„Почти няма къде да се подобри технологията, която работи на радиочестоти. Край на лесните решения"
На 26 ноември 2018 г. в 22:53 ч. московско време НАСА отново успя - сондата InSight успешно кацна на повърхността на Марс след маневри за повторно влизане, спускане и кацане, които по-късно бяха наречени "шест минути и половина ужас". Подходящо описание, тъй като инженерите на НАСА не можаха веднага да разберат дали космическата сонда е кацнала успешно на повърхността на планетата, поради забавянето на комуникацията между Земята и Марс, което беше приблизително 8,1 минути. По време на този прозорец InSight не можеше да разчита на своите по-модерни и мощни антени - всичко зависеше от старомодните UHF комуникации (този метод отдавна се използва във всичко - от телевизионни предавания и уоки-токита до устройства с Bluetooth).
В резултат на това критични данни за състоянието на InSight бяха предадени на радиовълни с честота 401,586 MHz до два спътника -, WALL-E и EVE, които след това предаваха данни със скорост от 8 Kbps до 70-метрови антени, разположени на Земята. Cubesats бяха изстреляни със същата ракета като InSight и те я придружиха по време на пътуването й до Марс, за да наблюдават кацането и незабавно да предадат данни обратно у дома. Други орбитални марсиански кораби, като напр (MRS), бяха в неудобно положение и първоначално не можаха да осигурят съобщения в реално време със спускаемия модул. Да не кажа, че цялото кацане зависи от два експериментални кубсата с размер на куфар всеки, но MRS ще може да предава данни от InSight само след още по-дълго чакане.
Кацането на InSight всъщност постави на изпитание цялата комуникационна архитектура на НАСА, „Мрежата на Марс“. Сигналът от спускаемия модул InSight, предаден на орбитални сателити, така или иначе щеше да достигне Земята, дори ако сателитите се повредиха. WALL-E и EVE бяха необходими за незабавен трансфер на информация и те го направиха. Ако тези Cubsats не работят по някаква причина, MRS е готов да изиграе своята роля. Всеки от тях действаше като възел в подобна на интернет мрежа, маршрутизирайки пакети с данни през различни терминали, съставени от различно оборудване. Днес най-ефективният от тях е MRS, способен да предава данни със скорост до 6 Mbps (и това е текущият рекорд за междупланетни мисии). Въпреки това, НАСА трябваше да работи с много по-ниски скорости в миналото - и ще се нуждае от много по-бърз трансфер на данни в бъдеще.
Подобно на вашия интернет доставчик, НАСА позволява на интернет потребителите да комуникация с космически кораби в реално време.
Deep Space Network
С нарастващото присъствие на НАСА в космоса непрекъснато се появяват подобрени комуникационни системи, покриващи все повече и повече пространство: първо това беше ниска земна орбита, след това геосинхронна орбита и Луната, а скоро комуникациите навлязоха по-дълбоко в космоса. Всичко започна с грубо ръчно радио, което използваше американски военни бази в Нигерия, Сингапур и Калифорния, за да получава телеметрия от Explorer 1, първият сателит, успешно изстрелян от американците през 1958 г. Бавно, но сигурно, тази основа еволюира в днешните усъвършенствани системи за съобщения.
Дъглас Ейбрахам, ръководител на стратегическото и системно прогнозиране в Дирекцията за междупланетни мрежи на НАСА, подчертава три независимо разработени мрежи за съобщения в космоса. Мрежата Near Earth работи с космически кораби в ниска околоземна орбита. „Това е набор от антени, предимно от 9 до 12 м. Има няколко големи, от 15 до 18 м“, казва Абрахам. След това над геосинхронната орбита на Земята има няколко сателита за проследяване и данни (TDRS). „Те могат да гледат надолу към сателити в ниска земна орбита и да комуникират с тях, след което да предават тази информация чрез TDRS на земята“, обяснява Ейбрахам. „Тази сателитна система за предаване на данни се нарича космическа мрежа на НАСА.“
Но дори TDRS не беше достатъчен, за да комуникира с космически кораб, който отиде далеч отвъд орбитата на Луната до други планети. „Така че трябваше да създадем мрежа, покриваща цялата слънчева система. И това е Deep Space Network, DSN“, казва Ейбрахам. Марсианската мрежа е разширение .
