فراخوانی به فضا: چگونه ناسا ارتباطات بین سیاره ای را تسریع می کند

«تقریباً هیچ جایی برای بهبود فناوری که در فرکانس‌های رادیویی کار می‌کند وجود ندارد. پایان راه حل های آسان"

در 26 نوامبر 2018 در ساعت 22:53 به وقت مسکو، ناسا دوباره موفق شد - کاوشگر InSight پس از مانورهای بازگشت، فرود و فرود که بعداً "شش و نیم دقیقه وحشت" نامگذاری شد، با موفقیت روی سطح مریخ فرود آمد. یک توصیف مناسب، زیرا مهندسان ناسا به دلیل تاخیر زمانی در ارتباطات بین زمین و مریخ که تقریباً 8,1 دقیقه بود، بلافاصله نمی‌توانستند بفهمند که کاوشگر فضایی با موفقیت روی سطح سیاره فرود آمده است یا خیر. در طول این پنجره، InSight نمی‌توانست به آنتن‌های مدرن‌تر و قدرتمندتر خود تکیه کند - همه چیز به ارتباطات قدیمی UHF وابسته بود (این روش مدت‌هاست که در همه چیز از پخش تلویزیونی و دستگاه‌های راه‌اندازی تلفنی گرفته تا دستگاه‌های بلوتوح استفاده می‌شود).

در نتیجه، داده های حیاتی در مورد وضعیت InSight بر روی امواج رادیویی با فرکانس 401,586 مگاهرتز به دو ماهواره ارسال شد -کوبساتا، WALL-E و EVE که سپس داده ها را با سرعت 8 کیلوبیت بر ثانیه به آنتن های 70 متری واقع در زمین منتقل می کردند. Cubesats با همان موشک InSight پرتاب شد و آنها را در سفر به مریخ همراهی کردند تا فرود را مشاهده کنند و داده ها را بلافاصله به خانه منتقل کنند. سایر کشتی های مریخی در حال گردش، مانند ماهواره شناسایی مریخ (MRS)، در موقعیت ناراحت کننده ای قرار داشتند و در ابتدا نمی توانستند پیام های بلادرنگ را با فرودگر ارائه دهند. ناگفته نماند که کل فرود به دو کیوبسات آزمایشی به اندازه چمدان بستگی داشت، اما MRS تنها پس از یک انتظار طولانی‌تر می‌تواند داده‌ها را از InSight ارسال کند.

فرود InSight در واقع کل معماری ارتباطات ناسا، "شبکه مریخ" را مورد آزمایش قرار داد. سیگنال فرودگر InSight که به ماهواره‌های در حال گردش ارسال می‌شود، به هر حال به زمین می‌رسید، حتی اگر ماهواره‌ها از کار بیفتند. WALL-E و EVE برای انتقال اطلاعات فوری مورد نیاز بودند و آنها این کار را انجام دادند. اگر این Cubsat ها به دلایلی کار نمی کردند، MRS آماده ایفای نقش آنها بود. هر یک از آنها به عنوان یک گره در یک شبکه اینترنت مانند عمل می کردند و بسته های داده را از طریق پایانه های مختلف که از تجهیزات مختلف تشکیل شده بودند، مسیریابی می کردند. امروزه کارآمدترین آنها MRS است که قادر به انتقال داده با سرعت 6 مگابیت در ثانیه است (و این رکورد فعلی برای ماموریت های بین سیاره ای است). با این حال، ناسا در گذشته مجبور بود با سرعت بسیار کمتری کار کند - و در آینده به انتقال داده بسیار سریعتر نیاز خواهد داشت.

مانند ISP شما، ناسا به کاربران اینترنت اجازه می دهد چک کنید ارتباط با فضاپیما در زمان واقعی

شبکه فضای عمیق

با حضور روزافزون ناسا در فضا، سیستم‌های ارتباطی بهبودیافته‌ای دائماً ظاهر می‌شوند و فضای بیشتری را پوشش می‌دهند: ابتدا مدار زمین پایین بود، سپس مدار ژئوسنکرون و ماه و به زودی ارتباطات به عمق فضا رفت. همه چیز با یک رادیو دستی خام شروع شد که از پایگاه های نظامی ایالات متحده در نیجریه، سنگاپور و کالیفرنیا برای دریافت تله متری از اکسپلورر 1، اولین ماهواره ای که با موفقیت توسط آمریکایی ها در سال 1958 پرتاب شد، استفاده می کرد. به آرامی اما مطمئناً این اساس به سیستم های پیام رسانی پیشرفته امروزی تبدیل شده است.

