры дапамозе якога на вайсковых базах ЗША ў Нігерыі, Сінгапуры і Каліфорніі прымалі тэлеметрыю з Explorer 1, першага спадарожніка, паспяхова запушчанага амерыканцамі ў 1958-м. Павольна, але дакладна, гэты базіс развіўся ў сённяшнія перадавыя сістэмы перадачы паведамленняў.
Дуглас Абрахам, кіраўнік аддзела стратэгічнага і сістэмнага прагназавання ў Дырэкцыі міжпланетнай сеткі НАСА, падкрэслівае тры незалежна распрацаваныя сеткі для перадачы паведамленняў у космасе. Near Earth Network (сетка блізкай сувязі) працуе з касмічнымі апаратамі на нізкай калязямной арбіце. "Гэта набор антэн, у асноўным ад 9 да 12 м. Ёсць некалькі буйных, 15-18 м", – кажа Абрахам. Затым, вышэй геасінхроннай арбіты Зямлі, знаходзяцца некалькі спадарожнікаў адсочвання і перадачы даных (TDRS). «Яны могуць глядзець зверху ўніз на спадарожнікі на нізкай калязямной арбіце і мець зносіны з імі, а потым гэтую інфармацыю перадаюць праз TDRS на зямлю, – тлумачыць Абрахам. – Гэтую спадарожнікавую сістэму перадачы даных называюць касмічнай сеткай НАСА».
Але нават і TDRS не было дастаткова для сувязі з касмічным караблём, які адправіўся далёка за арбіту Месяца, да іншых планет. «Таму нам прыйшлося стварыць сетку, якая пакрывае ўсю Сонечную сістэму. І гэта Сетка далёкай касмічнай сувязі» [Deep Space Network, DSN], – кажа Абрахам. Марсіянская сетка з'яўляецца пашырэннем .
Улічваючы працягласць і планы, DSN з'яўляецца самай складанай з пералічаных сістэм. Па сутнасці, гэта набор буйных антэн, ад 34 да 70 м у дыяметры. На кожнай з трох пляцовак DSN працуюць некалькі 34-метровых антэн і адна 70-метровая. Адна пляцоўка знаходзіцца ў Голдстоуне (Каліфорнія), іншая побач з Мадрыдам (Іспанія), а трэцяя ў Канберы (Аўстралія). Гэтыя пляцоўкі размешчаны прыкладна на 120 градусаў сябар ад сябра па ўсім зямным шары, і забяспечваюць кругласутачнае пакрыццё для ўсіх касмічных караблёў за межамі геасінхроннай арбіты.
34-метровыя антэны - асноўнае абсталяванне DSN, і іх бывае два віды: старыя антэны высокай эфектыўнасці і адносна новыя хваляводныя. Розніца ў тым, што ў хваляводнай антэны ёсць пяць дакладных радыёчастотных люстэркаў, якія адлюстроўваюць сігналы па трубе ў змешчаную пад зямлёй аператарскую, дзе электроніка, якая аналізуе гэтыя сігналы, лепш абаронена ад усіх крыніц перашкод. 34-метровыя антэны, працуючы па асобнасці або групамі з 2-3 талерак, могуць забяспечыць большую частку неабходнай НАСА сувязі. Але для асаблівых выпадкаў, калі адлегласці становяцца занадта вялікімі нават для некалькіх 34-метровых антэн, кіраванне DSN выкарыстоўвае 70-метровых монстраў.
"Яны гуляюць важную ролю ў некалькіх выпадках", – кажа Абрахам аб буйных антэнах. Першы - калі касмічны карабель знаходзіцца так далёка ад Зямлі, што ўсталяваць з ім сувязь пры дапамозе меншай талеркі будзе немагчыма. «Добрымі прыкладамі будуць місія „Новыя гарызонты“, якая паляцела ўжо значна далей Плутона, або касмічны карабель „Вояджэр“, які знаходзіцца за межамі Сонечнай сістэмы. Толькі 70-метровыя антэны здольныя прабіцца да іх і даставіць іх дадзеныя на Зямлю», - тлумачыць Абрахам.
