«Δεν υπάρχει σχεδόν πουθενά βελτίωση της τεχνολογίας που λειτουργεί στις ραδιοσυχνότητες. Εύκολες λύσεις τέλος"
Στις 26 Νοεμβρίου 2018 στις 22:53 ώρα Μόσχας, η NASA πέτυχε ξανά - το ανιχνευτή InSight προσγειώθηκε επιτυχώς στην επιφάνεια του Άρη μετά από ελιγμούς επανεισόδου, καθόδου και προσγείωσης, οι οποίοι αργότερα ονομάστηκαν "εξήμισι λεπτά τρόμου". Μια εύστοχη περιγραφή, γιατί οι μηχανικοί της NASA δεν μπορούσαν να γνωρίζουν αμέσως εάν το διαστημικό σκάφος είχε προσγειωθεί με επιτυχία στην επιφάνεια του πλανήτη, λόγω της χρονικής καθυστέρησης στις επικοινωνίες μεταξύ Γης και Άρη, που ήταν περίπου 8,1 λεπτά. Κατά τη διάρκεια αυτού του παραθύρου, το InSight δεν μπορούσε να βασιστεί στις πιο σύγχρονες και ισχυρές κεραίες του - τα πάντα εξαρτιόνταν από παλιομοδίτικες επικοινωνίες UHF (αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό σε οτιδήποτε, από τηλεοπτικές εκπομπές και walkie-talkies έως συσκευές Bluetooh).
Ως αποτέλεσμα, κρίσιμα δεδομένα για την κατάσταση του InSight μεταδόθηκαν σε ραδιοκύματα με συχνότητα 401,586 MHz σε δύο δορυφόρους -, WALL-E και EVE, τα οποία στη συνέχεια μετέφεραν δεδομένα με ταχύτητα 8 Kbps σε κεραίες 70 μέτρων που βρίσκονται στη Γη. Οι Cubesats εκτοξεύτηκαν στον ίδιο πύραυλο με το InSight και το συνόδευσαν στο ταξίδι του στον Άρη για να παρατηρήσουν την προσγείωση και να μεταδώσουν δεδομένα πίσω στο σπίτι αμέσως. Άλλα αρειανά πλοία που βρίσκονται σε τροχιά, όπως π.χ (MRS), βρίσκονταν σε άβολη θέση και στην αρχή δεν μπορούσαν να παράσχουν μηνύματα σε πραγματικό χρόνο με το αεροσκάφος. Για να μην πω ότι ολόκληρη η προσγείωση εξαρτιόταν από δύο πειραματικά Cubesat σε μέγεθος βαλίτσας το καθένα, αλλά το MRS θα μπορούσε να μεταδώσει δεδομένα από το InSight μόνο μετά από ακόμη μεγαλύτερη αναμονή.
Η προσγείωση InSight έθεσε στην πραγματικότητα ολόκληρη την αρχιτεκτονική επικοινωνιών της NASA, το «Δίκτυο του Άρη», σε δοκιμή. Το σήμα από το σκάφος προσεδάφισης InSight, που μεταδόθηκε σε δορυφόρους σε τροχιά, θα είχε φτάσει στη Γη ούτως ή άλλως, ακόμα κι αν οι δορυφόροι αποτύγχανε. Το WALL-E και το EVE χρειάστηκαν για άμεση μεταφορά πληροφοριών και το κατάφεραν. Εάν αυτά τα Cubsat δεν λειτουργούσαν για κάποιο λόγο, η MRS ήταν έτοιμη να παίξει τον ρόλο τους. Καθένα από αυτά λειτουργούσε ως κόμβος σε ένα δίκτυο παρόμοιο με το Διαδίκτυο, δρομολογώντας πακέτα δεδομένων μέσω διαφορετικών τερματικών που αποτελούνταν από διαφορετικό εξοπλισμό. Σήμερα, το πιο αποτελεσματικό από αυτά είναι το MRS, ικανό να μεταδίδει δεδομένα με ταχύτητες έως και 6 Mbps (και αυτό είναι το τρέχον ρεκόρ για διαπλανητικές αποστολές). Ωστόσο, η NASA έπρεπε να λειτουργεί με πολύ χαμηλότερες ταχύτητες στο παρελθόν - και θα χρειαστεί πολύ πιο γρήγορη μεταφορά δεδομένων στο μέλλον.
Όπως ο ISP σας, η NASA επιτρέπει στους χρήστες του Διαδικτύου επικοινωνία με διαστημόπλοιο σε πραγματικό χρόνο.
Deep Space Network
Με την αυξανόμενη παρουσία της NASA στο διάστημα, εμφανίζονται συνεχώς βελτιωμένα συστήματα επικοινωνίας, που καλύπτουν όλο και περισσότερο χώρο: πρώτα ήταν η χαμηλή τροχιά της Γης, μετά η γεωσύγχρονη τροχιά και η Σελήνη και σύντομα οι επικοινωνίες πήγαν βαθύτερα στο διάστημα. Όλα ξεκίνησαν με ένα ακατέργαστο φορητό ραδιόφωνο που χρησιμοποίησε στρατιωτικές βάσεις των ΗΠΑ στη Νιγηρία, τη Σιγκαπούρη και την Καλιφόρνια για να λάβει τηλεμετρία από τον Explorer 1, τον πρώτο δορυφόρο που εκτοξεύτηκε με επιτυχία από τους Αμερικανούς το 1958. Αργά αλλά σταθερά, αυτή η βάση έχει εξελιχθεί στα σημερινά προηγμένα συστήματα ανταλλαγής μηνυμάτων.