داگلاس آبراهام، رئیس پیش بینی راهبردی و سیستمی در اداره شبکه بین سیاره ای ناسا، سه شبکه مستقل را برای پیام رسانی در فضا برجسته می کند. شبکه Near Earth با فضاپیما در مدار پایین زمین کار می کند. آبراهام می‌گوید: «این مجموعه‌ای از آنتن‌ها است، عمدتاً 9 تا 12 متر. چند آنتن بزرگ، 15 تا 18 متر وجود دارد. سپس در بالای مدار ژئوسنکرون زمین، چندین ماهواره ردیابی و داده (TDRS) وجود دارد. آبراهام توضیح می‌دهد: «آن‌ها می‌توانند به ماهواره‌هایی که در مدار پایین زمین هستند نگاه کنند و با آنها ارتباط برقرار کنند و سپس این اطلاعات را از طریق TDRS به زمین منتقل کنند». این سیستم انتقال داده های ماهواره ای شبکه فضایی ناسا نامیده می شود.

اما حتی TDRS برای برقراری ارتباط با فضاپیمایی که بسیار فراتر از مدار ماه به سیارات دیگر رفته بود کافی نبود. بنابراین ما مجبور شدیم شبکه ای ایجاد کنیم که کل منظومه شمسی را پوشش دهد. آبراهام می گوید و این شبکه فضایی عمیق، DSN است. شبکه مریخی یک توسعه است DSN.

با توجه به گستردگی و برنامه ها، DSN پیچیده ترین سیستم در لیست است. در واقع این مجموعه ای از آنتن های بزرگ با قطر 34 تا 70 متر است. هر یک از سه سایت DSN دارای چندین آنتن 34 متری و یک آنتن 70 متری است. یک سایت در گلدستون (کالیفرنیا)، دیگری در نزدیکی مادرید (اسپانیا) و سومی در کانبرا (استرالیا) واقع شده است. این سایت‌ها با فاصله تقریباً 120 درجه در سراسر جهان قرار دارند و پوشش XNUMX/XNUMX را برای همه فضاپیماهای خارج از مدار ژئوسنکرون فراهم می‌کنند.

آنتن های 34 متری تجهیزات اصلی DSN هستند و در دو نوع عرضه می شوند: آنتن های قدیمی با راندمان بالا و آنتن های نسبتا جدید موجبر. تفاوت این است که آنتن موجبر دارای پنج آینه RF دقیق است که سیگنال ها را از لوله به اتاق کنترل زیرزمینی منعکس می کند، جایی که الکترونیکی که آن سیگنال ها را تجزیه و تحلیل می کند بهتر از همه منابع تداخل محافظت می شود. آنتن های 34 متری که به صورت انفرادی یا در گروه های 2 تا 3 تایی کار می کنند، می توانند بیشتر ارتباطات مورد نیاز ناسا را ​​تامین کنند. اما برای موارد خاص که مسافت برای حتی چند آنتن 34 متری بسیار طولانی می شود، مدیریت DSN از هیولاهای 70 متری استفاده می کند.

آبراهام در مورد آنتن‌های بزرگ می‌گوید: «آن‌ها در چندین مورد نقش مهمی دارند. اولین مورد زمانی است که فضاپیما آنقدر از زمین فاصله دارد که برقراری ارتباط با آن با استفاده از یک ظرف کوچکتر غیرممکن خواهد بود. نمونه‌های خوب مأموریت نیوهورایزنز است که قبلاً بسیار فراتر از پلوتون پرواز کرده است، یا فضاپیمای وویجر که خارج از منظومه شمسی است. آبراهام توضیح می‌دهد که فقط آنتن‌های 70 متری می‌توانند به آن‌ها برسند و داده‌های خود را به زمین برسانند.

