”Der er næsten ingen steder at forbedre teknologien, der fungerer ved radiofrekvenser. Easy Solutions End"
Den 26. november 2018 kl. 22:53 Moskva-tid lykkedes det igen for NASA - InSight-sonden landede med succes på overfladen af Mars efter genindtræden, nedstigning og landingsmanøvrer, som senere blev døbt "seks og et halvt minuts rædsel". En passende beskrivelse, fordi NASA-ingeniører ikke umiddelbart kunne vide, om rumsonden med succes var landet på planetens overflade, på grund af tidsforsinkelsen i kommunikationen mellem Jorden og Mars, som var cirka 8,1 minutter. I løbet af dette vindue kunne InSight ikke stole på sine mere moderne og kraftfulde antenner - alt afhang af gammeldags UHF-kommunikation (denne metode har længe været brugt i alt fra tv-udsendelser og walkie-talkies til Bluetooh-enheder).
Som et resultat blev kritiske data om InSights tilstand transmitteret på radiobølger med en frekvens på 401,586 MHz til to satellitter -, WALL-E og EVE, som derefter transmitterede data med en hastighed på 8 Kbps til 70-meters antenner placeret på Jorden. Cubesatsen blev opsendt på den samme raket som InSight, og de fulgte den på rejsen til Mars for at observere landingen og sende data hjem med det samme. Andre kredsende Mars-skibe, som f.eks (MRS), befandt sig i en ubehagelig position og kunne i første omgang ikke levere meddelelser i realtid med landeren. For ikke at sige, at hele landingen afhang af to eksperimentelle kuffertstørrelser Cubesats hver, men MRS ville først være i stand til at transmittere data fra InSight efter en endnu længere ventetid.
InSight-landingen satte faktisk hele NASAs kommunikationsarkitektur, "Mars Network", på prøve. Signalet fra InSight-landeren, transmitteret til satellitter i kredsløb, ville alligevel have nået Jorden, selvom satellitterne fejlede. WALL-E og EVE var nødvendige for øjeblikkelig informationsoverførsel, og de gjorde det. Hvis disse Cubsats af en eller anden grund ikke virkede, var MRS klar til at spille deres rolle. Hver af dem fungerede som en knude på et internetlignende netværk og dirigerede datapakker gennem forskellige terminaler bestående af forskelligt udstyr. I dag er den mest effektive af dem MRS, der er i stand til at transmittere data med hastigheder på op til 6 Mbps (og dette er den nuværende rekord for interplanetariske missioner). NASA har dog tidligere været nødt til at operere med meget langsommere hastigheder – og vil have brug for meget hurtigere dataoverførsel i fremtiden.
Ligesom din internetudbyder tillader NASA internetbrugere at kommunikation med rumfartøjer i realtid.
Deep Space Network
Med den stigende tilstedeværelse af NASA i rummet dukker der konstant forbedrede kommunikationssystemer op, som dækker mere og mere plads: Først var det lavt kredsløb om Jorden, derefter geosynkront kredsløb og Månen, og snart gik kommunikationen dybere ud i rummet. Det hele startede med en rå håndholdt radio, der brugte amerikanske militærbaser i Nigeria, Singapore og Californien til at modtage telemetri fra Explorer 1, den første satellit, der med succes blev opsendt af amerikanerne i 1958. Langsomt men sikkert har dette grundlag udviklet sig til nutidens avancerede beskedsystemer.
Douglas Abraham, leder af strategisk og systemforudsigelse hos NASA's Interplanetary Network Directorate, fremhæver tre uafhængigt udviklede netværk til meddelelser i rummet. Near Earth Network opererer med rumfartøjer i lav kredsløb om Jorden. "Det er et sæt antenner, for det meste 9 m til 12 m. Der er et par store, 15 m til 18 m," siger Abraham. Så over Jordens geosynkrone kredsløb er der adskillige sporings- og datasatellitter (TDRS). "De kan se ned på satellitter i lav kredsløb om Jorden og kommunikere med dem, og derefter sende denne information via TDRS til jorden," forklarer Abraham. "Dette satellitdatatransmissionssystem kaldes NASAs rumnetværk."
