„Technologii, která funguje na rádiových frekvencích, není téměř kde zlepšovat. Snadná řešení konec"
26. listopadu 2018 ve 22:53 moskevského času se to NASA opět povedlo – sonda InSight úspěšně přistála na povrchu Marsu po návratech, sestupu a přistávacích manévrech, které později dostaly přezdívku „šest a půl minuty hrůzy“. Výstižný popis, protože inženýři NASA nemohli okamžitě vědět, zda vesmírná sonda úspěšně přistála na povrchu planety, kvůli časovému zpoždění komunikace mezi Zemí a Marsem, které bylo přibližně 8,1 minuty. Během tohoto okna se InSight nemohl spolehnout na své modernější a výkonnější antény – vše záviselo na staromódní UHF komunikaci (tato metoda se dlouho používala ve všem, od televizního vysílání a vysílaček až po zařízení s technologií Bluetooh).
V důsledku toho byla kritická data o stavu InSight přenášena na rádiových vlnách s frekvencí 401,586 MHz na dva satelity -, WALL-E a EVE, které pak přenášely data rychlostí 8 Kbps do 70metrových antén umístěných na Zemi. Cubesaty byly vypuštěny na stejné raketě jako InSight a doprovázely ji na její cestě na Mars, aby pozorovaly přistání a okamžitě přenesly data zpět domů. Ostatní obíhající marťanské lodě, jako např (MRS), byly v nepohodlné pozici a nemohly zpočátku poskytovat zprávy v reálném čase s landerem. Neříkám, že celé přistání záviselo na dvou experimentálních Cubesatech velikosti kufru, ale data z InSight by MRS mohla přenášet až po ještě delším čekání.
Přistání InSight ve skutečnosti otestovalo celou komunikační architekturu NASA, „síť Mars“. Signál z přistávacího modulu InSight, přenášený na družice na oběžné dráze, by se k Zemi dostal tak jako tak, i kdyby družice selhaly. WALL-E a EVE byly potřebné k okamžitému přenosu informací a udělaly to. Pokud by tyto Cubsaty z nějakého důvodu nefungovaly, MRS byla připravena sehrát svou roli. Každý z nich fungoval jako uzel v síti podobné internetu a směroval datové pakety přes různé terminály složené z různých zařízení. Dnes je z nich nejúčinnější MRS, schopný přenášet data rychlostí až 6 Mbps (a to je aktuální rekord meziplanetárních misí). NASA však v minulosti musela pracovat mnohem pomaleji – a v budoucnu bude potřebovat mnohem rychlejší přenos dat.
Stejně jako váš ISP, NASA umožňuje uživatelům internetu komunikace s kosmickou lodí v reálném čase.
Deep Space Network
S rostoucí přítomností NASA ve vesmíru se neustále objevují vylepšené komunikační systémy, které pokrývají stále větší prostor: nejprve to byla nízká oběžná dráha Země, poté geosynchronní dráha a Měsíc a brzy se komunikace dostala hlouběji do vesmíru. Všechno to začalo hrubým ručním rádiem, které využívalo americké vojenské základny v Nigérii, Singapuru a Kalifornii k příjmu telemetrie z Explorer 1, první družice úspěšně vypuštěné Američany v roce 1958. Tento základ se pomalu, ale jistě vyvinul v dnešní pokročilé systémy zasílání zpráv.
Douglas Abraham, vedoucí strategických a systémových předpovědí v meziplanetárním ředitelství NASA, zdůrazňuje tři nezávisle vyvinuté sítě pro zasílání zpráv ve vesmíru. Síť Near Earth Network operuje s kosmickými loděmi na nízké oběžné dráze Země. "Je to sada antén, většinou 9 až 12 m. Existuje několik velkých, 15 až 18 m," říká Abraham. Nad geosynchronní dráhou Země se pak nachází několik sledovacích a datových satelitů (TDRS). „Mohou se dívat dolů na satelity na nízké oběžné dráze Země a komunikovat s nimi a poté tyto informace přenášet přes TDRS na zem,“ vysvětluje Abraham. "Tento satelitní systém přenosu dat se nazývá vesmírná síť NASA."