Ο Douglas Abraham, επικεφαλής στρατηγικής και προβλέψεων συστημάτων στη Διεύθυνση Διαπλανητικών Δικτύων της NASA, επισημαίνει τρία ανεξάρτητα ανεπτυγμένα δίκτυα για ανταλλαγή μηνυμάτων στο διάστημα. Το δίκτυο Near Earth λειτουργεί με διαστημόπλοια σε χαμηλή τροχιά της Γης. "Είναι ένα σύνολο κεραιών, κυρίως 9m έως 12m. Υπάρχουν μερικές μεγάλες, 15m έως 18m", λέει ο Abraham. Στη συνέχεια, πάνω από τη γεωσύγχρονη τροχιά της Γης, υπάρχουν αρκετοί δορυφόροι παρακολούθησης και δεδομένων (TDRS). «Μπορούν να κοιτάξουν προς τα κάτω τους δορυφόρους σε χαμηλή τροχιά της Γης και να επικοινωνήσουν μαζί τους και στη συνέχεια να μεταδώσουν αυτές τις πληροφορίες μέσω TDRS στο έδαφος», εξηγεί ο Αβραάμ. «Αυτό το δορυφορικό σύστημα μετάδοσης δεδομένων ονομάζεται διαστημικό δίκτυο της NASA».
Αλλά ακόμη και το TDRS δεν ήταν αρκετό για να επικοινωνήσει με ένα διαστημόπλοιο που πήγε πολύ πέρα από την τροχιά της Σελήνης σε άλλους πλανήτες. «Έπρεπε λοιπόν να δημιουργήσουμε ένα δίκτυο που να καλύπτει ολόκληρο το ηλιακό σύστημα. Και αυτό είναι το Deep Space Network, DSN», λέει ο Abraham. Το Αρειανό Δίκτυο είναι μια επέκταση .
Δεδομένης της έκτασης και των σχεδίων, το DSN είναι το πιο περίπλοκο από τα αναφερόμενα συστήματα. Στην πραγματικότητα, πρόκειται για ένα σύνολο μεγάλων κεραιών, διαμέτρου από 34 έως 70 m. Κάθε μία από τις τρεις τοποθεσίες DSN έχει αρκετές κεραίες 34 μέτρων και μία κεραία 70 μέτρων. Η μία τοποθεσία βρίσκεται στο Goldstone (Καλιφόρνια), μια άλλη κοντά στη Μαδρίτη (Ισπανία) και η τρίτη στην Καμπέρα (Αυστραλία). Αυτές οι τοποθεσίες βρίσκονται σε απόσταση περίπου 120 μοιρών σε όλο τον κόσμο και παρέχουν κάλυψη XNUMX/XNUMX για όλα τα διαστημόπλοια εκτός γεωσύγχρονης τροχιάς.
Οι κεραίες 34m είναι ο βασικός εξοπλισμός της DSN και διατίθενται σε δύο ποικιλίες: παλιές κεραίες υψηλής απόδοσης και σχετικά νέες κεραίες κυματοδηγού. Η διαφορά είναι ότι η κεραία κυματοδηγού έχει πέντε ακριβείς καθρέφτες ραδιοσυχνοτήτων που αντανακλούν τα σήματα κάτω από έναν σωλήνα σε ένα υπόγειο δωμάτιο ελέγχου, όπου τα ηλεκτρονικά που αναλύουν αυτά τα σήματα προστατεύονται καλύτερα από όλες τις πηγές παρεμβολών. Οι κεραίες 34 μέτρων, που λειτουργούν μεμονωμένα ή σε ομάδες των 2-3 πιάτων, μπορούν να παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος της επικοινωνίας που χρειάζεται η NASA. Αλλά για ειδικές περιπτώσεις όπου οι αποστάσεις γίνονται πολύ μεγάλες ακόμη και για λίγες κεραίες 34 μέτρων, η διαχείριση DSN χρησιμοποιεί τέρατα 70 μέτρων.
«Παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλές περιπτώσεις», λέει ο Αβραάμ για τις μεγάλες κεραίες. Το πρώτο είναι όταν το διαστημικό σκάφος είναι τόσο μακριά από τη Γη που θα είναι αδύνατη η επικοινωνία μαζί του χρησιμοποιώντας ένα μικρότερο πιάτο. «Καλά παραδείγματα θα ήταν η αποστολή New Horizons, η οποία έχει ήδη πετάξει πολύ πέρα από τον Πλούτωνα, ή το διαστημόπλοιο Voyager, το οποίο βρίσκεται εκτός του ηλιακού συστήματος. Μόνο οι κεραίες 70 μέτρων μπορούν να περάσουν σε αυτές και να παραδώσουν τα δεδομένα τους στη Γη », εξηγεί ο Αβραάμ.