Като се има предвид мащаба и плановете, DSN е най-сложната от изброените системи. Всъщност това е набор от големи антени, от 34 до 70 m в диаметър. Всеки от трите обекта на DSN има няколко 34-метрови антени и една 70-метрова антена. Един обект се намира в Голдстоун (Калифорния), друг близо до Мадрид (Испания), а третият в Канбера (Австралия). Тези сайтове са разположени на приблизително 120 градуса един от друг около земното кълбо и осигуряват XNUMX/XNUMX покритие за всички космически кораби извън геосинхронна орбита.
34m антени са основното оборудване на DSN и се предлагат в две разновидности: стари високоефективни антени и сравнително нови вълноводни антени. Разликата е, че вълноводната антена има пет прецизни RF огледала, които отразяват сигналите по тръба към подземна контролна зала, където електрониката, която анализира тези сигнали, е по-добре защитена от всички източници на смущения. 34-метровите антени, работещи поотделно или в групи от 2-3 чинии, могат да осигурят по-голямата част от комуникацията, необходима на НАСА. Но за специални случаи, когато разстоянията стават твърде големи дори за няколко 34-метрови антени, управлението на DSN използва 70-метрови чудовища.
„Те играят важна роля в няколко случая“, казва Ейбрахам за големите антени. Първият е, когато космическият кораб е толкова далеч от Земята, че ще бъде невъзможно да се установи връзка с него с помощта на по-малка чиния. „Добри примери биха били мисията New Horizons, която вече е прелетяла далеч отвъд Плутон, или космическият кораб Voyager, който е извън Слънчевата система. Само 70-метрови антени могат да стигнат до тях и да доставят данните им на Земята “, обяснява Абрахам.
70-метровите антени се използват и когато космическият кораб не може да управлява усилващата антена или поради планирана критична ситуация като навлизане в орбита, или защото нещо се обърка. 70-метровата антена например е била използвана за безопасно връщане на Аполо 13 на Земята. Тя също възприе известната фраза на Нийл Армстронг „Малка стъпка за човека, огромна стъпка за човечеството“. И дори днес DSN остава най-модерната и чувствителна комуникационна система в света. „Но поради много причини то вече е достигнало своя предел“, предупреждава Ейбрахам. „Почти няма къде да се подобри технологията, която работи на радиочестоти. Простите решения са на изчерпване."
Три наземни станции на 120 градуса една от друга
DSN номера в Канбера
DSN комплекс в Мадрид
DSN в Голдстоун
Контролна зала в лабораторията за реактивни двигатели
Радиото и какво идва след него
Тази история не е нова. Историята на комуникациите в дълбокия космос се състои от постоянна борба за увеличаване на честотите и скъсяване на дължините на вълните. Explorer 1 използва честоти от 108 MHz. След това НАСА представи по-големи антени с по-добро усилване, които поддържаха честоти от L-обхвата, от 1 до 2 GHz. След това дойде ред на S-обхвата с честоти от 2 до 4 GHz, а след това агенцията премина към X-обхвата с честоти 7-11,2 GHz.
Днес космическите комуникационни системи отново претърпяват промени - сега те преминават към обхвата 26-40 GHz, Ka-обхвата. „Причината за тази тенденция е, че колкото по-къси са дължините на вълните и колкото по-високи са честотите, толкова повече скорости на данни можете да получите“, казва Абрахам.
Има поводи за оптимизъм, като се има предвид, че исторически скоростта на развитие на комуникацията в НАСА е доста висока. Изследователска статия от 2014 г. от Jet Propulsion Laboratory цитира следните данни за честотната лента за сравнение: ако използвахме комуникационната технология на Explorer 1, за да изпратим типична снимка на iPhone от Юпитер до Земята, това ще отнеме 460 пъти повече време от текущата възраст на Вселената. Пионерите 2 и 4 от 1960-те години на миналия век биха отнели 633 000 години. Mariner 9 от 1971 г. щеше да го направи за 55 часа. Днес ще отнеме на MPC три минути.