Ale ani TDRS nestačilo komunikovat s kosmickou lodí, která se dostala daleko za oběžnou dráhu Měsíce k jiným planetám. „Takže jsme museli vytvořit síť pokrývající celou sluneční soustavu. A toto je Deep Space Network, DSN,“ říká Abraham. Marťanská síť je rozšíření .
DSN je vzhledem k rozsahu a plánům nejsložitější z uvedených systémů. Ve skutečnosti se jedná o sadu velkých antén o průměru od 34 do 70 m. Každá ze tří lokalit DSN má několik 34m antén a jednu 70m anténu. Jedno místo se nachází v Goldstone (Kalifornie), další poblíž Madridu (Španělsko) a třetí v Canbeře (Austrálie). Tato místa jsou umístěna přibližně 120 stupňů od sebe po celé zeměkouli a poskytují XNUMX/XNUMX pokrytí pro všechny kosmické lodě mimo geosynchronní oběžnou dráhu.
34m antény jsou základním vybavením DSN a dodávají se ve dvou variantách: staré vysoce účinné antény a relativně nové vlnovodné antény. Rozdíl je v tom, že vlnovodná anténa má pět přesných RF zrcadel, která odrážejí signály potrubím do podzemní řídící místnosti, kde je elektronika, která tyto signály analyzuje, lépe chráněna před všemi zdroji rušení. 34metrové antény, pracující jednotlivě nebo ve skupinách po 2-3 parabolách, mohou zajistit většinu komunikace potřebné pro NASA. Ale pro speciální případy, kdy jsou vzdálenosti příliš dlouhé i pro několik 34m antén, používá správa DSN 70m monstra.
"V několika případech hrají důležitou roli," říká Abraham o velkých anténách. První je, když je kosmická loď tak daleko od Země, že s ní nebude možné navázat komunikaci pomocí menší paraboly. „Dobrým příkladem by mohla být mise New Horizons, která již letěla daleko za Pluto, nebo kosmická loď Voyager, která je mimo sluneční soustavu. Pouze 70metrové antény jsou schopny se k nim dostat a doručit svá data na Zemi, “vysvětluje Abraham.
70metrové paraboly se také používají, když kosmická loď není schopna ovládat pomocnou anténu, buď kvůli plánované kritické situaci, jako je vstup na orbitální dráhu, nebo protože se něco velmi pokazí. 70metrová anténa byla například použita k bezpečnému návratu Apolla 13 na Zemi. Přijala také slavnou větu Neila Armstronga „Malý krok pro člověka, velký krok pro lidstvo“. A i dnes zůstává DSN nejpokročilejším a nejcitlivějším komunikačním systémem na světě. „Ale z mnoha důvodů už dosáhl svého limitu,“ varuje Abraham. „Technologii, která funguje na rádiových frekvencích, není téměř kde zlepšovat. Jednoduchá řešení docházejí."
Tři pozemní stanice 120 stupňů od sebe
DSN desky v Canbeře
DSN komplex v Madridu
DSN v Goldstone
Kontrolní místnost v Laboratoři proudového pohonu
Rádio a co bude po něm
Tento příběh není nový. Historie komunikací v hlubokém vesmíru se skládá z neustálého boje o zvýšení frekvencí a zkrácení vlnových délek. Explorer 1 používal frekvence 108 MHz. NASA poté představila větší antény s lepším ziskem, které podporovaly frekvence z L-pásma, od 1 do 2 GHz. Pak přišlo na řadu pásmo S s frekvencemi od 2 do 4 GHz a poté agentura přešla na pásmo X s frekvencemi 7-11,2 GHz.
Vesmírné komunikační systémy dnes opět procházejí změnami – nyní přecházejí do pásma 26–40 GHz, pásma Ka. „Důvodem tohoto trendu je, že čím kratší vlnové délky a vyšší frekvence, tím vyšší přenosovou rychlost můžete získat,“ říká Abraham.
Vzhledem k tomu, že historicky byla rychlost rozvoje komunikace v NASA poměrně vysoká, existují důvody k optimismu. Výzkumný dokument z Jet Propulsion Laboratory z roku 2014 uvádí pro srovnání následující údaje o propustnosti: pokud bychom použili komunikační technologie Explorer 1 k přenosu typické fotografie z iPhonu z Jupiteru na Zemi, trvalo by to 460krát déle než současný věk vesmíru. Průkopníkům 2 a 4 z 1960. let by to trvalo 633 000 let. Mariner 9 z roku 1971 by to zvládl za 55 hodin. Dnes to MPC zabere tři minuty.
