“Practicamente non hai marxe de mellora na tecnoloxía de radiofrecuencia. As solucións sinxelas rematan"
O 26 de novembro de 2018 ás 22:53 hora de Moscova, a NASA fíxoo de novo: a sonda InSight aterrou con éxito na superficie de Marte despois de entrar na atmosfera, as manobras de descenso e aterraxe, que máis tarde foron bautizadas como "seis minutos e medio de horror". ”. Unha descrición adecuada, xa que os enxeñeiros da NASA non puideron saber inmediatamente se a sonda espacial aterrara con éxito na superficie do planeta debido a un atraso de comunicacións de aproximadamente 8,1 minutos entre a Terra e Marte. Durante esta xanela, InSight non podía confiar nas súas antenas máis modernas e poderosas: todo dependía das antigas comunicacións UHF (un método usado desde hai tempo en todo, desde televisión e walkie-talkies ata dispositivos Bluetooth).
Como resultado, os datos críticos sobre o estado de InSight foron transmitidos en ondas de radio cunha frecuencia de 401,586 MHz a dous satélites., WALL-E e EVE, que logo transmitiron datos a 8 Kbps a antenas de 70 metros situadas na Terra. Os cubesats lanzáronse no mesmo foguete que InSight, e acompañárono na súa viaxe a Marte para observar o aterraxe e transmitir inmediatamente datos de volta a casa. Outros orbitadores de Marte, p. (MRS), estaban nunha posición incómoda e nun primeiro momento non podían intercambiar mensaxes co módulo de aterraxe en tempo real. Non quere dicir que todo o desembarco dependa de dous CubeSats experimentais cada un do tamaño dunha maleta, pero o MRS só podería transmitir datos de InSight despois dunha espera aínda máis longa.
O aterraxe de InSight probou toda a arquitectura de comunicacións da NASA, a Rede de Marte. O sinal do módulo de aterraxe InSight transmitido aos satélites en órbita chegaría á Terra de todos os xeitos, aínda que os satélites fallaran. WALL-E e EVE necesitaban transmitir información ao instante, e fixérono. Se estes CubeSats non funcionaran por algún motivo, MRS estaba preparado para desempeñar o seu papel. Cada un funcionaba como un nodo nunha rede semellante a Internet, encamiñando paquetes de datos a través de diferentes terminais formados por diferentes equipos. Hoxe, o máis eficaz deles é o MRS, capaz de transmitir datos a velocidades de ata 6 Mbit/s (e este é o récord actual das misións interplanetarias). Pero a NASA tivo que operar a velocidades moito máis lentas no pasado e necesitará unha transferencia de datos moito máis rápida no futuro.
Do mesmo xeito que o teu provedor de servizos de Internet, a NASA permite aos usuarios de Internet comunicación con naves espaciais en tempo real.
Rede de comunicacións no espazo profundo
A medida que aumentaba a presenza da NASA no espazo, xurdiron continuamente sistemas de comunicacións melloradas para cubrir cada vez máis espazo: primeiro na órbita terrestre baixa, despois na órbita xeosíncrona e na Lúa, e pronto as comunicacións foron máis profundas no espazo. Todo comezou cun tosco receptor de radio portátil que se utilizou para recibir telemetría do Explorer 1, o primeiro satélite lanzado con éxito polos estadounidenses en 1958, nas bases militares estadounidenses en Nixeria, Singapur e California. Lenta pero seguramente, esta base evolucionou nos sistemas de mensaxería avanzados actuais.
Douglas Abraham, xefe da División de Prospección Estratéxica e de Sistemas da Dirección de Redes Interplanetarias da NASA, destaca tres redes desenvolvidas de forma independente para transmitir mensaxes no espazo. A Near Earth Network opera con naves espaciais en órbita terrestre baixa. "É unha colección de antenas, na súa maioría de 9 a 12 metros. Hai algunhas máis grandes, de 15 a 18 metros", di Abraham. Despois, por riba da órbita xeosíncrona terrestre, hai varios satélites de seguimento e retransmisión de datos (TDRS). "Poden mirar satélites en órbita terrestre baixa e comunicarse con eles, e despois transmitir esta información a través do TDRS ao chan", explica Abraham. "Este sistema de transmisión de datos por satélite chámase Rede Espacial da NASA".