Единственият проблем, разбира се, е, че количеството данни, получени от космическите кораби, нараства също толкова бързо, ако не и по-бързо от нарастването на възможностите за предаване. За 40 години работа Вояджърс 1 и 2 са произвели 5 TB информация. Сателитът NISAR Earth Science, планиран за изстрелване през 2020 г., ще генерира 85 TB данни на месец. И ако спътниците на Земята са напълно способни да направят това, прехвърлянето на такъв обем данни между планетите е съвсем различна история. Дори сравнително бърз MRS ще предаде 85 TB данни на Земята за 20 години.
„Очакваната скорост на трансфер на данни за изследване на Марс в края на 2020-те и началото на 2030-те ще бъде 150 Mbps или по-висока, така че нека направим сметката“, казва Ейбрахам. – Ако космически кораб от клас MPC на максималното разстояние от нас до Марс може да изпрати около 1 Mbps към 70-метрова антена на Земята, тогава ще е необходим масив от 150 150-метрови антени, за да се установи комуникация със скорост от 70 Mbps. Да, разбира се, можем да измислим хитри начини леко да намалим тази абсурдна сума, но проблемът очевидно съществува: организирането на междупланетна комуникация със скорост от 150 Mbps е изключително трудно. Освен това изчерпваме спектъра на разрешените честоти.“
Както Ейбрахам демонстрира, работейки в S или X обхвата, една мисия с капацитет от 25 Mbps ще заеме целия наличен спектър. В Ka-обхвата има повече място, но само два спътника на Марс с честотна лента от 150 Mbps ще заемат целия спектър. Казано по-просто, междупланетарният интернет ще изисква повече от просто радио, за да работи – той ще разчита на лазери.
Появата на оптични комуникации
Лазерите звучат футуристично, но идеята за оптичните комуникации може да бъде проследена до патент, подаден от Александър Греъм Бел през 1880 г. Бел разработи система, при която слънчевата светлина, фокусирана върху много тесен лъч, се насочва към отразяваща диафрагма, която вибрира поради звуци. Вибрациите предизвикаха промени в светлината, преминаваща през лещата в грубия фотодетектор. Промените в съпротивлението на фотодетектора промениха тока, протичащ през телефона.
Системата беше нестабилна, силата на звука беше много ниска и Бел в крайна сметка се отказа от тази идея. Но почти 100 години по-късно, въоръжени с лазери и оптични влакна, инженерите на НАСА се връщат към тази стара концепция.
„Бяхме наясно с ограниченията на радиочестотните системи, така че в края на 1970-те и началото на 1980-те JPL започна да обсъжда възможността за предаване на съобщения от дълбокия космос с помощта на космически лазери“, каза Абрахам. За да разбере по-добре какво е и какво не е възможно в оптичните комуникации в дълбокия космос, лабораторията поръча четиригодишно проучване, Deep Space Relay Satellite System (DSRSS), в края на 1980-те години. Проучването трябваше да отговори на критични въпроси: какво ще кажете за времето и проблемите с видимостта (в крайна сметка радиовълните могат лесно да преминават през облаци, докато лазерите не могат)? Ами ако ъгълът на сондата Слънце-Земя стане твърде остър? Ще различи ли детектор на Земята слаб оптичен сигнал от слънчева светлина? И накрая, колко ще струва всичко това и ще си струва ли? „Все още търсим отговори на тези въпроси“, признава Ейбрахам. „Отговорите обаче все повече потвърждават възможността за оптично предаване на данни.“
DSRSS предполага, че точка над земната атмосфера би била най-подходяща за оптични и радио комуникации. Твърдеше се, че оптичната комуникационна система, инсталирана на орбиталната станция, ще работи по-добре от всяка земна архитектура, включително емблематичните 70-метрови антени. Той трябваше да разположи 10-метрова чиния в околоземна орбита и след това да я издигне до геосинхронна. Въпреки това цената на такава система - състояща се от сателит с антена, ракета-носител и пет потребителски терминала - беше непосилна. Освен това проучването дори не включва цената на необходимата спомагателна система, която ще влезе в действие в случай на повреда на сателита.