Jediným problémem je samozřejmě to, že množství dat přijímaných kosmickými loděmi roste stejně rychle, ne-li rychleji než růst přenosových schopností. Za 40 let provozu Voyagery 1 a 2 vyprodukovaly 5 TB informací. Satelit NISAR Earth Science, jehož start je naplánován na rok 2020, vyprodukuje 85 TB dat za měsíc. A pokud jsou toho družice Země docela schopné, přenos takového objemu dat mezi planetami je úplně jiný příběh. I relativně rychlá MRS bude na Zemi přenášet 85 TB dat po dobu 20 let.
„Odhadované rychlosti přenosu dat pro průzkum Marsu koncem 2020. a začátkem 2030. let 150. století budou 1 Mb/s nebo vyšší, tak pojďme spočítat,“ říká Abraham. – Pokud kosmická loď třídy MPC v maximální vzdálenosti od nás k Marsu může vyslat asi 70 Mbps do 150metrové antény na Zemi, pak by bylo zapotřebí pole 150 70metrových antén pro navázání komunikace rychlostí 150 Mbps. Ano, samozřejmě, dokážeme vymyslet chytré způsoby, jak toto absurdní množství mírně snížit, ale problém zjevně existuje: organizovat meziplanetární komunikaci rychlostí XNUMX Mbps je extrémně obtížné. Navíc nám dochází spektrum povolených frekvencí.“
Jak Abraham předvádí, při provozu v pásmu S nebo X zabere jediná mise s kapacitou 25 Mbps celé dostupné spektrum. V Ka-pásmu je více místa, ale pouze dva satelity Marsu s šířkou pásma 150 Mbps obsadí celé spektrum. Jednoduše řečeno, meziplanetární internet bude ke svému provozu vyžadovat víc než jen rádio – bude se spoléhat na lasery.
Nástup optických komunikací
Lasery zní futuristicky, ale myšlenku optické komunikace lze vysledovat zpět k patentu, který podal Alexander Graham Bell v 1880. letech XNUMX. století. Bell vyvinul systém, ve kterém sluneční světlo, zaměřené na velmi úzký paprsek, bylo nasměrováno na reflexní membránu, která vibrovala v důsledku zvuků. Vibrace způsobily změny ve světle procházejícím čočkou do hrubého fotodetektoru. Změny odporu fotodetektoru změnily proud protékající telefonem.
Systém byl nestabilní, hlasitost byla velmi nízká a Bell nakonec od této myšlenky upustil. Ale téměř o 100 let později, vyzbrojeni lasery a vláknovou optikou, jsou inženýři NASA zpět k tomuto starému konceptu.
"Byli jsme si vědomi omezení RF systémů, takže koncem 1970. a začátkem 1980. let JPL začala diskutovat o možnosti přenosu zpráv z hlubokého vesmíru pomocí vesmírných laserů," řekl Abraham. Aby bylo možné lépe porozumět tomu, co je a není možné v optických komunikacích v hlubokém vesmíru, zadala laboratoř koncem 1980. let čtyřletou studii Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). Studie měla odpovědět na kritické otázky: jak je to s počasím a problémy s viditelností (koneckonců rádiové vlny mohou snadno procházet mraky, zatímco lasery ne)? Co když bude úhel sondy Slunce-Země příliš ostrý? Rozezná detektor na Zemi slabý optický signál od slunečního světla? A nakonec, kolik to všechno bude stát a bude to stát za to? „Stále hledáme odpovědi na tyto otázky,“ uznává Abraham. "Odpovědi však stále více potvrzují možnost přenosu optických dat."
DSRSS navrhl, že bod nad zemskou atmosférou by byl nejvhodnější pro optickou a rádiovou komunikaci. Tvrdilo se, že optický komunikační systém instalovaný na orbitální stanici bude fungovat lépe než jakákoli pozemská architektura, včetně ikonických 70metrových antén. Mělo rozmístit 10metrovou parabolu na orbitu blízko Země a poté ji zvednout na geosynchronní. Náklady na takový systém – skládající se z družice s parabolou, odpalovací rakety a pěti uživatelských terminálů – však byly příliš vysoké. Studie navíc nezahrnovala ani náklady na nezbytný pomocný systém, který by byl uveden do provozu v případě poruchy satelitu.