Pero nin sequera TDRS foi suficiente para comunicarse coa nave espacial, que ía moito máis alá da órbita da Lúa, a outros planetas. “Entón tivemos que crear unha rede que abarcase todo o sistema solar. E esta é a Rede de Espazo Profundo [DSN], di Abraham. A rede de Marte é unha extensión .
Dada a súa lonxitude e disposición, DSN é o máis complexo dos sistemas enumerados. En esencia, trátase dun conxunto de antenas grandes, de 34 a 70 m de diámetro. Cada un dos tres sitios de DSN opera varias antenas de 34 metros e unha antena de 70 metros. Un xacemento está situado en Goldstone (California), outro preto de Madrid (España) e o terceiro en Canberra (Australia). Estes sitios están situados aproximadamente a 120 graos de distancia en todo o globo e proporcionan cobertura de XNUMX horas a todas as naves espaciais fóra da órbita xeosíncrona.
As antenas de 34 metros son o equipo principal de DSN, e hai dous tipos: antenas antigas de alta eficiencia e antenas de guía de onda relativamente novas. A diferenza é que unha antena de onda guía ten cinco espellos de RF de precisión que reflicten os sinais por unha tubería ata unha sala de control subterránea, onde a electrónica que analiza eses sinais está mellor protexida de todas as fontes de interferencia. As antenas de 34 metros, que funcionan individualmente ou en grupos de 2 ou 3 antenas, poden proporcionar a maioría das comunicacións que necesita a NASA. Pero para casos especiais nos que as distancias se fan demasiado longas incluso para varias antenas de 34 metros, o control DSN usa monstros de 70 metros.
"Teñen un papel importante en varias aplicacións", di Abraham sobre as antenas grandes. O primeiro é cando a nave espacial está tan lonxe da Terra que será imposible establecer comunicación con ela usando un prato máis pequeno. “Bos exemplos serían a misión New Horizons, que xa voou moito máis lonxe que Plutón, ou a sonda Voyager, que está situada fóra do sistema solar. Só antenas de 70 metros poden penetralos e entregar os seus datos á Terra", explica Abraham.
Tamén se usan antenas de 70 metros cando a nave non pode operar a antena de refuerzo, xa sexa por unha situación crítica planificada, como a entrada orbital, ou porque algo sae terriblemente mal. A antena de 70 metros, por exemplo, utilizouse para devolver con seguridade o Apolo 13 á Terra. Tamén adoptou a famosa frase de Neil Armstrong, "Un pequeno paso para un home, un paso de xigante para a humanidade". E aínda hoxe, DSN segue sendo o sistema de comunicación máis avanzado e sensible do mundo. "Pero por moitas razóns xa chegou ao seu límite", advirte Abraham. – Practicamente non hai onde mellorar a tecnoloxía que opera en radiofrecuencias. As solucións sinxelas estanse esgotando".
Tres estacións terrestres separadas 120 graos
Placas DSN en Canberra
Complexo DSN en Madrid
DSN en Goldstone
Sala de control do Laboratorio de Propulsión a Chorro
A radio e o que pasará despois
Esta historia non é nova. A historia das comunicacións no espazo profundo consiste nunha loita constante por aumentar as frecuencias e acurtar as lonxitudes de onda. Explorer 1 utilizou frecuencias de 108 MHz. A NASA introduciu entón antenas máis grandes e de mellor ganancia que admitían frecuencias na banda L, de 1 a 2 GHz. Despois foi a quenda da banda S, con frecuencias de 2 a 4 GHz, e despois a axencia pasou á banda X, con frecuencias de 7-11,2 GHz.
Hoxe, os sistemas de comunicacións espaciais están a sufrir de novo cambios: agora móvense ao rango de 26-40 GHz, banda Ka. "A razón desta tendencia é que canto máis curtas sexan as lonxitudes de onda e cantos máis altas sexan as frecuencias, máis rápidas pódense conseguir as taxas de transferencia de datos", di Abraham.
Hai motivos para o optimismo, dado que historicamente o ritmo das comunicacións na NASA foi bastante rápido. Un traballo de investigación de 2014 do Jet Propulsion Laboratory ofrece os seguintes datos de rendemento para comparar: Se utilizamos as tecnoloxías de comunicación do Explorer 1 para transmitir unha foto típica de iPhone de Xúpiter á Terra, levaría 460 veces máis tempo que o Universo actual. Para Pioneers 2 e 4 da década de 1960, levaría 633 anos. O Mariner 000 de 9 faríao en 1971 horas. Hoxe a Sra. levará tres minutos.