ظروف 70 متری همچنین زمانی استفاده می شوند که فضاپیما قادر به کار با آنتن تقویت کننده نباشد، یا به دلیل یک موقعیت بحرانی برنامه ریزی شده مانند ورود به مدار یا به دلیل اینکه مشکلی بسیار اشتباه پیش می رود. به عنوان مثال، از آنتن 70 متری برای بازگرداندن ایمن آپولو 13 به زمین استفاده شد. او همچنین از جمله معروف نیل آرمسترانگ، "گامی کوچک برای انسان، گامی عظیم برای بشریت" استفاده کرد. و حتی امروزه، DSN پیشرفته ترین و حساس ترین سیستم ارتباطی در جهان باقی مانده است. ابراهیم هشدار می‌دهد: «اما به دلایل زیادی، قبلاً به حد خود رسیده است. تقریباً هیچ جایی برای بهبود فناوری که در فرکانس‌های رادیویی کار می‌کند وجود ندارد. راه‌حل‌های ساده در حال اتمام هستند.»

سه ایستگاه زمینی با فاصله 120 درجه از هم

صفحات DSN در کانبرا

مجتمع DSN در مادرید

DSN در گلدستون

اتاق کنترل در آزمایشگاه پیشرانه جت

رادیو و آنچه بعد از آن می آید

این داستان جدید نیست. تاریخچه ارتباطات اعماق فضایی شامل یک مبارزه دائمی برای افزایش فرکانس و کوتاه کردن طول موج است. Explorer 1 از فرکانس های 108 مگاهرتز استفاده می کرد. سپس ناسا آنتن‌های بزرگ‌تر و بهتری را معرفی کرد که فرکانس‌های باند L را از 1 تا 2 گیگاهرتز پشتیبانی می‌کردند. سپس نوبت به باند S رسید، با فرکانس‌های 2 تا 4 گیگاهرتز، و سپس آژانس به باند X با فرکانس‌های 7 تا 11,2 گیگاهرتز روی آورد.

امروزه، سیستم های ارتباطات فضایی دوباره دستخوش تغییراتی شده اند - اکنون آنها به باند 26-40 گیگاهرتز، باند Ka، می روند. آبراهام می‌گوید: «دلیل این روند این است که هر چه طول موج‌ها کوتاه‌تر و فرکانس‌ها بالاتر باشد، نرخ داده‌های بیشتری می‌توانید دریافت کنید.

با توجه به اینکه از نظر تاریخی سرعت توسعه ارتباطات در ناسا بسیار بالا بوده است، دلایلی برای خوش بینی وجود دارد. یک مقاله تحقیقاتی در سال 2014 از آزمایشگاه پیشرانه جت، داده های پهنای باند زیر را برای مقایسه ذکر می کند: اگر از فناوری ارتباطات اکسپلورر 1 برای ارسال یک عکس آیفون معمولی از مشتری به زمین استفاده کنیم، 460 برابر بیشتر از سن فعلی جهان طول می کشد. پیشگامان 2 و 4 از دهه 1960 633 سال طول می کشد. مارینر 000 از سال 9 این کار را در 1971 ساعت انجام می داد. امروز MPC سه دقیقه طول می کشد.

البته تنها مشکل این است که میزان داده های دریافتی توسط فضاپیماها به همان سرعت، اگر نه سریعتر از رشد قابلیت های انتقال، در حال رشد است. بیش از 40 سال کار، وویجرز 1 و 2 5 ترابایت اطلاعات تولید کردند. ماهواره NISAR Earth Science که قرار است در سال 2020 پرتاب شود، ماهانه 85 ترابایت داده تولید خواهد کرد. و اگر ماهواره های زمین کاملاً قادر به انجام این کار باشند، انتقال چنین حجمی از داده ها بین سیارات داستان کاملاً متفاوتی است. حتی یک MRS نسبتا سریع 85 ترابایت داده را به مدت 20 سال به زمین ارسال می کند.