Jako tento systém se laboratoř začala zabývat pozemní architekturou popsanou ve studii Ground Based Advanced Technology Study (GBATS) provedené v laboratoři přibližně ve stejnou dobu jako DRSS. Lidé, kteří na GBATS pracovali, přišli se dvěma alternativními návrhy. Prvním je instalace šesti stanic s 10metrovými anténami a metrovými náhradními anténami, které jsou od sebe vzdáleny 60 stupňů kolem rovníku. Stanice musely být vybudovány na vrcholcích hor, kde bylo jasno alespoň 66 % dnů v roce. Takže 2-3 stanice budou vždy viditelné pro jakoukoli kosmickou loď a budou mít různé počasí. Druhou možností je devět stanic, seskupených do skupin po třech a umístěných od sebe o 120 stupňů. Stanice v každé skupině by měly být umístěny 200 km od sebe tak, aby byly v přímé viditelnosti, ale v různých buňkách počasí.
Obě architektury GBATS byly levnější než vesmírný přístup, ale také měly problémy. Za prvé, protože signály musely projít zemskou atmosférou, denní příjem by byl kvůli osvětlené obloze mnohem horší než noční. Navzdory chytrému uspořádání budou pozemní optické stanice záviset na počasí. Kosmická loď zaměřující laser na pozemní stanici se nakonec bude muset přizpůsobit špatným povětrnostním podmínkám a obnovit komunikaci s jinou stanicí, která není zakryta mraky.
Bez ohledu na problémy však projekty DSRSS a GBATS položily teoretický základ pro optické systémy hlubokého vesmíru a moderní vývoj inženýrů v NASA. Zbývalo pouze takový systém postavit a předvést jeho výkon. Naštěstí to bylo jen pár měsíců.
Realizace projektu
V té době již proběhl optický přenos dat ve vesmíru. První test byl proveden v roce 1992, kdy sonda Galileo mířila k Jupiteru a otočila svou kameru s vysokým rozlišením směrem k Zemi, aby úspěšně přijala sadu laserových pulsů odeslaných z 60cm dalekohledu Table Mountain Observatory Telescope a 1,5m USAF Starfire Optical Range Telescope v Novém Mexiku. V tu chvíli byl Galileo 1,4 milionu km od Země, ale oba laserové paprsky dopadly na jeho kameru.
Japonské a evropské vesmírné agentury také dokázaly navázat optickou komunikaci mezi pozemními stanicemi a satelity na oběžné dráze Země. Poté se jim podařilo navázat spojení o rychlosti 50 Mbps mezi oběma satelity. Před několika lety německý tým vytvořil koherentní obousměrné optické spojení 5,6 Gbps mezi satelitem NFIRE na oběžné dráze Země a pozemní stanicí na Tenerife ve Španělsku. Ale všechny tyto případy byly spojeny s oběžnou dráhou blízko Země.
Vůbec první optické spojení spojující pozemní stanici a kosmickou loď na oběžné dráze kolem jiné planety sluneční soustavy bylo instalováno v lednu 2013. Černobílý snímek Mony Lisy o rozměrech 152 x 200 pixelů byl přenesen ze satelitní laserové stanice nové generace v Goddardově centru kosmických letů NASA na Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) rychlostí 300 bps. Komunikace byla jednosměrná. LRO poslal snímek přijatý ze Země zpět přes konvenční rádio. Obrázek potřeboval malou opravu softwarových chyb, ale i bez tohoto kódování byl snadno rozpoznatelný. A v té době se již plánoval start výkonnějšího systému na Měsíc.
Z projektu Lunar Reconnaissance Orbiter v roce 2013: Aby se odstranily chyby přenosu způsobené zemskou atmosférou (vlevo), vědci z Goddard Space Flight Center použili opravu chyb Reed-Solomon (vpravo), která se hojně používá na discích CD a DVD. Mezi typické chyby patří chybějící pixely (bílé) a falešné signály (černé). Bílý pruh označuje mírnou pauzu v přenosu.