Men selv TDRS var ikke nok til at kommunikere med et rumfartøj, der gik langt ud over Månens kredsløb til andre planeter. ”Så vi var nødt til at skabe et netværk, der dækkede hele solsystemet. Og det her er Deep Space Network, DSN,” siger Abraham. Martian Network er en udvidelse .
I betragtning af omfanget og planerne er DSN det mest komplekse af de listede systemer. Faktisk er dette et sæt store antenner, fra 34 til 70 m i diameter. Hver af de tre DSN-steder har flere 34m-antenner og en 70m-antenne. Et sted er beliggende i Goldstone (Californien), et andet nær Madrid (Spanien), og det tredje i Canberra (Australien). Disse steder er placeret cirka 120 grader fra hinanden rundt om på kloden og giver XNUMX/XNUMX dækning for alle rumfartøjer uden for geosynkron kredsløb.
34m-antenner er DSN's kerneudstyr og findes i to varianter: gamle højeffektive antenner og relativt nye bølgelederantenner. Forskellen er, at bølgelederantennen har fem præcise RF-spejle, der reflekterer signalerne ned ad et rør til et underjordisk kontrolrum, hvor elektronikken, der analyserer disse signaler, er bedre beskyttet mod alle kilder til interferens. 34-meter-antennerne, der arbejder individuelt eller i grupper af 2-3 paraboler, kan levere det meste af den kommunikation, som NASA har brug for. Men i særlige tilfælde, hvor afstande bliver for lange til selv nogle få 34m-antenner, bruger DSN-ledelsen 70m-monstre.
"De spiller en vigtig rolle i flere tilfælde," siger Abraham om store antenner. Den første er, når rumfartøjet er så langt fra Jorden, at det vil være umuligt at etablere kommunikation med det ved hjælp af en mindre skål. "Gode eksempler ville være New Horizons-missionen, som allerede er fløjet langt ud over Pluto, eller Voyager-rumfartøjet, som er uden for solsystemet. Kun 70 meter lange antenner er i stand til at komme igennem til dem og levere deres data til Jorden,” forklarer Abraham.
De 70 meter lange tallerkener bruges også, når rumfartøjet ikke er i stand til at betjene booster-antennen, enten på grund af en planlagt kritisk situation som f.eks. orbital-indgang, eller fordi noget går meget galt. Den 70 meter lange antenne blev for eksempel brugt til at returnere Apollo 13 sikkert til Jorden. Hun adopterede også Neil Armstrongs berømte linje, "Et lille skridt for mennesket, et kæmpe skridt for menneskeheden." Og selv i dag er DSN stadig det mest avancerede og følsomme kommunikationssystem i verden. "Men af mange grunde har den allerede nået sin grænse," advarer Abraham. "Der er næsten ingen steder at forbedre teknologi, der fungerer ved radiofrekvenser. Simple løsninger er ved at løbe tør."
Tre jordstationer med 120 graders mellemrum
DSN plader i Canberra
DSN-kompleks i Madrid
DSN hos Goldstone
Kontrolrum på Jet Propulsion Laboratory
Radio og hvad der kommer efter det
Denne historie er ikke ny. Historien om dyb rumkommunikation består af en konstant kamp for at øge frekvenser og forkorte bølgelængder. Explorer 1 brugte frekvenser på 108 MHz. NASA introducerede derefter større, bedre opnåede antenner, der understøttede frekvenser fra L-båndet, fra 1 til 2 GHz. Så kom turen til S-båndet, med frekvenser fra 2 til 4 GHz, og så gik bureauet over til X-båndet, med frekvenser på 7-11,2 GHz.
I dag er rumkommunikationssystemer igen under forandring - nu flytter de til 26-40 GHz-båndet, Ka-båndet. "Årsagen til denne tendens er, at jo kortere bølgelængder og jo højere frekvenser, jo flere datahastigheder kan du få," siger Abraham.
Der er grunde til optimisme i betragtning af, at hastigheden på kommunikationsudviklingen hos NASA historisk har været ret høj. Et forskningspapir fra 2014 fra Jet Propulsion Laboratory citerer følgende gennemløbsdata til sammenligning: Hvis vi brugte Explorer 1s kommunikationsteknologier til at overføre et typisk iPhone-foto fra Jupiter til Jorden, ville det tage 460 gange længere tid end den nuværende alder af Universet. Pioneer 2 og 4 fra 1960'erne ville have taget 633 år. Mariner 000 fra 9 ville have gjort det på 1971 timer. I dag vil det tage MPC tre minutter.