Τα πιάτα 70 μέτρων χρησιμοποιούνται επίσης όταν το διαστημικό σκάφος δεν μπορεί να λειτουργήσει την ενισχυτική κεραία, είτε λόγω προγραμματισμένης κρίσιμης κατάστασης όπως η τροχιακή είσοδος, είτε επειδή κάτι πάει πολύ στραβά. Η κεραία των 70 μέτρων, για παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε για την ασφαλή επιστροφή του Apollo 13 στη Γη. Υιοθέτησε επίσης τη διάσημη γραμμή του Νιλ Άρμστρονγκ, «Ένα μικρό βήμα για τον άνθρωπο, ένα γιγάντιο βήμα για την ανθρωπότητα». Και ακόμη και σήμερα, το DSN παραμένει το πιο προηγμένο και ευαίσθητο σύστημα επικοινωνίας στον κόσμο. «Αλλά για πολλούς λόγους, έχει ήδη φτάσει στα όριά του», προειδοποιεί ο Αβραάμ. «Δεν υπάρχει σχεδόν πουθενά βελτίωση της τεχνολογίας που λειτουργεί σε ραδιοσυχνότητες. Οι απλές λύσεις εξαντλούνται».
Τρεις επίγειοι σταθμοί σε απόσταση 120 μοιρών
Πλάκες DSN στην Καμπέρα
Συγκρότημα DSN στη Μαδρίτη
DSN στο Goldstone
Αίθουσα ελέγχου στο Εργαστήριο Jet Propulsion
Ραδιόφωνο και τι ακολουθεί
Αυτή η ιστορία δεν είναι καινούργια. Η ιστορία των επικοινωνιών στο βαθύ διάστημα αποτελείται από έναν συνεχή αγώνα για την αύξηση των συχνοτήτων και τη μείωση των μηκών κύματος. Ο Explorer 1 χρησιμοποιούσε συχνότητες 108 MHz. Στη συνέχεια, η NASA εισήγαγε μεγαλύτερες κεραίες με καλύτερη απόδοση που υποστήριζαν συχνότητες από τη ζώνη L, από 1 έως 2 GHz. Έπειτα ήρθε η σειρά του S-band, με συχνότητες από 2 έως 4 GHz, και μετά το πρακτορείο πέρασε στο X-band, με συχνότητες 7-11,2 GHz.
Σήμερα, τα συστήματα διαστημικών επικοινωνιών υφίστανται και πάλι αλλαγές - τώρα μετακινούνται στη ζώνη των 26-40 GHz, τη ζώνη Ka-band. "Ο λόγος για αυτήν την τάση είναι ότι όσο μικρότερα είναι τα μήκη κύματος και όσο υψηλότερες οι συχνότητες, τόσο περισσότερους ρυθμούς δεδομένων μπορείτε να πάρετε", λέει ο Abraham.
Υπάρχουν λόγοι αισιοδοξίας, δεδομένου ότι ιστορικά η ταχύτητα ανάπτυξης της επικοινωνίας στη NASA ήταν αρκετά υψηλή. Μια ερευνητική εργασία του 2014 από το Jet Propulsion Laboratory αναφέρει τα ακόλουθα δεδομένα εύρους ζώνης για σύγκριση: αν χρησιμοποιούσαμε την τεχνολογία επικοινωνιών του Explorer 1 για να στείλουμε μια τυπική φωτογραφία iPhone από τον Δία στη Γη, θα χρειαζόταν 460 φορές περισσότερο από την τρέχουσα ηλικία του σύμπαντος. Τα Pioneers 2 και 4 από τη δεκαετία του 1960 θα χρειάζονταν 633 χρόνια. Το Mariner 000 από το 9 θα το έκανε σε 1971 ώρες. Σήμερα το MPC θα πάρει τρία λεπτά.
Το μόνο πρόβλημα, φυσικά, είναι ότι ο όγκος των δεδομένων που λαμβάνονται από τα διαστημόπλοια αυξάνεται εξίσου γρήγορα, αν όχι ταχύτερα από την ανάπτυξη των δυνατοτήτων μετάδοσης. Πάνω από 40 χρόνια λειτουργίας, τα Voyagers 1 και 2 παρήγαγαν 5 TB πληροφοριών. Ο δορυφόρος NISAR Earth Science, που έχει προγραμματιστεί να εκτοξευτεί το 2020, θα παράγει 85 TB δεδομένων το μήνα. Και αν οι δορυφόροι της Γης είναι αρκετά ικανοί να το κάνουν αυτό, η μεταφορά ενός τέτοιου όγκου δεδομένων μεταξύ πλανητών είναι μια εντελώς διαφορετική ιστορία. Ακόμη και ένα σχετικά γρήγορο MRS θα μεταδίδει 85 TB δεδομένων στη Γη για 20 χρόνια.