70-метровыя талеркі таксама выкарыстоўваюцца, калі касмічны карабель не можа працаваць з узмацняючай антэнай, або з-за запланаванай крытычнай сітуацыі тыпу выхаду на арбіту, або з-за таго, што нешта ідзе зусім не так. 70-метровую антэну, напрыклад, выкарыстоўвалі для бяспечнага вяртання Апало-13 на Зямлю. Яна таксама прыняла знакамітую фразу Ніла Армстранга "Маленькі крок для чалавека, гіганцкі крок для чалавецтва". І нават сёння DSN застаецца самай перадавой і адчувальнай сістэмай сувязі ў свеце. «Але па многіх прычынах яна ўжо дайшла да сваёй мяжы, - папярэджвае Абрахам. - Ужо практычна няма куды паляпшаць тэхналогію, якая працуе на радыёчастотах. Простыя рашэнні заканчваюцца».
Тры наземныя станцыі ў 120 градусах адна ад адной
Талеркі DSN у Канберы
Комплекс DSN у Мадрыдзе
DSN у Голдстоуне
Аператарская ў Лабараторыі рэактыўнага руху
Радыё, і што будзе пасля яго
Гэтая гісторыя не новая. Гісторыя далёкай касмічнай сувязі складаецца з пастаяннай барацьбы за павышэнне частот і пакарочванне даўжынь хваль. Explorer 1 выкарыстоўваў частоты 108 Мгц. Затым НАСА ўкараніла буйныя антэны з лепшым узмацненнем, якія падтрымлівалі частоты з L-дыяпазону, ад 1 да 2 Ггц. Потым надышла чарга S-дыяпазону, з частотамі ад 2 да 4 Ггц, а потым агенцтва перайшло на X-дыяпазон, з частотамі 7-11,2 Ггц.
Сёння сістэмы касмічных камунікацый зноў перажываюць змены - зараз яны пераходзяць на дыяпазон 26-40 Ггц, Ка-дыяпазон. "Прычына гэтай тэндэнцыі ў тым, што чым карацей даўжыні хваль і вышэй частоты, тым большую хуткасць перадачы дадзеных можна атрымаць", – кажа Абрахам.
Прычыны для аптымізму ёсць, улічваючы, што гістарычна хуткасць развіцця камунікацый у НАСА была даволі высокай. Даследчая праца ад 2014 года ад Лабараторыі рэактыўнага руху прыводзіць наступныя дадзеныя па прапускной здольнасці для параўнання: калі б мы выкарыстоўвалі тэхналогіі сувязі Explorer 1 для перадачы тыповага фота з iPhone з Юпітэра на Зямлю, тое гэта заняло б у 460 разоў больш часу, чым бягучы ўзрост Сусвету. У "Піянераў" 2 і 4 з 1960-х гадоў на гэта спатрэбілася б 633 000 гадоў. Марынер-9 з 1971 года справіўся б з гэтым за 55 гадзін. Сёння ў МРС на гэта спатрэбіцца тры хвіліны.
Адзіная праблема, вядома, складаецца ў тым, што колькасць дадзеных, якія атрымліваюцца касмічнымі апаратамі, расце гэтак жа хутка, калі не хутчэй росты магчымасцяў іх перадачы. За 40 гадоў працы Вояджэры 1 і 2 выдалі 5 Тб інфармацыі. Спадарожнік NISAR Earth Science, які плануецца да запуску ў 2020, будзе выдаваць па 85 Тб дадзеных у месяц. І калі спадарожнікам Зямлі гэта цалкам па сілах, перадача такога аб'ёму дадзеных паміж планетамі - гісторыя зусім іншая. Нават адносна шустры МРС будзе перадаваць 85 Тб дадзеных на Зямлю 20 гадоў.