Det eneste problem er selvfølgelig, at mængden af data modtaget af rumfartøjer vokser lige så hurtigt, hvis ikke hurtigere end væksten i transmissionskapaciteter. Over 40 års drift producerede Voyagers 1 og 2 5 TB information. NISAR Earth Science-satellitten, der er planlagt til opsendelse i 2020, vil producere 85 TB data om måneden. Og hvis Jordens satellitter er ganske i stand til at gøre dette, er det en helt anden historie at overføre en sådan mængde data mellem planeter. Selv en relativt hurtig MRS vil overføre 85 TB data til Jorden i 20 år.
"Estimerede dataoverførselshastigheder for udforskning af Mars i slutningen af 2020'erne og begyndelsen af 2030'erne vil være 150 Mbps eller højere, så lad os regne det ud," siger Abraham. – Hvis et MPC-klasse-rumfartøj i den maksimale afstand fra os til Mars kan sende omkring 1 Mbps til en 70-meters antenne på Jorden, så ville der kræves et array af 150 150-meter-antenner for at etablere kommunikation med en hastighed på 70 Mbps . Ja, selvfølgelig kan vi finde på smarte måder at reducere denne absurde mængde på, men problemet eksisterer åbenbart: at organisere interplanetarisk kommunikation med en hastighed på 150 Mbps er ekstremt vanskelig. Derudover løber vi tør for spektret af tilladte frekvenser."
Som Abraham demonstrerer, opererer på S- eller X-båndet, vil en enkelt mission med en kapacitet på 25 Mbps optage hele det tilgængelige spektrum. Der er mere plads i Ka-båndet, men kun to Mars-satellitter med en båndbredde på 150 Mbps vil optage hele spektret. Kort sagt vil det interplanetariske internet kræve mere end blot radio for at fungere - det vil være afhængigt af lasere.
Fremkomsten af optisk kommunikation
Lasere lyder futuristisk, men ideen om optisk kommunikation kan spores tilbage til et patent indgivet af Alexander Graham Bell i 1880'erne. Bell udviklede et system, hvor sollys, fokuseret på en meget smal stråle, blev rettet mod en reflekterende membran, der vibrerede på grund af lyde. Vibrationerne forårsagede variationer i lyset, der passerede gennem linsen ind i den rå fotodetektor. Ændringer i fotodetektorens modstand ændrede strømmen, der strømmer gennem telefonen.
Systemet var ustabilt, lydstyrken var meget lav, og Bell opgav til sidst denne idé. Men næsten 100 år senere, bevæbnet med lasere og fiberoptik, er NASA-ingeniører tilbage til det gamle koncept.
"Vi var opmærksomme på begrænsningerne ved RF-systemer, så i slutningen af 1970'erne, begyndelsen af 1980'erne, begyndte JPL at diskutere muligheden for at transmittere beskeder fra det dybe rum ved hjælp af rumlasere," sagde Abraham. For bedre at forstå, hvad der er og ikke er muligt inden for optisk kommunikation i dybt rum, bestilte laboratoriet en fire-årig undersøgelse, Deep Space Relay Satellite System (DSRSS), i slutningen af 1980'erne. Undersøgelsen skulle besvare kritiske spørgsmål: hvad med vejret og sigtbarhedsproblemer (radiobølger kan jo nemt passere gennem skyer, mens lasere ikke kan)? Hvad hvis Sol-Jord-sondens vinkel bliver for skarp? Vil en detektor på Jorden skelne et svagt optisk signal fra sollys? Og endelig, hvor meget vil alt dette koste, og vil det være det værd? "Vi leder stadig efter svar på disse spørgsmål," erkender Abraham. "Men svarene bekræfter i stigende grad muligheden for optisk datatransmission."