آبراهام می‌گوید: «نرخ‌های تخمینی انتقال داده برای اکتشاف مریخ در اواخر دهه 2020 و اوایل دهه 2030، 150 مگابیت در ثانیه یا بیشتر خواهد بود، بنابراین بیایید حساب را انجام دهیم. - اگر یک فضاپیمای کلاس MPC در حداکثر فاصله از ما تا مریخ بتواند حدود 1 مگابیت در ثانیه را به یک آنتن 70 متری روی زمین ارسال کند، برای برقراری ارتباط با سرعت 150 مگابیت بر ثانیه به آرایه ای از 150 آنتن 70 متری نیاز است. بله، البته، ما می‌توانیم راه‌های هوشمندانه‌ای برای کاهش اندکی این مقدار پوچ ارائه کنیم، اما مشکل آشکارا وجود دارد: سازماندهی ارتباطات بین سیاره‌ای با سرعت ۱۵۰ مگابیت در ثانیه بسیار دشوار است. علاوه بر این، طیف فرکانس‌های مجاز در حال اتمام است.»

همانطور که آبراهام نشان می دهد، عملیات بر روی باند S یا X، یک ماموریت واحد با ظرفیت 25 مگابیت در ثانیه، کل طیف موجود را اشغال خواهد کرد. فضای بیشتری در باند کا وجود دارد، اما تنها دو ماهواره مریخ با پهنای باند 150 مگابیت بر ثانیه، کل طیف را اشغال خواهند کرد. به زبان ساده، اینترنت بین سیاره‌ای برای کار کردن به چیزی بیش از رادیو نیاز دارد – این اینترنت به لیزر متکی است.

ظهور ارتباطات نوری

لیزرها آینده نگرانه به نظر می رسند، اما ایده ارتباطات نوری را می توان به حق اختراع ثبت شده توسط الکساندر گراهام بل در دهه 1880 ردیابی کرد. بل سیستمی را توسعه داد که در آن نور خورشید، متمرکز بر یک پرتو بسیار باریک، به دیافراگم بازتابنده ای هدایت می شد که به دلیل صداها می لرزید. ارتعاشات باعث تغییراتی در نور عبوری از لنز به آشکارساز نور خام شد. تغییر در مقاومت ردیاب نور جریان عبوری از تلفن را تغییر داد.

سیستم ناپایدار بود، حجم صدا بسیار کم بود و بل در نهایت این ایده را رها کرد. اما نزدیک به 100 سال بعد، مهندسان ناسا با مجهز شدن به لیزر و فیبر نوری به آن مفهوم قدیمی بازگشتند.

آبراهام گفت: «ما در مورد محدودیت‌های سیستم‌های فرکانس رادیویی می‌دانستیم، بنابراین در اواخر دهه 1970، اوایل دهه 1980، در آزمایشگاه رانش جت، آنها شروع به بحث در مورد امکان انتقال پیام‌ها از اعماق فضا با استفاده از لیزرهای فضایی کردند. برای درک بهتر آنچه در ارتباطات نوری فضای عمیق وجود دارد و ممکن نیست، آزمایشگاه در اواخر دهه 1980 یک مطالعه چهار ساله به نام سیستم ماهواره‌ای رله فضایی عمیق (DSRSS) را سفارش داد. این مطالعه قرار بود به سؤالات مهم پاسخ دهد: در مورد مشکلات آب و هوا و دید (بالاخره، امواج رادیویی می توانند به راحتی از ابرها عبور کنند، در حالی که لیزرها نمی توانند)؟ اگر زاویه کاوشگر خورشید-زمین خیلی تیز شود چه؟ آیا یک آشکارساز روی زمین سیگنال نوری ضعیف را از نور خورشید تشخیص می دهد؟ و در نهایت، این همه هزینه چقدر خواهد بود و آیا ارزش آن را دارد؟ آبراهام اذعان می کند: «ما هنوز به دنبال پاسخی برای این سؤالات هستیم. با این حال، پاسخ ها به طور فزاینده ای امکان انتقال داده های نوری را تایید می کنند.

DSRSS پیشنهاد کرد که نقطه ای بالاتر از جو زمین برای ارتباطات نوری و رادیویی مناسب است. ادعا می شد که سیستم ارتباطات نوری نصب شده در ایستگاه مداری بهتر از هر معماری زمینی از جمله آنتن های نمادین 70 متری کار می کند. قرار بود یک ظرف 10 متری را در مدار نزدیک زمین مستقر کند و سپس آن را به ژئوسنکرون برساند. با این حال، هزینه چنین سیستمی - متشکل از یک ماهواره با یک بشقاب، یک موشک پرتاب و پنج پایانه کاربر - بسیار زیاد بود. علاوه بر این، این مطالعه حتی هزینه سیستم کمکی لازم را که در صورت خرابی ماهواره راه اندازی می شود، شامل نمی شود.