«Мяркуемая хуткасць перадачы дадзеных падчас вывучэння Марса ў канцы 2020-х і пачатку 2030-х складзе 150 Мбіт / с або вышэй, так што давайце падлічым, – кажа Абрахам. - Калі касмічны карабель класа МРС на максімальнай адлегласці ад нас да Марса можа адпраўляць прыкладна 1 Мбіт/с на 70-метровую антэну на Зямлі, то для арганізацыі сувязі на хуткасці 150 Мбіт/с спатрэбіцца масіў са 150 70-метровых антэн. Так, вядома, мы можам прыдумаць мудрагелістыя спосабы крыху паменшыць гэтую абсурдную колькасць, але праблема, відавочна, існуе: арганізацыя міжпланетнай сувязі на хуткасці 150 Мбіт/с – справа надзвычай складаная. Акрамя таго, у нас заканчваецца спектр дазволеных частот».
Як дэманструе Абрахам, працуючы ў дыяпазоне S ці X, адна місія з прапускной здольнасцю ў 25 Мбіт/з зойме ўвесь даступны спектр. У Ka-дыяпазоне месца больш, але ўсяго толькі два спадарожніка Марса з прапускной здольнасцю ў 150 Мбіт/з зоймуць увесь спектр. Прасцей кажучы, для працы міжпланетнага інтэрнэту спатрэбіцца нешта большае, чым проста радыё - ён будзе спадзявацца на лазеры.
З'яўленне аптычных камунікацый
Лазеры гучаць футурыстычна, але ідэю аптычных камунікацый можна адсачыць да патэнта, пададзенага Аляксандрам Грэхемам Бэлам у 1880-х. Бэл распрацаваў сістэму, у якой сонечнае святло, сфакусаванае да вельмі вузкага пучка, накіроўваўся на адбівалую дыяфрагму, якая вібравала з-за гукаў. Вібрацыі выклікалі варыяцыі святла, якое праходзіла праз лінзу ў грубы фотадэтэктар. Змены супраціву фотадэтэктара мянялі ток, які праходзіў праз тэлефон.
Сістэма працавала нестабільна, гучнасць была вельмі малой, і Бэл у выніку адмовіўся ад гэтай ідэі. Але, амаль праз 100 гадоў, узброіўшыся лазерамі і оптавалакном, інжынеры НАСА вярнуліся да гэтай старой канцэпцыі.
"Мы ведалі аб абмежаваннях радыёчастотных сістэм, таму ў Лабараторыі рэактыўнага руху ў канцы 1970-х, пачатку 1980-х, пачалі абмяркоўваць магчымасць перадачы паведамленняў з далёкага космасу пры дапамозе касмічных лазераў", – распавёў Абрахам. Каб лепш зразумець, што магчыма, а што няма ў аптычных камунікацыях у глыбокім космасе, лабараторыя ў канцы 1980-х арганізавала чатырохгадовае даследаванне "Сістэма спадарожнікавых перадатчыкаў далёкага космасу" Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). Даследаванне павінна было адказаць на крытычна важныя пытанні: як быць з надвор'ем і праблемамі бачнасці (бо радыёхвалі лёгка могуць праходзіць праз аблокі, тады як лазеры - не)? Што, калі кут Сонца-Зямля-зонд стане занадта вострым? Ці адрозніць дэтэктар на Зямлі слабы аптычны сігнал ад сонечнага святла? І, нарэшце, колькі ўсё гэта будзе каштаваць і ці будзе яно каштаваць таго? «Мы пакуль яшчэ шукаем адказы на гэтыя пытанні, - прызнае Абрахам. – Аднак адказы ўсё больш і больш пацвярджаюць магчымасць аптычнай перадачы дадзеных».
У DSRSS выказалі здагадку, што для аптычнай і радыёсувязі лепш за ўсё падыдзе кропка, размешчаная над атмасферай Зямлі. Заяўлялася, што сістэма аптычных камунікацый, усталяваная на арбітальнай станцыі, будзе працаваць лепш за любую наземную архітэктуру, уключаючы культавыя 70-метровыя антэны. На калязямной арбіце меркавалася разгарнуць 10-метровую талерку, а потым падняць яе да геасінхроннай. Аднак кошт такой сістэмы - якая складаецца з спадарожніка з талеркай, ракеты для запуску і пяці карыстацкіх тэрміналаў - была празмернай. Больш за тое, у даследаванне нават не закладвалі кошт неабходнай дапаможнай сістэмы, якая ўступала б у працу ў выпадку адмовы спадарожніка.