DSRSS foreslog, at et punkt over Jordens atmosfære ville være bedst egnet til optisk og radiokommunikation. Det blev hævdet, at det optiske kommunikationssystem installeret på orbitalstationen ville fungere bedre end nogen jordbaseret arkitektur, inklusive de ikoniske 70-meter antenner. Det var meningen at den skulle placere en 10 meter lang skål i kredsløb nær Jorden og derefter hæve den til geosynkron. Udgifterne til et sådant system - bestående af en satellit med en parabol, en affyringsraket og fem brugerterminaler - var dog uoverkommelige. Desuden omfattede undersøgelsen ikke engang omkostningerne til det nødvendige hjælpesystem, som ville træde i funktion i tilfælde af en satellitfejl.
Som dette system begyndte laboratoriet at se på jordarkitekturen beskrevet i Ground Based Advanced Technology Study (GBATS) udført på laboratoriet omkring samme tid som DRSS. De personer, der arbejdede på GBATS, kom med to alternative forslag. Den første er installationen af seks stationer med 10 meter antenner og meter reserveantenner, placeret 60 grader fra hinanden omkring ækvator. Stationer skulle bygges på bjergtoppe, hvor mindst 66 % af årets dage var klare. Således vil 2-3 stationer altid være synlige for ethvert rumfartøj, og de vil have forskelligt vejr. Den anden mulighed er ni stationer, grupperet i grupper af tre og placeret 120 grader fra hinanden. Stationer inden for hver gruppe bør placeres 200 km fra hinanden, så de er i sigte, men i forskellige vejrceller.
Begge GBATS-arkitekturer var billigere end pladstilgangen, men de havde også problemer. For det første, fordi signalerne skulle passere gennem jordens atmosfære, ville modtagelse i dagtimerne være meget værre end natmodtagelse på grund af den oplyste himmel. På trods af det smarte arrangement vil jordbaserede optiske stationer afhænge af vejret. Et rumfartøj, der sigter en laser mod en jordstation, vil i sidste ende skulle tilpasse sig dårlige vejrforhold og genetablere kommunikationen med en anden station, der ikke er skjult af skyer.
Men uanset problemerne lagde DSRSS- og GBATS-projekterne det teoretiske grundlag for optiske systemer i dybt rum og moderne udvikling af ingeniører hos NASA. Det var kun tilbage at bygge et sådant system og demonstrere dets ydeevne. Heldigvis var det kun et par måneder væk.
Projektimplementering
På det tidspunkt havde optisk datatransmission i rummet allerede fundet sted. Den første test blev udført i 1992, da Galileo-sonden var på vej mod Jupiter og drejede sit højopløsningskamera mod Jorden for med succes at modtage et sæt laserimpulser fra 60 cm Table Mountain Observatory Telescope og 1,5 m USAF Starfire Optical Telescope. i New Mexico. I det øjeblik var Galileo 1,4 millioner km fra Jorden, men begge laserstråler ramte hans kamera.
De japanske og europæiske rumorganisationer har også været i stand til at etablere optisk kommunikation mellem jordstationer og satellitter i jordens kredsløb. De var derefter i stand til at etablere en 50 Mbps forbindelse mellem de to satellitter. For et par år siden etablerede et tysk hold en 5,6 Gbps sammenhængende tovejs optisk forbindelse mellem en NFIRE-satellit i kredsløb om jorden og en jordstation på Tenerife, Spanien. Men alle disse tilfælde var forbundet med kredsløb nær Jorden.
Den allerførste optiske forbindelse, der forbinder en jordstation og et rumfartøj i kredsløb om en anden planet i solsystemet, blev installeret i januar 2013. Et sort-hvidt billede på 152 x 200 pixel af Mona Lisa blev transmitteret fra Next Generation Satellite Laser Range Station ved NASAs Goddard Space Flight Center til Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) ved 300 bps. Kommunikationen var envejs. LRO sendte billedet modtaget fra Jorden tilbage via konventionel radio. Billedet trængte til lidt software fejlkorrektion, men selv uden denne kodning var det let at genkende. Og på det tidspunkt var lanceringen af et mere kraftfuldt system til Månen allerede planlagt.
Fra Lunar Reconnaissance Orbiter-projektet i 2013: For at rydde op i transmissionsfejl introduceret af Jordens atmosfære (til venstre), anvendte forskere ved Goddard Space Flight Center Reed-Solomon fejlkorrektion (højre), som er meget brugt i cd'er og dvd'er. Typiske fejl omfatter manglende pixels (hvide) og falske signaler (sort). En hvid bjælke angiver en lille pause i transmissionen.