با این سیستم، آزمایشگاه شروع به بررسی معماری زمینی توصیف شده در مطالعه فناوری پیشرفته زمینی (GBATS) کرد که در آزمایشگاه تقریباً همزمان با DRSS انجام شد. افرادی که روی GBATS کار کردند دو پیشنهاد جایگزین ارائه کردند. اولین مورد نصب شش ایستگاه با آنتن های 10 متری و آنتن های یدکی متری است که با فاصله 60 درجه از یکدیگر در اطراف خط استوا قرار دارند. ایستگاه‌ها باید روی قله‌های کوه ساخته می‌شد، جایی که حداقل 66 درصد روزهای سال صاف بود. بنابراین، 2-3 ایستگاه همیشه برای هر فضاپیما قابل مشاهده است و آب و هوای متفاوتی خواهند داشت. گزینه دوم نه ایستگاه است که در گروه های سه تایی گروه بندی شده اند و در فاصله 120 درجه از یکدیگر قرار دارند. ایستگاه های هر گروه باید در فاصله 200 کیلومتری از هم قرار گیرند تا در خط دید، اما در سلول های آب و هوایی متفاوت قرار گیرند.

هر دو معماری GBATS ارزان تر از رویکرد فضایی بودند، اما مشکلاتی نیز داشتند. اولاً، چون سیگنال‌ها باید از جو زمین عبور می‌کردند، دریافت در روز به دلیل نور آسمان بسیار بدتر از دریافت شبانه بود. با وجود آرایش هوشمندانه، ایستگاه های نوری زمینی به آب و هوا بستگی دارند. فضاپیمایی که لیزر را به سمت ایستگاه زمینی هدف قرار می دهد، در نهایت باید با شرایط بد آب و هوایی سازگار شود و ارتباط خود را با ایستگاه دیگری که توسط ابرها پوشیده نیست، دوباره برقرار کند.

با این حال، بدون توجه به مشکلات، پروژه‌های DSRSS و GBATS پایه‌های نظری سیستم‌های نوری فضای عمیق و پیشرفت‌های مدرن مهندسان ناسا را ​​ایجاد کردند. تنها ساخت چنین سیستمی و نشان دادن عملکرد آن باقی ماند. خوشبختانه، تنها چند ماه دیگر باقی مانده بود.

پیاده سازی پروژه

در آن زمان، انتقال داده های نوری در فضا قبلاً انجام شده بود. اولین آزمایش در سال 1992 انجام شد، زمانی که کاوشگر گالیله به سمت مشتری حرکت کرد و دوربین با وضوح بالا خود را به سمت زمین منحرف کرد تا با موفقیت مجموعه‌ای از پالس‌های لیزر ارسال شده از تلسکوپ رصدخانه کوه تیبل 60 سانتی‌متری و تلسکوپ برد نوری 1,5 متری USAF Starfire در نیومکزیکو را دریافت کند. در آن لحظه گالیله 1,4 میلیون کیلومتر با زمین فاصله داشت، اما هر دو پرتو لیزر به دوربین او برخورد کردند.

آژانس های فضایی ژاپن و اروپا نیز توانسته اند ارتباطات نوری بین ایستگاه های زمینی و ماهواره های موجود در مدار زمین برقرار کنند. سپس آنها توانستند یک اتصال 50 مگابیت بر ثانیه بین دو ماهواره برقرار کنند. چند سال پیش، یک تیم آلمانی یک پیوند نوری منسجم دو جهته 5,6 گیگابیت بر ثانیه بین یک ماهواره NFIRE در مدار زمین و یک ایستگاه زمینی در تنریف، اسپانیا ایجاد کرد. اما همه این موارد مربوط به مدار نزدیک زمین بود.