«Οι εκτιμώμενοι ρυθμοί μεταφοράς δεδομένων για την εξερεύνηση του Άρη στα τέλη της δεκαετίας του 2020 και στις αρχές του 2030 θα είναι 150 Mbps ή υψηλότεροι, οπότε ας κάνουμε τα μαθηματικά», λέει ο Abraham. – Εάν ένα διαστημόπλοιο κατηγορίας MPC στη μέγιστη απόσταση από εμάς στον Άρη μπορεί να στείλει περίπου 1 Mbps σε μια κεραία 70 μέτρων στη Γη, τότε θα απαιτηθεί μια συστοιχία 150 κεραιών 150 μέτρων για την πραγματοποίηση επικοινωνίας με ταχύτητα 70 Mbps. Ναι, φυσικά, μπορούμε να βρούμε έξυπνους τρόπους για να μειώσουμε ελαφρώς αυτό το παράλογο ποσό, αλλά το πρόβλημα προφανώς υπάρχει: η οργάνωση διαπλανητικής επικοινωνίας με ταχύτητα 150 Mbps είναι εξαιρετικά δύσκολη. Επιπλέον, εξαντλούμε το φάσμα των επιτρεπόμενων συχνοτήτων».
Όπως αποδεικνύει ο Abraham, λειτουργώντας στη ζώνη S ή X, μια αποστολή με χωρητικότητα 25 Mbps θα καταλαμβάνει ολόκληρο το διαθέσιμο φάσμα. Υπάρχει περισσότερος χώρος στη ζώνη Ka, αλλά μόνο δύο δορυφόροι του Άρη με εύρος ζώνης 150 Mbps θα καταλαμβάνουν ολόκληρο το φάσμα. Με απλά λόγια, το διαπλανητικό Διαδίκτυο θα απαιτεί περισσότερα από ένα απλό ραδιόφωνο για να λειτουργήσει – θα βασίζεται σε λέιζερ.
Η έλευση των οπτικών επικοινωνιών
Τα λέιζερ ακούγονται φουτουριστικά, αλλά η ιδέα των οπτικών επικοινωνιών μπορεί να αναχθεί σε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που κατατέθηκε από τον Alexander Graham Bell τη δεκαετία του 1880. Ο Bell ανέπτυξε ένα σύστημα στο οποίο το φως του ήλιου, εστιασμένο σε μια πολύ στενή δέσμη, κατευθυνόταν σε ένα ανακλαστικό διάφραγμα που δονούνταν λόγω των ήχων. Οι δονήσεις προκάλεσαν διακυμάνσεις στο φως που διέρχεται από τον φακό στον ακατέργαστο φωτοανιχνευτή. Οι αλλαγές στην αντίσταση του φωτοανιχνευτή άλλαξαν το ρεύμα που διέρχεται από το τηλέφωνο.
Το σύστημα ήταν ασταθές, η ένταση ήταν πολύ χαμηλή και ο Μπελ τελικά εγκατέλειψε αυτή την ιδέα. Αλλά σχεδόν 100 χρόνια αργότερα, οπλισμένοι με λέιζερ και οπτικές ίνες, οι μηχανικοί της NASA επιστρέφουν σε αυτή την παλιά ιδέα.
«Γνωρίζαμε για τους περιορισμούς των συστημάτων ραδιοσυχνοτήτων, έτσι στα τέλη της δεκαετίας του 1970, στις αρχές της δεκαετίας του 1980, στο Εργαστήριο Jet Propulsion, άρχισαν να συζητούν τη δυνατότητα μετάδοσης μηνυμάτων από το βαθύ διάστημα χρησιμοποιώντας διαστημικά λέιζερ», είπε ο Abraham. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τι είναι και τι δεν είναι δυνατό στις οπτικές επικοινωνίες στο βάθος του διαστήματος, το εργαστήριο ανέθεσε μια τετραετή μελέτη, το δορυφορικό σύστημα αναμετάδοσης βαθέων διαστήματος (DSRSS), στα τέλη της δεκαετίας του 1980. Η μελέτη έπρεπε να απαντήσει σε κρίσιμα ερωτήματα: τι γίνεται με τα προβλήματα καιρού και ορατότητας (εξάλλου, τα ραδιοκύματα μπορούν εύκολα να περάσουν μέσα από τα σύννεφα, ενώ τα λέιζερ όχι); Τι γίνεται αν η γωνία του ανιχνευτή Ήλιου-Γης γίνει πολύ έντονη; Θα διακρίνει ένας ανιχνευτής στη Γη ένα αδύναμο οπτικό σήμα από το ηλιακό φως; Και τελικά πόσο θα κοστίσει όλο αυτό και θα αξίζει τον κόπο; «Αναζητούμε ακόμα απαντήσεις σε αυτές τις ερωτήσεις», παραδέχεται ο Αβραάμ. «Ωστόσο, οι απαντήσεις επιβεβαιώνουν όλο και περισσότερο τη δυνατότητα οπτικής μετάδοσης δεδομένων».
Το DSRSS πρότεινε ότι ένα σημείο πάνω από την ατμόσφαιρα της Γης θα ήταν το καταλληλότερο για οπτικές και ραδιοεπικοινωνίες. Υποστηρίχθηκε ότι το σύστημα οπτικών επικοινωνιών που είναι εγκατεστημένο στον τροχιακό σταθμό θα λειτουργούσε καλύτερα από οποιαδήποτε επίγεια αρχιτεκτονική, συμπεριλαμβανομένων των εμβληματικών κεραιών 70 μέτρων. Υποτίθεται ότι θα αναπτύξει ένα πιάτο 10 μέτρων σε τροχιά κοντά στη Γη και στη συνέχεια το ανέβαζε σε γεωσύγχρονη. Ωστόσο, το κόστος ενός τέτοιου συστήματος -που αποτελείται από έναν δορυφόρο με ένα πιάτο, έναν πύραυλο εκτόξευσης και πέντε τερματικά χρηστών- ήταν απαγορευτικό. Επιπλέον, η μελέτη δεν περιλάμβανε καν το κόστος του απαραίτητου βοηθητικού συστήματος, το οποίο θα έμπαινε σε λειτουργία σε περίπτωση βλάβης του δορυφόρου.