O único problema, por suposto, é que a cantidade de datos recibidos polas naves espaciais está a crecer tan rápido como, se non máis rápido, o crecemento das súas capacidades de transmisión. Durante os 40 anos de funcionamento, as Voyagers 1 e 2 produciron 5 TB de información. O satélite NISAR Earth Science, programado para o lanzamento en 2020, producirá 85 TB de datos ao mes. E se os satélites da Terra son capaces de facelo, transferir tal volume de datos entre planetas é unha historia completamente diferente. Incluso un MRS relativamente rápido transmitirá 85 TB de datos á Terra durante 20 anos.
"As taxas de datos esperadas para a exploración de Marte a finais da década de 2020 e principios da década de 2030 serán de 150 Mbps ou máis, así que imos facer as contas", di Abraham. – Se unha nave espacial de clase MRS á máxima distancia de nós a Marte pode enviar aproximadamente 1 Mbit/s a unha antena de 70 metros na Terra, entón para organizar a comunicación a unha velocidade de 150 Mbit/s unha matriz de 150 70 metros. serán necesarias antenas. Si, por suposto, podemos atopar formas intelixentes de reducir un pouco esta cantidade absurda, pero o problema obviamente existe: organizar comunicacións interplanetarias a unha velocidade de 150 Mbps é extremadamente difícil. Ademais, estamos quedando sen frecuencias permitidas".
Como demostra Abraham, operando en banda S ou banda X, unha única misión de 25 Mbps ocupará todo o espectro dispoñible. Hai máis espazo na banda Ka, pero só dous satélites de Marte cun rendemento de 150 Mbit/s ocuparán todo o espectro. En pocas palabras, a internet interplanetaria necesitará algo máis que radios para funcionar: dependerá de láseres.
A aparición das comunicacións ópticas
Os láseres soan futuristas, pero a idea das comunicacións ópticas pódese remontar a unha patente presentada por Alexander Graham Bell na década de 1880. Bell desenvolveu un sistema no que a luz solar, enfocada a un feixe moi estreito, dirixíase a un diafragma reflector que era vibrado polos sons. As vibracións provocaron variacións na luz que atravesaba a lente ata o fotodetector bruto. Os cambios na resistencia do fotodetector cambiaron a corrente que pasa polo teléfono.
O sistema era inestable, o volume era moi baixo e Bell finalmente abandonou a idea. Pero case 100 anos despois, armados con láseres e fibra óptica, os enxeñeiros da NASA volveron a este vello concepto.
"Coñecíamos as limitacións dos sistemas de radiofrecuencia, polo que en JPL a finais dos 1970 e principios dos 1980, comezamos a discutir a posibilidade de transmitir mensaxes desde o espazo profundo usando láseres espaciais", dixo Abraham. Para comprender mellor o que é e que non é posible nas comunicacións ópticas do espazo profundo, o laboratorio lanzou a finais dos anos 1980 un estudo de catro anos sobre o sistema de satélites de retransmisión do espazo profundo (DSRSS). O estudo tivo que responder preguntas críticas: que pasa cos problemas meteorolóxicos e de visibilidade (ao final, as ondas de radio poden pasar facilmente a través das nubes, mentres que os láseres non)? E se o ángulo Sol-Terra-sonda se fai demasiado agudo? Pode un detector na Terra distinguir un sinal óptico débil da luz solar? E para rematar, canto custará todo isto e pagará a pena? "Seguimos buscando respostas a estas preguntas", admite Abraham. "Non obstante, as respostas apoian cada vez máis a posibilidade de transmisión óptica de datos".
DSRSS suxeriu que un punto situado por riba da atmosfera terrestre sería o máis adecuado para comunicacións ópticas e de radio. Afirmouse que o sistema de comunicacións ópticas instalado na estación orbital funcionaría mellor que calquera arquitectura terrestre, incluídas as emblemáticas antenas de 70 metros. Na órbita terrestre baixa, planeouse despregar unha antena de 10 metros e despois elevala a xeosíncrona. Non obstante, o custo deste sistema, consistente nun satélite cunha antena, un vehículo de lanzamento e cinco terminais de usuario, era prohibitivo. Ademais, o estudo nin sequera incluíu o custo do necesario sistema auxiliar que entraría en funcionamento en caso de avaría do satélite.