Тъй като тази система, Лабораторията започна да разглежда наземната архитектура, описана в Наземното проучване за напреднали технологии (GBATS), проведено в Лабораторията приблизително по същото време като DRSS. Хората, които работиха по GBATS, излязоха с две алтернативни предложения. Първият е инсталирането на шест станции с 10-метрови антени и метрови резервни антени, разположени на 60 градуса една от друга около екватора. Станциите трябваше да бъдат построени на планински върхове, където поне 66% от дните в годината бяха ясни. Така 2-3 станции винаги ще бъдат видими за всеки космически кораб и те ще имат различно време. Вторият вариант е девет станции, групирани в групи по три и разположени на 120 градуса една от друга. Станциите във всяка група трябва да бъдат разположени на 200 km една от друга, така че да са в пряка видимост, но в различни метеорологични клетки.
И двете GBATS архитектури бяха по-евтини от космическия подход, но също имаха проблеми. Първо, тъй като сигналите трябваше да преминат през земната атмосфера, приемането през деня би било много по-лошо от приемането през нощта поради осветеното небе. Въпреки умната подредба, наземните оптични станции ще зависят от времето. Космически кораб, насочващ лазер към наземна станция, в крайна сметка ще трябва да се адаптира към лошите метеорологични условия и да възстанови комуникацията с друга станция, която не е скрита от облаци.
Въпреки това, независимо от проблемите, проектите DSRSS и GBATS поставиха теоретичната основа на оптичните системи в дълбокия космос и съвременните разработки на инженерите от НАСА. Оставаше само да се изгради такава система и да се демонстрира нейната производителност. За щастие това беше само след няколко месеца.
Изпълнение на проекта
По това време оптичното предаване на данни в космоса вече е осъществено. Първият тест беше извършен през 1992 г., когато сондата Галилео се насочи към Юпитер и насочи своята камера с висока разделителна способност към Земята, за да получи успешно набор от лазерни импулси, изпратени от 60-сантиметровия телескоп Table Mountain Observatory Telescope и 1,5-метровия телескоп Starfire Optical Range на USAF в Ню Мексико. В този момент Галилео се намира на 1,4 милиона километра от Земята, но и двата лазерни лъча попадат на камерата му.
Японската и Европейската космически агенции също успяха да установят оптични комуникации между наземни станции и сателити в околоземната орбита. След това те успяха да установят 50 Mbps връзка между двата спътника. Преди няколко години немски екип установи 5,6 Gbps кохерентна двупосочна оптична връзка между сателит NFIRE в околоземна орбита и наземна станция в Тенерифе, Испания. Но всички тези случаи бяха свързани с околоземна орбита.
Първата оптична връзка, свързваща наземна станция и космически кораб в орбита около друга планета в Слънчевата система, беше инсталирана през януари 2013 г. Черно-бяло изображение с размери 152 x 200 пиксела на Мона Лиза беше предадено от сателитната лазерна станция от следващо поколение в центъра за космически полети Goddard на NASA до Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) при 300 bps. Комуникацията беше еднопосочна. LRO изпрати изображението, получено от Земята, обратно чрез конвенционално радио. Изображението се нуждаеше от малко софтуерно коригиране на грешки, но дори и без това кодиране беше лесно за разпознаване. И по това време вече беше планирано изстрелването на по-мощна система към Луната.
От проекта Lunar Reconnaissance Orbiter през 2013 г.: За да изчистят грешките при предаване, въведени от земната атмосфера (вляво), учени от Центъра за космически полети Goddard приложиха корекция на грешките на Рийд-Соломон (вдясно), която се използва широко в CD и DVD дискове. Типичните грешки включват липсващи пиксели (бели) и фалшиви сигнали (черни). Бяла лента показва лека пауза в предаването.