Καθώς αυτό το σύστημα, το Εργαστήριο άρχισε να εξετάζει την αρχιτεκτονική εδάφους που περιγράφεται στη Μελέτη Προηγμένης Τεχνολογίας Εδάφους (GBATS) που διεξήχθη στο Εργαστήριο περίπου την ίδια εποχή με το DRSS. Οι άνθρωποι που εργάστηκαν στο GBATS κατέληξαν σε δύο εναλλακτικές προτάσεις. Ο πρώτος είναι η εγκατάσταση έξι σταθμών με κεραίες 10 μέτρων και εφεδρικές κεραίες μετρητών, που βρίσκονται σε απόσταση 60 μοιρών μεταξύ τους γύρω από τον ισημερινό. Οι σταθμοί έπρεπε να κατασκευαστούν σε βουνοκορφές, όπου τουλάχιστον το 66% των ημερών του έτους ήταν καθαρό. Έτσι, 2-3 σταθμοί θα είναι πάντα ορατοί σε οποιοδήποτε διαστημόπλοιο και θα έχουν διαφορετικό καιρό. Η δεύτερη επιλογή είναι εννέα σταθμοί, ομαδοποιημένοι σε ομάδες των τριών και βρίσκονται 120 μοίρες ο ένας από τον άλλο. Οι σταθμοί σε κάθε ομάδα θα πρέπει να βρίσκονται σε απόσταση 200 km μεταξύ τους, έτσι ώστε να βρίσκονται σε οπτική επαφή, αλλά σε διαφορετικά καιρικά κελιά.
Και οι δύο αρχιτεκτονικές GBATS ήταν φθηνότερες από τη διαστημική προσέγγιση, αλλά είχαν επίσης προβλήματα. Πρώτον, επειδή τα σήματα έπρεπε να περάσουν μέσα από την ατμόσφαιρα της Γης, η λήψη κατά τη διάρκεια της ημέρας θα ήταν πολύ χειρότερη από τη νυχτερινή λήψη λόγω του φωτισμένου ουρανού. Παρά την έξυπνη διάταξη, οι επίγειοι οπτικοί σταθμοί θα εξαρτηθούν από τον καιρό. Ένα διαστημικό σκάφος που στοχεύει ένα λέιζερ σε έναν επίγειο σταθμό θα πρέπει τελικά να προσαρμοστεί στις κακές καιρικές συνθήκες και να αποκαταστήσει την επικοινωνία με έναν άλλο σταθμό που δεν καλύπτεται από σύννεφα.
Ωστόσο, ανεξάρτητα από τα προβλήματα, τα έργα DSRSS και GBATS έθεσαν τις θεωρητικές βάσεις για οπτικά συστήματα στο βάθος του διαστήματος και σύγχρονες εξελίξεις των μηχανικών της NASA. Έμεινε μόνο να οικοδομήσουμε ένα τέτοιο σύστημα και να επιδείξουμε την απόδοσή του. Ευτυχώς, ήταν μόνο λίγοι μήνες μακριά.
Υλοποίηση του έργου
Μέχρι εκείνη τη στιγμή, η οπτική μετάδοση δεδομένων στο διάστημα είχε ήδη πραγματοποιηθεί. Η πρώτη δοκιμή διεξήχθη το 1992, όταν ο ανιχνευτής Galileo κατευθυνόταν προς τον Δία, και παρέσυρε την κάμερα υψηλής ανάλυσης προς τη Γη για να λάβει επιτυχώς ένα σύνολο παλμών λέιζερ που στάλθηκαν από το τηλεσκόπιο 60 εκατοστών Table Mountain Observatory και το Τηλεσκόπιο Οπτικής Εύρος 1,5 m USAF Starfire στο Νέο Μεξικό. Εκείνη τη στιγμή, ο Galileo βρισκόταν σε απόσταση 1,4 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, αλλά και οι δύο ακτίνες λέιζερ χτύπησαν την κάμερά του.
Οι ιαπωνικές και οι ευρωπαϊκές διαστημικές υπηρεσίες κατάφεραν επίσης να δημιουργήσουν οπτικές επικοινωνίες μεταξύ επίγειων σταθμών και δορυφόρων στην τροχιά της Γης. Στη συνέχεια μπόρεσαν να δημιουργήσουν μια σύνδεση 50 Mbps μεταξύ των δύο δορυφόρων. Πριν από μερικά χρόνια, μια γερμανική ομάδα δημιούργησε μια συνεκτική αμφίδρομη οπτική σύνδεση 5,6 Gbps μεταξύ ενός δορυφόρου NFIRE σε τροχιά της Γης και ενός επίγειου σταθμού στην Τενερίφη της Ισπανίας. Αλλά όλες αυτές οι περιπτώσεις συνδέθηκαν με τροχιά κοντά στη Γη.