اولین پیوند نوری که یک ایستگاه زمینی و یک فضاپیما را در مدار سیاره دیگری در منظومه شمسی به هم متصل می کند در ژانویه 2013 نصب شد. یک تصویر سیاه و سفید 152 در 200 پیکسل از مونالیزا از ایستگاه برد لیزر ماهواره ای نسل بعدی در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا به مدارگرد شناسایی ماه (LRO) با سرعت 300 bps مخابره شد. ارتباط یک طرفه بود. LRO تصویر دریافتی از زمین را از طریق رادیو معمولی ارسال کرد. تصویر به کمی تصحیح خطای نرم افزاری نیاز داشت، اما حتی بدون این رمزگذاری به راحتی قابل تشخیص بود. و در آن زمان، پرتاب یک سیستم قدرتمندتر به ماه از قبل برنامه ریزی شده بود.

از پروژه مدارگرد شناسایی ماه در سال 2013: برای پاکسازی خطاهای انتقال معرفی شده توسط جو زمین (سمت چپ)، دانشمندان مرکز پرواز فضایی گدارد تصحیح خطای Reed-Solomon (راست) را اعمال کردند که به شدت در CD و DVD استفاده می شود. خطاهای معمولی شامل پیکسل های از دست رفته (سفید) و سیگنال های نادرست (سیاه) است. نوار سفید نشان دهنده یک مکث جزئی در انتقال است.

«محقق جو ماه و محیط غبار» (LADEE) در 6 اکتبر 2013 وارد مدار ماه شد و تنها یک هفته بعد لیزر پالسی خود را برای انتقال داده پرتاب کرد. این بار ناسا سعی کرد ارتباطات دو طرفه را با سرعت 20 مگابیت در ثانیه در آن جهت و رکورد سرعت 622 مگابیت در ثانیه در جهت مخالف سازماندهی کند. تنها مشکل عمر کوتاه ماموریت بود. ارتباطات نوری LRO فقط برای چند دقیقه کار کرد. LADEE به مدت 16 ساعت و در مجموع 30 روز با لیزر خود ارتباط برقرار کرد. زمانی که ماهواره نمایشی ارتباطات لیزری (LCRD) برنامه ریزی شده برای ژوئن 2019 پرتاب شود، این وضعیت باید تغییر کند. وظیفه آن نشان دادن نحوه عملکرد سیستم های ارتباطی آینده در فضا است.

LCRD در آزمایشگاه رانش جت ناسا با همکاری آزمایشگاه لینکلن در MIT در حال توسعه است. این دو پایانه نوری خواهد داشت: یکی برای ارتباط در مدار پایین زمین و دیگری برای فضای عمیق. اولین مورد باید از کلیدهای تغییر فاز دیفرانسیل (DPSK) استفاده کند. فرستنده پالس های لیزری را با فرکانس 2,88 گیگاهرتز ارسال می کند. با استفاده از این فناوری، هر بیت با اختلاف فاز پالس های متوالی کدگذاری می شود. این می تواند با سرعت 2,88 گیگابیت در ثانیه کار کند، اما به قدرت زیادی نیاز دارد. آشکارسازها فقط قادر به تشخیص تفاوت پالس در سیگنال های پرانرژی هستند، بنابراین DPSK با ارتباطات نزدیک به زمین عالی عمل می کند، اما این بهترین روش برای فضای عمیق نیست، جایی که ذخیره انرژی مشکل ساز است. سیگنال ارسال شده از مریخ قبل از رسیدن به زمین انرژی خود را از دست می دهد، بنابراین LCRD از یک فناوری کارآمدتر، مدولاسیون فاز پالس، برای نشان دادن ارتباط نوری با فضای عمیق استفاده می کند.

مهندسان ناسا LADEE را برای آزمایش آماده می کنند

در سال 2017، مهندسان مودم های پرواز را در یک محفظه خلاء حرارتی آزمایش کردند

آبراهام توضیح می دهد: «در اصل، فوتون ها را شمارش می کند. - مدت کوتاهی که برای ارتباط اختصاص داده شده است به چند بخش زمانی تقسیم می شود. برای به دست آوردن داده ها، فقط باید بررسی کنید که آیا فوتون های هر یک از شکاف ها با آشکارساز برخورد کرده اند یا خیر. این نحوه کدگذاری داده ها در FIM است. این مانند کد مورس است، فقط با سرعت فوق العاده سریع. یا در یک لحظه فلاش وجود دارد یا وجود ندارد و پیام با دنباله ای از فلاش ها رمزگذاری می شود. آبراهام می‌افزاید: «در حالی که این سرعت بسیار کندتر از DPSK است، ما همچنان می‌توانیم ارتباطات نوری را با سرعت ده‌ها یا صدها مگابیت در ثانیه در فاصله‌ای از مریخ برقرار کنیم».