«» (LADEE) навлезе в орбитата на Луната на 6 октомври 2013 г. и само седмица по-късно изстреля своя импулсен лазер за предаване на данни. Този път НАСА се опита да организира двупосочна комуникация със скорост от 20 Mbps в тази посока и рекордна скорост от 622 Mbps в обратната посока. Единственият проблем беше краткият живот на мисията. Оптичната комуникация LRO работи само за няколко минути. LADEE комуникира с лазера си в продължение на 16 часа за общо 30 дни. Тази ситуация трябва да се промени, когато бъде изстрелян Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD), планиран за юни 2019 г. Неговата задача е да покаже как ще работят бъдещите комуникационни системи в космоса.
LCRD се разработва в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА в сътрудничество с лабораторията на Линкълн в MIT. Той ще има два оптични терминала: единият за комуникация в ниска околоземна орбита, другият за дълбокия космос. Първият ще трябва да използва диференциално фазово изместване (DPSK). Предавателят ще изпраща лазерни импулси с честота 2,88 GHz. Използвайки тази технология, всеки бит ще бъде кодиран от фазовата разлика на последователни импулси. Той ще може да работи при 2,88 Gbps, но ще изисква много енергия. Детекторите са способни да откриват само импулсни разлики във високоенергийни сигнали, така че DPSK работи чудесно с комуникации близо до Земята, но не е най-добрият метод за дълбокия космос, където съхранението на енергия е проблематично. Сигнал, изпратен от Марс, ще загуби енергия, преди да достигне Земята, така че LCRD ще използва по-ефективна технология, импулсно-фазова модулация, за да демонстрира оптична комуникация с дълбокия космос.
Инженерите на НАСА подготвят LADEE за тестване
През 2017 г. инженерите тестваха летателни модеми в термична вакуумна камера
„По същество това е броене на фотони“, обяснява Ейбрахам. – Краткият период, отделен за комуникация, е разделен на няколко времеви сегмента. За да получите данните, просто трябва да проверите дали фотоните във всяка от пролуките са се сблъскали с детектора. Ето как данните се кодират във FIM. Това е като морзовата азбука, само че при супер бърза скорост. Или има проблясък в определен момент, или няма и съобщението е кодирано от поредица от проблясъци. „Въпреки че това е много по-бавно от DPSK, все пак можем да установим оптични комуникации със скорости от десетки или стотици Mbps до Марс“, добавя Абрахам.
Разбира се, проектът LCRD не е само за тези два терминала. Трябва да работи и като интернет възел в космоса. На земята ще има три станции, работещи с LCRD: една в White Sands в Ню Мексико, една в Table Mountain в Калифорния и една на остров Хавай или Мауи. Идеята е да се тества превключването от една наземна станция към друга при лошо време на една от станциите. Мисията също ще тества работата на LCRD като предавател на данни. Оптичният сигнал от една от станциите ще отиде до сателита и след това ще бъде предаден на друга станция - и всичко това чрез оптична комуникация.
Ако не е възможно данните да се прехвърлят незабавно, LCRD ще ги съхрани и прехвърли, когато е възможно. Ако данните са спешни или няма достатъчно място за съхранение на борда, LCRD ще ги изпрати незабавно чрез своята Ka-band антена. И така, предшественикът на бъдещите предавателни сателити, LCRD ще бъде хибридна радиооптична система. Това е точно такъв тип единица, която НАСА трябва да постави в орбита около Марс, за да организира междупланетна мрежа, която да поддържа човешкото изследване на дълбокия космос през 2030-те години.
Вкарване на Марс онлайн
През изминалата година екипът на Ейбрахам написа два документа, описващи бъдещето на комуникациите в дълбокия космос, които ще бъдат представени на конференцията SpaceOps във Франция през май 2019 г. Единият описва комуникациите в дълбокия космос като цяло, а другият (““) предложи подробно описание на инфраструктурата, способна да предостави услуга, подобна на интернет, за астронавтите на Червената планета.