Ο πρώτος οπτικός σύνδεσμος που συνδέει έναν επίγειο σταθμό και ένα διαστημόπλοιο σε τροχιά γύρω από έναν άλλο πλανήτη στο ηλιακό σύστημα εγκαταστάθηκε τον Ιανουάριο του 2013. Μια ασπρόμαυρη εικόνα 152 x 200 pixel της Μόνα Λίζα μεταδόθηκε από τον σταθμό δορυφορικής εμβέλειας λέιζερ επόμενης γενιάς στο κέντρο διαστημικών πτήσεων Goddard της NASA στο Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) στα 300 bps. Η επικοινωνία ήταν μονόδρομος. Η LRO έστειλε την εικόνα που έλαβε από τη Γη πίσω μέσω συμβατικού ραδιοφώνου. Η εικόνα χρειαζόταν λίγη διόρθωση σφάλματος λογισμικού, αλλά ακόμη και χωρίς αυτήν την κωδικοποίηση ήταν εύκολο να αναγνωριστεί. Και εκείνη την εποχή, είχε ήδη προγραμματιστεί η εκτόξευση ενός πιο ισχυρού συστήματος στη Σελήνη.
Από το έργο Lunar Reconnaissance Orbiter το 2013: Για να καθαριστούν τα σφάλματα μετάδοσης που εισάγονται από την ατμόσφαιρα της Γης (αριστερά), οι επιστήμονες στο Goddard Space Flight Center εφάρμοσαν τη διόρθωση σφαλμάτων Reed-Solomon (δεξιά), η οποία χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό σε CD και DVD. Τα τυπικά σφάλματα περιλαμβάνουν ελλείποντα pixel (λευκά) και ψευδή σήματα (μαύρο). Μια λευκή γραμμή υποδηλώνει μια μικρή παύση στη μετάδοση.
«» (LADEE) μπήκε στην τροχιά του φεγγαριού στις 6 Οκτωβρίου 2013 και μόλις μια εβδομάδα αργότερα εκτόξευσε το παλμικό του λέιζερ για μετάδοση δεδομένων. Αυτή τη φορά, η NASA προσπάθησε να οργανώσει αμφίδρομη επικοινωνία με ταχύτητα 20 Mbps προς αυτή την κατεύθυνση και ταχύτητα ρεκόρ 622 Mbps προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το μόνο πρόβλημα ήταν η μικρή διάρκεια ζωής της αποστολής. Η οπτική επικοινωνία LRO λειτούργησε μόνο για λίγα λεπτά. Ο LADEE επικοινώνησε με το λέιζερ του για 16 ώρες για συνολικά 30 ημέρες. Αυτή η κατάσταση θα αλλάξει όταν εκτοξευθεί ο δορυφόρος επίδειξης επικοινωνιών λέιζερ (LCRD), που έχει προγραμματιστεί για τον Ιούνιο του 2019. Καθήκον του είναι να δείξει πώς θα λειτουργούν μελλοντικά συστήματα επικοινωνίας στο διάστημα.
Το LCRD αναπτύσσεται στο Jet Propulsion Laboratory της NASA σε συνεργασία με το Lincoln Laboratory στο MIT. Θα έχει δύο οπτικά τερματικά: το ένα για επικοινωνία σε χαμηλή τροχιά της Γης και το άλλο για το βαθύ διάστημα. Το πρώτο θα πρέπει να χρησιμοποιήσει διαφορικό πληκτρολόγιο μετατόπισης φάσης (DPSK). Ο πομπός θα στέλνει παλμούς λέιζερ σε συχνότητα 2,88 GHz. Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνολογία, κάθε bit θα κωδικοποιείται από τη διαφορά φάσης των διαδοχικών παλμών. Θα μπορεί να λειτουργεί στα 2,88 Gbps, αλλά θα απαιτεί μεγάλη ισχύ. Οι ανιχνευτές είναι ικανοί να ανιχνεύουν μόνο παλμικές διαφορές σε σήματα υψηλής ενέργειας, επομένως το DPSK λειτουργεί εξαιρετικά με επικοινωνίες κοντά στη Γη, αλλά δεν είναι η καλύτερη μέθοδος για βαθύ διάστημα, όπου η αποθήκευση ενέργειας είναι προβληματική. Ένα σήμα που αποστέλλεται από τον Άρη θα χάσει ενέργεια πριν φτάσει στη Γη, επομένως το LCRD θα χρησιμοποιήσει μια πιο αποτελεσματική τεχνολογία, τη διαμόρφωση παλμικής φάσης, για να επιδείξει την οπτική επικοινωνία με το βαθύ διάστημα.