У якасці гэтай сістэмы спецыялісты з Лабараторыі пачалі глядзець на наземную архітэктуру, апісаную ў аналітычнай справаздачы "Даследаванне перадавых наземных тэхналогій" [Ground Based Advanced Technology Study (GBATS)], праведзеным у Лабараторыі прыкладна ў той жа час, што і DRSS. Людзі, якія працавалі над GBATS, вылучылі дзве альтэрнатыўныя прапановы. Першае - усталёўка шасці станцый з 10-метровымі антэнамі і мятровымі запаснымі антэнамі, размешчанымі праз 60 градусаў сябар ад сябра па ўсім экватары. Станцыі трэба было будаваць на горных вяршынях, там, дзе не менш за 66% дзён у годзе стаіць яснае надвор'е. Такім чынам 2-3 станцыі заўсёды будуць бачныя любому касмічнаму караблю, і на іх будзе рознае надвор'е. Другі варыянт - дзевяць станцый, што гуртуюцца гуртамі па тры, і размешчаных праз 120 градусаў сябар ад сябра. Станцыі ўнутры кожнай групы каштавала размяшчаць у 200 км сябар ад сябра, каб яны знаходзіліся ў прамой бачнасці, але ў розных ячэйках надвор'я.
Абедзве архітэктуры GBATS былі танней касмічнага падыходу, але і ў іх былі праблемы. Па-першае, паколькі сігналам трэба было прайсці скрозь атмасферу Зямлі, прыём у дзённы час будзе значна горш, чым у начны, з-за асветленага неба. Нягледзячы на хітрае размяшчэнне, наземныя аптычныя станцыі будуць залежаць ад надвор'я. Касмічнаму апарату, які накіроўвае лазер на наземную станцыю, у выніку прыйдзецца адаптавацца да дрэнных пагодных умоў і зноўку наладжваць сувязь з іншай станцыяй, якую не зачыняюць аблокі.
Аднак, незалежна ад праблем, праекты DSRSS і GBATS заклалі тэарэтычны падмурак для аптычных сістэм далёкай касмічнай сувязі і сучасных распрацовак інжынераў у НАСА. Заставалася толькі пабудаваць падобную сістэму і прадэманстраваць яе працаздольнасць. Да шчасця, да гэтага заставалася ўсяго некалькі месяцаў.
рэалізацыя праекта
Да таго моманту аптычная перадача даных у космасе ўжо мела месца. Першы вопыт правялі ў 1992 годзе, калі зонд Галілеа накіроўваўся да Юпітэра, і рэзвярнуў сваю камеру высокага дазволу да Зямлі, каб паспяхова атрымаць набор лазерных імпульсаў, адпраўленых з 60-см тэлескопа абсерваторыі Тэйбл-Маунтин і з 1,5 м тэлескопа USAF Starfire Range ў Нью-Мексіка. У гэты момант Галілеа знаходзіўся за 1,4 млн км ад Зямлі, аднак абодва лазерныя промні трапілі ў яго камеру.
Японскае і Еўрапейскае касмічныя агенцтвы таксама змаглі ўсталяваць аптычную сувязь паміж наземнымі станцыямі і спадарожнікамі на арбіце Зямлі. Затым яны змаглі ўстанавіць злучэнне на хуткасці 50 Мбіт/с паміж двума спадарожнікамі. Некалькі гадоў таму нямецкая каманда ўстанавіла кагерэнтную аптычную двунакіраваную сувязь на 5,6 Гбіт/с паміж спадарожнікам NFIRE, які знаходзіўся на калязямной арбіце, і наземнай станцыяй у Тэнэрыфэ (Іспанія). Але ўсе гэтыя выпадкі былі звязаны з калязямной арбітай.