البته پروژه LCRD فقط مربوط به این دو پایانه نیست. همچنین باید به عنوان یک گره اینترنتی در فضا کار کند. روی زمین، سه ایستگاه LCRD وجود خواهد داشت: یکی در وایت سندز در نیومکزیکو، یکی در کوه تیبل در کالیفرنیا، و دیگری در جزیره هاوایی یا مائوئی. ایده این است که در صورت وجود آب و هوای بد در یکی از ایستگاه ها، جابجایی از یک ایستگاه زمینی به ایستگاه دیگر را آزمایش کنیم. این ماموریت همچنین عملکرد LCRD را به عنوان یک فرستنده داده آزمایش خواهد کرد. سیگنال نوری از یکی از ایستگاه ها به ماهواره می رود و سپس به ایستگاه دیگری منتقل می شود - و همه اینها از طریق ارتباط نوری.

اگر امکان انتقال فوری داده ها وجود نداشته باشد، LCRD آن را ذخیره می کند و در صورت امکان انتقال می دهد. اگر داده‌ها فوری باشند، یا فضای ذخیره‌سازی کافی در کشتی وجود نداشته باشد، LCRD بلافاصله آن‌ها را از طریق آنتن Ka-band ارسال می‌کند. بنابراین، پیشروی ماهواره های فرستنده آینده، LCRD یک سیستم رادیویی-اپتیکی ترکیبی خواهد بود. این دقیقاً همان واحدی است که ناسا برای سازماندهی یک شبکه بین سیاره ای که از اکتشاف انسان در اعماق فضا در دهه 2030 پشتیبانی می کند، باید در مدار مریخ قرار دهد.

آنلاین کردن مریخ

در طول سال گذشته، تیم آبراهام دو مقاله در توصیف آینده ارتباطات فضای عمیق نوشته است که در کنفرانس SpaceOps در فرانسه در ماه مه 2019 ارائه خواهد شد. یکی به طور کلی ارتباطات اعماق فضا را توصیف می کند، دیگری ("شبکه بین سیاره ای مریخ برای دوران اکتشاف انسان - مشکلات و راه حل های بالقوه") شرح مفصلی از زیرساختی ارائه کرد که قادر به ارائه خدماتی شبیه به اینترنت برای فضانوردان در سیاره سرخ است.

اوج متوسط ​​نرخ داده برای دانلود 215 مگابیت در ثانیه و برای آپلود 28 مگابیت بر ثانیه برآورد شد. اینترنت مریخ از سه شبکه تشکیل شده است: وای فای که منطقه تحقیقاتی روی سطح را پوشش می دهد، شبکه سیاره ای که داده ها را از سطح به زمین ارسال می کند، و شبکه زمینی، یک شبکه ارتباطی فضای عمیق با سه سایت مسئول دریافت این داده ها و ارسال پاسخ ها به مریخ.

"در هنگام توسعه چنین زیرساختی، مشکلات زیادی وجود دارد. باید قابل اعتماد و پایدار باشد، حتی در حداکثر فاصله تا مریخ 2,67 AU. آبراهام می‌گوید در دوره‌های پیوند خورشیدی برتر، زمانی که مریخ پشت خورشید پنهان می‌شود. چنین پیوندی هر دو سال یکبار اتفاق می افتد و ارتباط با مریخ را کاملاً قطع می کند. "امروز ما نمی توانیم با آن کنار بیاییم. تمام ایستگاه های فرود و مداری که در مریخ هستند به سادگی برای حدود دو هفته ارتباط خود را با زمین از دست می دهند. با ارتباطات نوری، از دست دادن ارتباط به دلیل اتصال خورشیدی حتی بیشتر، 10 تا 15 هفته خواهد بود. برای روبات‌ها، چنین شکاف‌هایی ترسناک نیستند. چنین انزوا مشکلی برای آنها ایجاد نمی کند، زیرا آنها خسته نمی شوند، تنهایی را تجربه نمی کنند، آنها نیازی به دیدن عزیزان خود ندارند. اما برای انسان ها اصلا اینطور نیست.