Οι μηχανικοί της NASA προετοιμάζουν το LADEE για δοκιμή
Το 2017, οι μηχανικοί δοκίμασαν μόντεμ πτήσης σε θάλαμο θερμικού κενού
«Ουσιαστικά, μετράει φωτόνια», εξηγεί ο Αβραάμ. – Η σύντομη περίοδος που διατίθεται για την επικοινωνία χωρίζεται σε πολλά χρονικά τμήματα. Για να λάβετε τα δεδομένα, πρέπει απλώς να ελέγξετε εάν τα φωτόνια σε κάθε ένα από τα κενά συγκρούστηκαν με τον ανιχνευτή. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο κωδικοποιούνται τα δεδομένα στο FIM." Είναι σαν τον κώδικα Μορς, μόνο σε εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα. Είτε υπάρχει ένα φλας σε μια συγκεκριμένη στιγμή, είτε δεν υπάρχει, και το μήνυμα κωδικοποιείται από μια ακολουθία αναλαμπών. «Ενώ αυτό είναι πολύ πιο αργό από το DPSK, μπορούμε ακόμα να δημιουργήσουμε οπτικές επικοινωνίες με ταχύτητες δεκάδων ή εκατοντάδων Mbps μέχρι τον Άρη», προσθέτει ο Abraham.
Φυσικά, το έργο LCRD δεν αφορά μόνο αυτούς τους δύο τερματικούς σταθμούς. Θα πρέπει επίσης να λειτουργεί ως κόμβος Διαδικτύου στο διάστημα. Στο έδαφος, θα υπάρχουν τρεις σταθμοί που θα λειτουργούν με LCRD: ένας στο White Sands στο Νέο Μεξικό, ένας στο Table Mountain στην Καλιφόρνια και ένας στο νησί της Χαβάης ή του Maui. Η ιδέα είναι να δοκιμαστεί η μετάβαση από έναν επίγειο σταθμό σε έναν άλλο σε περίπτωση κακοκαιρίας σε έναν από τους σταθμούς. Η αποστολή θα δοκιμάσει επίσης τη λειτουργία του LCRD ως πομπού δεδομένων. Το οπτικό σήμα από έναν από τους σταθμούς θα πάει στον δορυφόρο και στη συνέχεια θα μεταδοθεί σε άλλο σταθμό - και όλα αυτά μέσω οπτικής επικοινωνίας.
Εάν δεν είναι δυνατή η άμεση μεταφορά των δεδομένων, το LCRD θα τα αποθηκεύσει και θα τα μεταφέρει όταν είναι δυνατό. Εάν τα δεδομένα είναι επείγοντα ή δεν υπάρχει αρκετός αποθηκευτικός χώρος στο πλοίο, το LCRD θα τα στείλει αμέσως μέσω της κεραίας Ka-band. Έτσι, ο πρόδρομος των μελλοντικών δορυφόρων πομπών, το LCRD θα είναι ένα υβριδικό ραδιο-οπτικό σύστημα. Αυτό είναι ακριβώς το είδος της μονάδας που η NASA χρειάζεται να τοποθετήσει σε τροχιά γύρω από τον Άρη προκειμένου να οργανώσει ένα διαπλανητικό δίκτυο που υποστηρίζει την ανθρώπινη εξερεύνηση του βαθέως διαστήματος τη δεκαετία του 2030.
Φέρνοντας τον Άρη στο Διαδίκτυο
Κατά τη διάρκεια του περασμένου έτους, η ομάδα του Αβραάμ συνέταξε δύο εργασίες που περιγράφουν το μέλλον των επικοινωνιών στο βάθος του διαστήματος, οι οποίες θα παρουσιαστούν στο συνέδριο SpaceOps στη Γαλλία τον Μάιο του 2019. Η μία περιγράφει τις επικοινωνίες στο βαθύ διάστημα γενικά, η άλλη (“") πρόσφερε μια λεπτομερή περιγραφή της υποδομής που είναι ικανή να παρέχει μια υπηρεσία παρόμοια με το Διαδίκτυο για αστροναύτες στον Κόκκινο Πλανήτη.
Οι μέγιστοι μέσοι ρυθμοί δεδομένων υπολογίστηκαν σε 215 Mbps για λήψη και 28 Mbps για μεταφόρτωση. Το Διαδίκτυο του Άρη θα αποτελείται από τρία δίκτυα: WiFi που καλύπτει την περιοχή έρευνας στην επιφάνεια, το πλανητικό δίκτυο που μεταδίδει δεδομένα από την επιφάνεια στη Γη και το επίγειο δίκτυο, ένα δίκτυο επικοινωνιών στο βαθύ διάστημα με τρεις τοποθεσίες υπεύθυνες για τη λήψη αυτών των δεδομένων και την αποστολή απαντήσεων στον Άρη.
«Όταν αναπτύσσεται μια τέτοια υποδομή, υπάρχουν πολλά προβλήματα. Πρέπει να είναι αξιόπιστο και σταθερό, ακόμη και στη μέγιστη απόσταση από τον Άρη των 2,67 AU. σε περιόδους ανώτερης ηλιακής σύζευξης, όταν ο Άρης κρύβεται πίσω από τον Ήλιο», λέει ο Αβραάμ. Μια τέτοια σύζευξη συμβαίνει κάθε δύο χρόνια και διακόπτει εντελώς την επικοινωνία με τον Άρη. «Σήμερα δεν μπορούμε να το αντιμετωπίσουμε. Όλοι οι σταθμοί προσγείωσης και τροχιάς που βρίσκονται στον Άρη απλώς χάνουν την επαφή με τη Γη για περίπου δύο εβδομάδες. Με την οπτική επικοινωνία, η απώλεια επικοινωνίας λόγω της ηλιακής σύνδεσης θα είναι ακόμη μεγαλύτερη, 10 έως 15 εβδομάδες.» Για τα ρομπότ, τέτοια κενά δεν είναι ιδιαίτερα τρομακτικά. Τέτοια απομόνωση δεν τους δημιουργεί προβλήματα, γιατί δεν βαριούνται, δεν βιώνουν μοναξιά, δεν χρειάζονται να δουν τα αγαπημένα τους πρόσωπα. Αλλά για τους ανθρώπους, δεν είναι καθόλου έτσι.