Пиковите средни скорости на данни бяха оценени на 215 Mbps за изтегляне и 28 Mbps за качване. Марсианският интернет ще се състои от три мрежи: WiFi, покриваща изследователската зона на повърхността, планетарната мрежа, предаваща данни от повърхността към Земята, и наземната мрежа, комуникационна мрежа в дълбокия космос с три сайта, отговорни за получаването на тези данни и изпращането на отговори обратно на Марс.
„При разработването на такава инфраструктура има много проблеми. Той трябва да бъде надежден и стабилен, дори и на максималното разстояние до Марс от 2,67 AU. по време на периоди на превъзходна слънчева връзка, когато Марс се крие зад Слънцето“, казва Абрахам. Такъв съвпад се случва на всеки две години и напълно прекъсва комуникацията с Марс. „Днес не можем да се справим с това. Всички кацащи и орбитални станции, които са на Марс, просто губят контакт със Земята за около две седмици. При оптична комуникация загубата на комуникация поради слънчевата връзка ще бъде дори по-дълга, 10 до 15 седмици. За роботите такива пропуски не са особено страшни. Такава изолация не им създава проблеми, защото не скучаят, не изпитват самота, нямат нужда да виждат близките си. Но за хората това изобщо не е така.
„Следователно ние теоретично позволяваме пускането в експлоатация на два орбитални предавателя, разположени в кръгова екваториална орбита на 17300 1500 км над повърхността на Марс“, продължава Абрахам. Според проучването те трябва да тежат 20 кг всеки, да носят набор от терминали, работещи в X-обхвата, Ka-обхвата и оптичния обхват, и да се захранват от слънчеви панели с мощност 30-XNUMX kW. Те трябва да поддържат Delay Tolerant Network Protocol – по същество TCP/IP, предназначен да се справя с големите закъснения, които междупланетните мрежи неизбежно ще изпитат. Орбиталните станции, участващи в мрежата, трябва да могат да комуникират с астронавти и превозни средства на повърхността на планетата, с наземни станции и помежду си.
„Този разговор е много важен, защото намалява броя на антените, необходими за предаване на данни при 250 Mbps“, казва Абрахам. Неговият екип изчислява, че ще е необходим набор от шест 250-метрови антени, за да получат 34 Mbps данни от един от орбиталните предаватели. Това означава, че НАСА ще трябва да изгради три допълнителни антени в комуникационните обекти в дълбокия космос, но изграждането им отнема години и е изключително скъпо. „Но ние смятаме, че две орбитални станции могат да споделят данни помежду си и да ги изпращат едновременно със скорост от 125 Mbps, където единият предавател ще изпрати едната половина от пакета данни, а другият ще изпрати другата“, казва Абрахам. Дори днес 34-метровите комуникационни антени за дълбок космос могат едновременно да получават данни от четири различни космически кораба наведнъж, което води до необходимостта от три антени за изпълнение на задачата. „Необходими са същия брой антени, за да се получат две 125 Mbps предавания от една и съща област на небето, колкото е необходимо, за да се получи едно предаване“, обяснява Ейбрахам. „Повече антени са необходими само ако трябва да комуникирате с по-висока скорост.“
За да се справи с проблема със слънчевата свързаност, екипът на Ейбрахам предложи изстрелването на предавателен сателит до точките L4/L5 на орбитата Слънце-Марс/Слънце-Земя. Тогава, по време на периоди на връзка, той може да се използва за предаване на данни около Слънцето, вместо да изпраща сигнали през него. За съжаление през този период скоростта ще падне до 100 Kbps. Просто казано, ще работи, но е гадно.
Междувременно бъдещите астронавти на Марс ще трябва да изчакат малко повече от три минути, за да получат снимка на коте, без да се броят закъсненията, които могат да достигнат до 40 минути. За щастие, докато амбициите на човечеството ни отведат дори по-далеч от Червената планета, междупланетарният интернет вече ще работи доста добре през повечето време.
Източник: www.habr.com