«» (LADEE) vstoupil na oběžnou dráhu Měsíce 6. října 2013 a jen o týden později spustil svůj pulzní laser pro přenos dat. Tentokrát se NASA pokusila zorganizovat obousměrnou komunikaci rychlostí 20 Mbps v tomto směru a rekordní rychlostí 622 Mbps v opačném směru. Jediným problémem byla krátká životnost mise. Optická komunikace LRO fungovala jen několik minut. LADEE komunikoval se svým laserem 16 hodin celkem 30 dní. Tato situace by se měla změnit, když bude vypuštěna družice Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD), naplánovaná na červen 2019. Jejím úkolem je ukázat, jak budou fungovat budoucí komunikační systémy ve vesmíru.
LCRD je vyvíjen v NASA Jet Propulsion Laboratory ve spolupráci s Lincoln Laboratory na MIT. Bude mít dva optické terminály: jeden pro komunikaci na nízké oběžné dráze Země, druhý pro hluboký vesmír. První bude muset používat diferenciální klíčování fázovým posunem (DPSK). Vysílač bude vysílat laserové pulsy na frekvenci 2,88 GHz. Pomocí této technologie bude každý bit zakódován fázovým rozdílem po sobě jdoucích pulzů. Bude schopen pracovat rychlostí 2,88 Gbps, ale bude vyžadovat hodně energie. Detektory jsou schopny detekovat pouze rozdíly v pulzech ve vysokoenergetických signálech, takže DPSK funguje skvěle s komunikací v blízkosti Země, ale není to nejlepší metoda pro hluboký vesmír, kde je ukládání energie problematické. Signál vyslaný z Marsu ztratí energii dříve, než dosáhne Země, takže LCRD použije účinnější technologii, pulzně fázovou modulaci, k demonstraci optické komunikace s hlubokým vesmírem.
Inženýři NASA připravují LADEE k testování
V roce 2017 inženýři testovali letové modemy v tepelné vakuové komoře
"V podstatě jde o počítání fotonů," vysvětluje Abraham. – Krátká doba vyhrazená pro komunikaci je rozdělena do několika časových úseků. Chcete-li získat data, stačí zkontrolovat, zda se fotony v každé z mezer srazily s detektorem. Takto jsou data zakódována ve FIM." Je to jako Morseova abeceda, jen superrychlou rychlostí. Buď v určitém okamžiku blikne, nebo ne, a zpráva je zakódována sekvencí bliknutí. „I když je to mnohem pomalejší než DPSK, stále můžeme navázat optickou komunikaci rychlostí desítek nebo stovek Mbps až na Mars,“ dodává Abraham.
Projekt LCRD samozřejmě není jen o těchto dvou terminálech. Měl by také fungovat jako internetový uzel ve vesmíru. Na zemi budou LCRD provozovat tři stanice: jedna ve White Sands v Novém Mexiku, jedna ve Stolové hoře v Kalifornii a jedna na ostrově Hawaii nebo Maui. Cílem je otestovat přepnutí z jedné pozemní stanice na druhou v případě špatného počasí na jedné ze stanic. Mise bude také testovat provoz LCRD jako vysílače dat. Optický signál z jedné ze stanic půjde na družici a poté se přenese na jinou stanici – a to vše prostřednictvím optické komunikace.
Pokud není možné data přenést okamžitě, LCRD je uloží a přenese, jakmile to bude možné. Pokud jsou data naléhavá nebo na palubě není dostatek úložného prostoru, LCRD je okamžitě odešle prostřednictvím své antény v pásmu Ka. LCRD, předchůdce budoucích vysílacích satelitů, bude hybridní radiooptický systém. Je to přesně ten druh jednotky, kterou NASA potřebuje umístit na oběžnou dráhu kolem Marsu, aby mohla zorganizovat meziplanetární síť, která podporuje lidský průzkum hlubokého vesmíru ve 2030. letech XNUMX. století.
Uvedení Marsu online
Abrahamův tým během minulého roku napsal dva články popisující budoucnost komunikací v hlubokém vesmíru, které budou prezentovány na konferenci SpaceOps ve Francii v květnu 2019. Jeden popisuje komunikaci v hlubokém vesmíru obecně, druhý („““) nabídl podrobný popis infrastruktury schopné poskytovat astronautům na Rudé planetě službu podobnou internetu.