«Ως εκ τούτου, θεωρητικά επιτρέπουμε τη θέση σε λειτουργία δύο τροχιακών πομπών τοποθετημένων σε μια κυκλική ισημερινή τροχιά 17300 km πάνω από την επιφάνεια του Άρη», συνεχίζει ο Abraham. Σύμφωνα με τη μελέτη, θα πρέπει να ζυγίζουν 1500 κιλά το καθένα, να φέρουν ένα σετ τερματικών που λειτουργούν στη ζώνη X, Ka-band και στην οπτική ζώνη και να τροφοδοτούνται από ηλιακούς συλλέκτες χωρητικότητας 20-30 kW. Πρέπει να υποστηρίζουν το Πρωτόκολλο Δικτύου Ανοχής σε Καθυστέρηση—ουσιαστικά TCP/IP, σχεδιασμένο για να χειρίζεται τις υψηλές καθυστερήσεις που αναπόφευκτα θα αντιμετωπίσουν τα διαπλανητικά δίκτυα. Οι τροχιακοί σταθμοί που συμμετέχουν στο δίκτυο πρέπει να μπορούν να επικοινωνούν με αστροναύτες και οχήματα στην επιφάνεια του πλανήτη, με επίγειους σταθμούς και μεταξύ τους.
«Αυτή η διασταύρωση είναι πολύ σημαντική γιατί μειώνει τον αριθμό των κεραιών που απαιτούνται για τη μετάδοση δεδομένων στα 250 Mbps», λέει ο Abraham. Η ομάδα του εκτιμά ότι θα χρειαζόταν μια συστοιχία έξι κεραιών 250 μέτρων για τη λήψη δεδομένων 34 Mbps από έναν από τους πομπούς που βρίσκονται σε τροχιά. Αυτό σημαίνει ότι η NASA θα χρειαστεί να κατασκευάσει τρεις επιπλέον κεραίες στις τοποθεσίες επικοινωνιών στο βαθύ διάστημα, αλλά αυτές χρειάζονται χρόνια για να κατασκευαστούν και είναι εξαιρετικά ακριβές. «Αλλά πιστεύουμε ότι δύο τροχιακοί σταθμοί μπορούν να μοιράζονται δεδομένα μεταξύ τους και να τα στέλνουν ταυτόχρονα με ταχύτητα 125 Mbps, όπου ο ένας πομπός θα στέλνει το μισό πακέτο δεδομένων και ο άλλος θα στέλνει το άλλο», λέει ο Abraham. Ακόμη και σήμερα, οι κεραίες επικοινωνίας του διαστήματος βάθους 34 μέτρων μπορούν ταυτόχρονα να λαμβάνουν δεδομένα από τέσσερα διαφορετικά διαστημόπλοια ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα να χρειάζονται τρεις κεραίες για να ολοκληρωθεί η εργασία. «Χρειάζεται ο ίδιος αριθμός κεραιών για τη λήψη δύο εκπομπών 125 Mbps από την ίδια περιοχή του ουρανού όσο χρειάζεται για να ληφθεί μία μετάδοση», εξηγεί ο Abraham. «Χρειάζονται περισσότερες κεραίες μόνο εάν χρειάζεται να επικοινωνείτε με μεγαλύτερη ταχύτητα».
Για να αντιμετωπίσει το πρόβλημα της ηλιακής συνδεσιμότητας, η ομάδα του Αβραάμ πρότεινε την εκτόξευση ενός δορυφόρου πομπού στα σημεία L4/L5 της τροχιάς Ήλιου-Άρη/Ήλιου-Γης. Στη συνέχεια, κατά τις περιόδους σύνδεσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση δεδομένων γύρω από τον Ήλιο, αντί να στέλνει σήματα μέσω αυτού. Δυστυχώς, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ταχύτητα θα πέσει στα 100 Kbps. Με απλά λόγια, θα λειτουργήσει, αλλά είναι χάλια.
Στο μεταξύ, οι επίδοξοι αστροναύτες στον Άρη θα πρέπει να περιμένουν λίγο περισσότερο από τρία λεπτά για να λάβουν μια φωτογραφία ενός γατιού, χωρίς να υπολογίζονται καθυστερήσεις που μπορεί να φτάνουν τα 40 λεπτά. Ευτυχώς, τη στιγμή που οι φιλοδοξίες της ανθρωπότητας θα μας οδηγήσουν ακόμα πιο μακριά από τον Κόκκινο Πλανήτη, το διαπλανητικό Διαδίκτυο θα λειτουργεί ήδη πολύ καλά τις περισσότερες φορές.
Πηγή: www.habr.com