«»(LADEE) gik ind i månens kredsløb den 6. oktober 2013 og lancerede blot en uge senere sin pulserende laser til datatransmission. Denne gang forsøgte NASA at organisere tovejskommunikation med en hastighed på 20 Mbps i den retning og en rekordhastighed på 622 Mbps i den modsatte retning. Det eneste problem var missionens korte levetid. Optisk kommunikation LRO virkede kun i få minutter. LADEE kommunikerede med sin laser i 16 timer i i alt 30 dage. Denne situation bør ændre sig, når Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD) bliver opsendt, planlagt til juni 2019. Dens opgave er at vise, hvordan fremtidige kommunikationssystemer i rummet vil fungere.
LCRD udvikles på NASAs Jet Propulsion Laboratory i samarbejde med Lincoln Laboratory ved MIT. Den vil have to optiske terminaler: den ene til kommunikation i lav kredsløb om jorden, den anden til det dybe rum. Den første skal bruge differential phase shift keying (DPSK). Senderen sender laserimpulser med en frekvens på 2,88 GHz. Ved at bruge denne teknologi vil hver bit blive kodet af faseforskellen af successive impulser. Den vil kunne køre med 2,88 Gbps, men den vil kræve meget strøm. Detektorer er kun i stand til at detektere pulsforskelle i højenergisignaler, så DPSK fungerer godt med nær-jord-kommunikation, men det er ikke den bedste metode til dybt rum, hvor energilagring er problematisk. Et signal, der sendes fra Mars, vil miste energi, før det når Jorden, så LCRD vil bruge en mere effektiv teknologi, puls-fasemodulation, til at demonstrere optisk kommunikation med det dybe rum.
NASA-ingeniører forbereder LADEE til test
I 2017 testede ingeniører flymodemmer i et termisk vakuumkammer
"I bund og grund er det at tælle fotoner," forklarer Abraham. – Den korte periode, der er afsat til kommunikation, er opdelt i flere tidssegmenter. For at få dataene skal du blot tjekke, om fotonerne ved hver af hullerne kolliderede med detektoren. Sådan er dataene kodet i FIM. Det er ligesom morsekode, kun ved superhurtig hastighed. Enten er der et blink på et bestemt tidspunkt, eller også er der ikke, og beskeden er kodet af en række blink. "Selvom dette er meget langsommere end DPSK, kan vi stadig etablere optisk kommunikation med hastigheder på titusinder eller hundreder af Mbps i en afstand til Mars," tilføjer Abraham.
Naturligvis handler LCRD-projektet ikke kun om disse to terminaler. Det skal også fungere som en internetnode i rummet. På jorden vil der være tre stationer, der driver LCRD: en i White Sands i New Mexico, en i Table Mountain i Californien og en på øen Hawaii eller Maui. Tanken er at teste overgangen fra en jordstation til en anden i tilfælde af dårligt vejr på en af stationerne. Missionen vil også teste driften af LCRD som datatransmitter. Det optiske signal fra en af stationerne vil gå til satellitten og derefter blive transmitteret til en anden station - og alt dette via optisk kommunikation.
Hvis det ikke er muligt at overføre dataene med det samme, vil LCRD gemme dem og overføre dem, når det er muligt. Hvis dataene haster, eller der ikke er nok lagerplads ombord, sender LCRD dem straks via sin Ka-båndsantenne. Så forløberen for fremtidige sendersatellitter, LCRD vil være et hybrid radio-optisk system. Det er præcis den slags enhed, som NASA skal placere i kredsløb om Mars for at organisere et interplanetarisk netværk, der understøtter menneskelig udforskning af det dybe rum i 2030'erne.
At bringe Mars online
I løbet af det seneste år har Abrahams team skrevet to artikler, der beskriver fremtiden for deep space-kommunikation, som vil blive præsenteret på SpaceOps-konferencen i Frankrig i maj 2019. Den ene beskriver deep space-kommunikation generelt, den anden (““) tilbød en detaljeret beskrivelse af infrastrukturen, der er i stand til at levere en internetlignende service til astronauter på den røde planet.