Самая першая аптычная сувязь, якая злучыла наземную станцыю і касмічны карабель на арбіце каля іншай планеты Сонечнай сістэмы, была ўстаноўлена ў студзені 2013 года. Чорна-белая выява Моны Лізы памерам 152х200 пікселяў было перададзена са Станцыі далямерных спадарожнікавых лазераў наступнага пакалення, змешчанай у Цэнтры касмічных палётаў Годдарда ў НАСА на Месяцовы выведвальны арбітальны апарат (LRO) на хуткасці 300 біт. Сувязь была аднабаковай. LRO адправіла атрыманае з Зямлі малюнак зваротна па звычайнай радыёсувязі. Выяве спатрэбілася невялікая праграмная карэкцыя памылак, аднак і без гэтага кадавання яго было лёгка пазнаць. І на той момант ужо быў запланаваны запуск больш магутнай сістэмы да Месяца.
З праекта "Месячнага разведвальнага арбітальнага апарата" ў 2013 годзе: каб ачысціць інфармацыю ад памылак перадачы, якія ўносяцца атмасферай Зямлі (злева), навукоўцы з Цэнтра касмічных палётаў Годдарда прымянілі карэкцыю памылак Рыда-Саламона (справа), якая актыўна выкарыстоўваецца ў CD і DVD. Сярод тыповых памылак - прапушчаныя пікселі (белыя) і ілжывыя сігналы (чорныя). Белая палоска абазначае невялікую паўзу ў перадачы.
«» (LADEE) выйшаў на арбіту месяца 6 кастрычніка 2013 г., і ўсяго праз тыдзень запусціў свой імпульсны лазер для перадачы дадзеных. На гэты раз у НАСА паспрабавалі арганізаваць двухбаковую сувязь на хуткасці 20 Мбіт/с у той бок і рэкордную хуткасць 622 Мбіт/с у адваротны. Адзінай праблемай быў кароткі час жыцця місіі. Аптычная сувязь LRO працавала ўсяго па некалькі хвілін. LADEE абменьваўся дадзенымі з яго лазерам на працягу 16 гадзін за 30 дзён. Гэтая сітуацыя павінна змяніцца, калі будзе запушчаны Дэманстрацыйны спадарожнік лазерных камунікацый (LCRD), намечаны на чэрвень 2019. Яго задача - паказаць, як будуць працаваць будучыя сістэмы сувязі ў космасе.
LCRD распрацоўваюць у Лабараторыі рэактыўнага руху ў НАСА сумесна з Лабараторыяй Лінкальна ў MIT. У яго будзе два аптычныя тэрміналы: адзін для сувязі на калязямной арбіце, іншы – для глыбокага космасу. Першы павінен будзе выкарыстоўваць дыферэнцыяльную фазавую маніпуляцыю (Differential Phase Shift Keying, DPSK). Перадатчык будзе адпраўляць лазерныя імпульсы з частатой 2,88 Ггц. Па такой тэхналогіі кожны біт будзе кадзіравацца розніцай фаз паслядоўных імпульсаў. Яна зможа працаваць з хуткасцю 2,88 Гбіт / с, але для гэтага спатрэбіцца шмат энергіі. Дэтэктары здольныя распазнаваць розніцу паміж імпульсамі толькі ў сігналаў з высокай энергіяй, таму DPSK цудоўна працуе з калязямной сувяззю, але гэта не лепшы метад для далёкага космасу, дзе запасіць энергію праблематычна. Сігнал, адпраўлены з Марса, страціць энергію, пакуль дабярэцца да Зямлі, таму для дэманстрацыі аптычнай сувязі з далёкім космасам LCRD будзе выкарыстоўваць больш эфектыўную тэхналогію – фазава-імпульсную мадуляцыю.
Інжынеры НАСА рыхтуюць LADEE да выпрабаванняў
У 2017 годзе інжынеры выпрабоўвалі палётныя мадэмы ў тэрмавакуумнай камеры.