Špičkové průměrné datové rychlosti byly odhadnuty na 215 Mbps pro stahování a 28 Mbps pro upload. Marťanský internet se bude skládat ze tří sítí: WiFi pokrývající výzkumnou oblast na povrchu, planetární síť přenášející data z povrchu na Zemi a pozemská síť, komunikační síť hlubokého vesmíru se třemi místy zodpovědnými za příjem těchto dat a zasílání odpovědí zpět na Mars.
„Při budování takové infrastruktury je mnoho problémů. Musí být spolehlivý a stabilní i při maximální vzdálenosti k Marsu 2,67 AU. během období nadřazené sluneční konjunkce, kdy se Mars skrývá za Sluncem,“ říká Abraham. K takové konjunkci dochází každé dva roky a zcela přeruší komunikaci s Marsem. "Dnes si s tím nevíme rady. Všechny přistávací a orbitální stanice, které jsou na Marsu, jednoduše ztratí kontakt se Zemí asi na dva týdny. U optické komunikace bude ztráta komunikace v důsledku solárního připojení ještě delší, 10 až 15 týdnů.“ Pro roboty nejsou takové mezery nijak zvlášť děsivé. Taková izolace jim nedělá problémy, protože se nenudí, neprožívají samotu, nepotřebují se vídat se svými blízkými. U lidí to tak ale vůbec není.
„Proto teoreticky umožňujeme zprovoznění dvou orbitálních vysílačů umístěných na kruhové rovníkové dráze 17300 1500 km nad povrchem Marsu,“ pokračuje Abraham. Podle studie by měly každý vážit 20 30 kg, nést sadu terminálů pracujících v pásmu X, Ka a optickém pásmu a být napájeny solárními panely o výkonu XNUMX-XNUMX kW. Musí podporovat síťový protokol odolný vůči zpožděním – v podstatě TCP/IP, navržený tak, aby zvládal velká zpoždění, která meziplanetární sítě nevyhnutelně zažívají. Orbitální stanice účastnící se sítě musí být schopny komunikovat s astronauty a vozidly na povrchu planety, s pozemními stanicemi i mezi sebou navzájem.
„Tento přeslech je velmi důležitý, protože snižuje počet antén potřebných k přenosu dat rychlostí 250 Mb/s,“ říká Abraham. Jeho tým odhaduje, že k příjmu dat o rychlosti 250 Mb/s z jednoho z vysílačů na oběžné dráze by bylo potřeba pole šesti 34metrových antén. To znamená, že NASA bude muset postavit tři další antény na komunikačních místech hlubokého vesmíru, ale jejich výstavba trvá roky a jsou extrémně drahé. „Myslíme si ale, že dvě orbitální stanice mohou mezi sebou sdílet data a zároveň je posílat rychlostí 125 Mbps, kdy jeden vysílač pošle jednu polovinu datového paketu a druhý pošle druhou,“ říká Abraham. Dokonce i dnes mohou 34metrové komunikační antény hlubokého vesmíru současně přijímat data ze čtyř různých kosmických lodí najednou, což má za následek potřebu tří antén pro dokončení úkolu. „Pro příjem dvou 125 Mbps vysílání ze stejné oblasti oblohy je potřeba stejný počet antén, jako pro příjem jednoho vysílání,“ vysvětluje Abraham. "Více antén je potřeba pouze v případě, že potřebujete komunikovat vyšší rychlostí."
Aby se vypořádal s problémem sluneční konektivity, navrhl Abrahamův tým vypuštění družice vysílače do bodů L4/L5 na oběžné dráze Slunce-Mars/Slunce-Země. Pak, během období spojení, může být použit k přenosu dat kolem Slunce, místo toho, aby přes něj posílal signály. Bohužel v tomto období rychlost klesne na 100 Kbps. Jednoduše řečeno, bude to fungovat, ale naštve.
Mezitím budou muset potenciální astronauti na Marsu čekat něco málo přes tři minuty, než obdrží fotografii kotěte, nepočítaje zpoždění, které může být až 40 minut. Naštěstí v době, kdy nás ambice lidstva zaženou ještě dál než na Rudou planetu, meziplanetární internet už bude většinu času fungovat docela dobře.
Zdroj: www.habr.com