De maksimale gennemsnitlige datahastigheder blev estimeret til 215 Mbps for download og 28 Mbps for upload. Mars-internettet vil bestå af tre netværk: WiFi, der dækker forskningsområdet på overfladen, det planetariske netværk, der transmitterer data fra overfladen til Jorden, og det jordbaserede netværk, et dybrumskommunikationsnetværk med tre steder, der er ansvarlige for at modtage disse data og sende svar tilbage til Mars.
”Når man udvikler sådan en infrastruktur, er der mange problemer. Den skal være pålidelig og stabil, selv ved den maksimale afstand til Mars på 2,67 AU. i perioder med overlegen solkonjunktion, hvor Mars gemmer sig bag Solen,” siger Abraham. En sådan konjunktion opstår hvert andet år og bryder fuldstændig kommunikationen med Mars. »I dag kan vi ikke håndtere det. Alle de landings- og orbitalstationer, der er på Mars, mister simpelthen kontakten med Jorden i omkring to uger. Med optisk kommunikation vil kommunikationstabet på grund af solforbindelsen være endnu længere, 10 til 15 uger.” For robotter er sådanne huller ikke specielt skræmmende. En sådan isolation giver dem ikke problemer, fordi de ikke keder sig, oplever ikke ensomhed, de behøver ikke at se deres kære. Men for mennesker er det slet ikke sådan.
"Derfor tillader vi teoretisk idriftsættelse af to orbitale sendere placeret i en cirkulær ækvatorial bane 17300 km over Mars overflade," fortsætter Abraham. Ifølge undersøgelsen skal de veje 1500 kg hver, bære et sæt terminaler, der opererer i X-båndet, Ka-båndet og optisk bånd, og være drevet af solpaneler med en kapacitet på 20-30 kW. De skal understøtte Delay Tolerant Network Protocol – i det væsentlige TCP/IP, designet til at håndtere de høje forsinkelser, som interplanetariske netværk uundgåeligt vil opleve. De orbitale stationer, der deltager i netværket, skal være i stand til at kommunikere med astronauter og køretøjer på planetens overflade, med jordstationer og med hinanden.
"Denne krydstale er meget vigtig, fordi den reducerer antallet af antenner, der kræves for at transmittere data ved 250 Mbps," siger Abraham. Hans team anslår, at en række af seks 250-meters antenner ville være nødvendige for at modtage 34 Mbps data fra en af de kredsende sendere. Det betyder, at NASA bliver nødt til at bygge tre ekstra antenner på deep space-kommunikationssteder, men disse tager år at bygge og er ekstremt dyre. "Men vi tror, at to orbitalstationer kan dele data mellem sig og sende dem på samme tid med en hastighed på 125 Mbps, hvor den ene sender sender den ene halvdel af datapakken, og den anden sender den anden," siger Abraham . Selv i dag kan 34 meter dybe rumkommunikationsantenner samtidigt modtage data fra fire forskellige rumfartøjer på én gang, hvilket resulterer i, at der er behov for tre antenner for at fuldføre opgaven. "Det kræver det samme antal antenner at modtage to 125 Mbps transmissioner fra det samme område af himlen, som det tager at modtage en transmission," forklarer Abraham. "Flere antenner er kun nødvendige, hvis du skal kommunikere med en højere hastighed."
For at håndtere problemet med solforbindelse, foreslog Abrahams team at opsende en sendersatellit til L4/L5-punkterne i kredsløbet Sol-Mars/Sun-Jord. Så kan den i perioder med forbindelse bruges til at transmittere data omkring Solen i stedet for at sende signaler igennem den. Desværre vil hastigheden i denne periode falde til 100 Kbps. Kort sagt, det vil virke, men stinker.
I mellemtiden skal vordende astronauter på Mars vente lidt over tre minutter på at modtage et billede af en killing, ikke medregnet forsinkelser, der kan være op til 40 minutter. Heldigvis, på det tidspunkt, hvor menneskehedens ambitioner driver os endnu længere end den røde planet, vil det interplanetariske internet allerede fungere ret godt det meste af tiden.
Kilde: www.habr.com