«Па сутнасці, гэта падлік фатонаў, - тлумачыць Абрахам. - Кароткі перыяд, выдзелены на сувязь, дзеліцца на некалькі часовых адрэзкаў. Каб атрымаць дадзеныя, трэба проста праверыць, ці сутыкаліся фатоны на кожным з прамежкаў з дэтэктарам. Так дадзеныя кадуюцца ў ФІМ». Гэта падобна на азбуку Морзэ, толькі на звышхуткай хуткасці. Або ў пэўны момант ёсць выбліск, ці не, і паведамленне кадуецца паслядоўнасцю выбліскаў. "І хоць гэта значна менш за DPSK, мы ўсё роўна можам арганізаваць аптычную сувязь з хуткасцю ў дзесяткі або сотні Мбіт / с на адлегласці да Марса", – дадае Абрахам.
Вядома, праект LCRD - гэта не толькі два гэтых тэрмінала. Ён таксама павінен працаваць як інтэрнет-вузел у космасе. На зямлі працаваць з LCRD будуць тры станцыі: адна ў Уайт-Сэндс у Нью-Мексіка, адна на Тэйбл-Маўнцін у Каліфорніі, і адна на востраве Гаваі ці на Мауі. Ідэя ў тым, каб праверыць пераключэнне з адной наземнай станцыі на іншую ў выпадку наступлення дрэннага надвор'я на адной са станцый. Місія таксама праверыць працу LCRD у якасці перадатчыка дадзеных. Аптычны сігнал з адной са станцый адправіцца на спадарожнік і затым перадасца на іншую станцыю - і ўсё гэта па аптычнай сувязі.
Калі адразу ж перадаць дадзеныя не атрымаецца, LCRD будзе захоўваць іх і перадасць, калі з'явіцца магчымасць. Калі дадзеныя будуць тэрміновымі, ці ў сховішча на борце не будзе дастаткова месца, LCRD адправіць іх адразу ж праз сваю антэну Ka-дыяпазону. Так што, папярэднік будучых спадарожнікаў-перадатчыкаў, LCRD будзе гібрыднай радыё-аптычнай сістэмай. Менавіта такі агрэгат НАСА трэба размясціць на арбіце вакол Марса, каб арганізаваць міжпланетную сетку, якая падтрымлівае даследаванне далёкага космасу людзьмі ў 2030-х гадах.
Выводзім Марс у анлайн
За апошні год каманда Абрахама напісала дзве працы, якія апісваюць будучыню далёкай касмічнай сувязі, якія будуць прадстаўлены на канферэнцыі SpaceOps у Францыі ў траўні 2019. У адной апісваецца далёкая касмічная сувязь увогуле, у іншай (««) прапанавана падрабязнае апісанне інфраструктуры, здольнай забяспечыць падобны на інтэрнэт сэрвіс для астранаўтаў на Чырвонай планеце.
Ацэнкі пікавай сярэдняй хуткасці перадачы дадзеных атрымаліся ў раёне 215 Мбіт/с на запампоўку і 28 Мбіт/с на запампоўку. Марсіянскі інтэрнэт будзе складацца з трох сетак: WiFi, якая пакрывае вобласць даследаванняў на паверхні, планетнай сеткі, якая перадае дадзеныя з паверхні на Зямлю, і зямной сеткі, сеткі далёкай касмічнай сувязі з трыма пляцоўкамі, якія адказваюць за атрыманне гэтых дадзеных і адпраўку адказаў назад на Марс.
«Пры распрацоўцы падобнай інфраструктуры ўзнікае мноства праблем. Яна павінна быць надзейнай і стабільна якая працуе, нават на максімальнай адлегласці да Марса ў 2,67 а.а. у перыяды верхняга сонечнага злучэння, калі Марс хаваецца за Сонцам», - кажа Абрахам. Такое злучэнне адбываецца кожныя два гады і поўнасцю парушае сувязь з Марсам. «Сёння з гэтым не атрымліваецца справіцца. Усе пасадачныя і арбітальныя станцыі, якія ёсць на Марсе, проста губляюць сувязь з Зямлёй прыкладна на два тыдні. З аптычнай сувяззю страты сувязі з-за сонечнага злучэння будуць яшчэ больш працяглымі, ад 10 да 15 тыдняў». Для робатаў такія прамежкі не асабліва страшныя. Такая ізаляцыя не дастаўляе ім праблем, таму што яны не пачынаюць сумаваць, не адчуваюць адзіноты, ім не трэба бачыцца з каханымі. Але для людзей усё зусім не так.