آبراهام ادامه می دهد: «بنابراین، ما از نظر تئوری اجازه راه اندازی دو فرستنده مداری را می دهیم که در مدار استوایی دایره ای در 17300 کیلومتری سطح مریخ قرار دارند. بر اساس این مطالعه، هر کدام باید ۱۵۰۰ کیلوگرم وزن داشته باشند، مجموعه ای از پایانه های باند X، باند Ka و باند نوری را حمل کنند و از پنل های خورشیدی با ظرفیت ۲۰ تا ۳۰ کیلووات تغذیه شوند. آنها باید از پروتکل شبکه تحمل تاخیر پشتیبانی کنند - اساساً TCP/IP، طراحی شده برای رسیدگی به تاخیرهای بالایی که شبکه های بین سیاره ای به طور اجتناب ناپذیری تجربه خواهند کرد. ایستگاه های مداری شرکت کننده در شبکه باید بتوانند با فضانوردان و وسایل نقلیه در سطح سیاره، با ایستگاه های زمینی و با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

آبراهام می‌گوید: «این تداخل بسیار مهم است زیرا تعداد آنتن‌های مورد نیاز برای انتقال داده‌ها را با سرعت 250 مگابیت بر ثانیه کاهش می‌دهد. تیم او تخمین می زند که یک آرایه از شش آنتن 250 متری برای دریافت داده های 34 مگابیت بر ثانیه از یکی از فرستنده های مداری مورد نیاز است. این بدان معناست که ناسا نیاز به ساخت سه آنتن اضافی در سایت‌های ارتباطی اعماق فضا دارد، اما ساخت آن سال‌ها طول می‌کشد و بسیار گران هستند. آبراهام می‌گوید: «اما ما فکر می‌کنیم که دو ایستگاه مداری می‌توانند داده‌ها را بین خودشان به اشتراک بگذارند و همزمان با سرعت 125 مگابیت بر ثانیه ارسال کنند، جایی که یک فرستنده نیمی از بسته داده را ارسال می‌کند و دیگری دیگری را ارسال می‌کند.» حتی امروزه، آنتن‌های ارتباطی فضایی با عمق 34 متر می‌توانند به طور همزمان داده‌ها را از چهار فضاپیمای مختلف دریافت کنند که در نتیجه برای تکمیل کار به سه آنتن نیاز است. آبراهام توضیح می دهد: "برای دریافت دو ارسال 125 مگابیت بر ثانیه از همان منطقه از آسمان به همان تعداد آنتن نیاز است که برای دریافت یک ارسال نیاز است." "فقط در صورتی که نیاز به برقراری ارتباط با سرعت بالاتر داشته باشید، آنتن های بیشتری مورد نیاز است."

برای مقابله با مشکل اتصال خورشیدی، تیم آبراهام پرتاب یک ماهواره فرستنده به نقاط L4/L5 مدار خورشید-مریخ/خورشید-زمین را پیشنهاد کرد. سپس، در طول دوره های اتصال، می توان از آن برای انتقال داده ها به اطراف خورشید، به جای ارسال سیگنال از طریق آن استفاده کرد. متاسفانه در این مدت سرعت به 100 کیلوبیت بر ثانیه کاهش می یابد. به عبارت ساده، کار خواهد کرد، اما بد است.

در این میان، فضانوردان احتمالی در مریخ باید بیش از سه دقیقه منتظر بمانند تا عکس یک بچه گربه را دریافت کنند، بدون احتساب تاخیرهایی که می تواند تا 40 دقیقه باشد. خوشبختانه، زمانی که جاه طلبی های بشریت ما را حتی از سیاره سرخ دورتر می کند، اینترنت بین سیاره ای در بیشتر مواقع به خوبی کار خواهد کرد.

منبع: www.habr.com