"Таму мы тэарэтычна дапускаем увод у строй двух арбітальных перадатчыкаў, размешчаных на кругавой экватарыяльнай арбіце ў 17300 км над паверхняй Марса", – працягвае Абрахам. Паводле даследавання, яны павінны важыць па 1500 кг, і мець на борце набор тэрміналаў, якія працуюць у X-дыяпазоне, Ka-дыпазоне, і аптычным дыяпазоне, а сілкавацца ад сонечных батарэй магутнасцю 20-30 квт. Яны павінны падтрымліваць пратакол, устойлівы да затрымак (Delay Tolerant Network Protocol) – па сутнасці, TCP/IP, спраектаваны для працы з вялікімі затрымкамі, якія непазбежна будуць адбывацца ў міжпланетных сетках. Якія ўдзельнічаюць у сетцы арбітальныя станцыі павінны ўмець усталёўваць сувязь з астранаўтамі і транспартнымі сродкамі на паверхні планеты, з наземнымі станцыямі і сябар з сябрам.
"Такая крыжаваная сувязь вельмі важная, паколькі памяншае колькасць антэн, якія патрабуюцца для арганізацыі перадачы дадзеных на хуткасці ў 250 Мбіт / с", – кажа Абрахам. Яго каманда мяркуе, што для атрымання дадзеных на хуткасці ў 250 Мбіт/с, перададзеных з аднаго з арбітальных перадатчыкаў запатрабуецца масіў з шасці 34-метровых антэн. Гэта значыць, што НАСА запатрабуецца пабудаваць па тры дадатковыя антэны на пляцоўках далёкай касмічнай сувязі, але на іх будаўніцтва сыходзяць гады, і каштуюць яны надзвычай дорага. "Але мы думаем, што дзве арбітальных станцыі могуць дзяліць дадзеныя паміж сабой і адпраўляць іх адначасова на хуткасці 125 Мбіт / с, калі адзін перадатчык будзе адпраўляць адну палову пакета дадзеных, а іншы - іншую", – кажа Абрахам. Нават сёння 34-метровыя антэны далёкай касмічнай сувязі могуць адначасова атрымліваць дадзеныя з чатырох розных касмічных караблёў адразу, у выніку чаго для выканання задачы запатрабуюцца тры антэны. «Для атрымання дзвюх перадач на хуткасці 125 Мбіт/с з аднаго і таго ж участку неба патрабуецца столькі ж антэн, колькі і для атрымання адной перадачы, – тлумачыць Абрахам. - Больш антэн патрабуецца, толькі калі трэба ўсталяваць сувязь на большай хуткасці».
Каб справіцца з праблемай сонечнага злучэння, каманда Абрахама прапанавала запусціць спадарожнік-перадатчык на кропкі L4/L5 арбіты Сонца-Марс/Сонца-Зямля. Тады ў перыяды злучэння яго можна будзе выкарыстоўваць для перадачы дадзеных вакол Сонцы, замест таго, каб адпраўляць сігналы скрозь яго. Нажаль, у гэты перыяд хуткасць будзе падаць да 100 Кбіт/з. Прасцей кажучы, працаваць будзе, але хрэнова.
А пакуль будучым астранаўтам на Марсе давядзецца чакаць атрымання фатаграфіі кацяняці крыху больш за тры хвіліны, не лічачы затрымак, якія могуць скласці да 40 хвілін. На шчасце, да таго часу, як амбіцыі чалавецтва пагоняць нас яшчэ далей Чырвонай планеты, міжпланетны інтэрнэт ужо будзе працаваць нядрэнна большую частку часу.
Крыніца: habr.com