Para este sistema, o Laboratorio comezou a analizar a arquitectura terrestre descrita no informe do Estudo de Tecnoloxía Avanzada en Terra (GBATS) do Laboratorio, realizado ao mesmo tempo que DRSS. As persoas que traballan en GBATS presentaron dúas propostas alternativas. A primeira é a instalación de seis estacións con antenas de 10 metros e antenas de reposto de un metro de lonxitude situadas a 60 graos de distancia ao longo de todo o ecuador. As estacións tiñan que ser construídas en cumes das montañas, onde o tempo era despexado polo menos o 66% dos días do ano. Así, 2-3 estacións sempre serán visibles para calquera nave espacial e terán un tempo diferente. A segunda opción son nove estacións, agrupadas en grupos de tres, e situadas a 120 graos entre si. As estacións dentro de cada grupo deberían estar situadas a 200 km unhas das outras para que estivesen en visibilidade directa, pero en diferentes celas meteorolóxicas.
Ambas as arquitecturas GBATS eran máis baratas que o enfoque espacial, pero tamén tiñan problemas. En primeiro lugar, dado que os sinais tiñan que viaxar pola atmosfera terrestre, a recepción diurna sería moito peor que a nocturna debido ao ceo iluminado. A pesar da disposición intelixente, as estacións terrestres ópticas dependerán do tempo. Unha nave espacial que apunte cun láser a unha estación terrestre terá que adaptarse ás malas condicións meteorolóxicas e restablecer as comunicacións con outra estación que non estea oculta polas nubes.
Non obstante, independentemente dos problemas, os proxectos DSRSS e GBATS sentaron as bases teóricas dos sistemas ópticos para as comunicacións no espazo profundo e os desenvolvementos modernos dos enxeñeiros da NASA. Só restaba construír un sistema deste tipo e demostrar o seu rendemento. Afortunadamente, só faltaban uns meses.
Implementación do proxecto
Nese momento, a transmisión óptica de datos no espazo xa tiña lugar. O primeiro experimento levouse a cabo en 1992, cando a sonda Galileo dirixíase cara a Xúpiter e dirixiu a súa cámara de alta resolución cara á Terra para recibir con éxito un conxunto de pulsos láser enviados dende o telescopio de 60 cm do Observatorio da Montaña da Mesa e dende o 1,5 m. Telescopio óptico Starfire da USAF en Novo México. Neste momento, Galileo estaba a 1,4 millóns de km da Terra, pero os dous raios láser golpearon a súa cámara.
As axencias espaciais xaponesa e europea tamén puideron establecer comunicacións ópticas entre estacións terrestres e satélites en órbita terrestre. Despois puideron establecer unha conexión de 50 Mbps entre os dous satélites. Hai varios anos, un equipo alemán estableceu unha conexión óptica bidireccional coherente de 5,6 Gbps entre o satélite NFIRE en órbita terrestre e unha estación terrestre en Tenerife, España. Pero todos estes casos estaban asociados á órbita terrestre baixa.
O primeiro enlace óptico que conecta unha estación terrestre e unha nave espacial en órbita preto doutro planeta do sistema solar estableceuse en xaneiro de 2013. A imaxe en branco e negro de 152 x 200 píxeles da Mona Lisa foi transmitida desde a Estación Láser Satellite Next Generation do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA ao Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a 300 bps. A comunicación era unidireccional. LRO enviou a imaxe que recibiu da Terra a través de comunicacións de radio habituais. A imaxe necesitaba unha pequena corrección de erros de software, pero aínda sen esta codificación era fácil de recoñecer. E nese momento, xa estaba previsto o lanzamento dun sistema máis potente á Lúa.
Do proxecto Lunar Reconnaissance Orbiter de 2013: para borrar a información dos erros de transmisión introducidos pola atmosfera terrestre (esquerda), os científicos do Goddard Space Flight Center utilizaron a corrección de erros de Reed-Solomon (dereita), que é moi utilizada en CD e DVD. Os erros comúns inclúen a falta de píxeles (brancos) e os sinais falsos (negro). Unha franxa branca indica unha breve pausa na transmisión.
«(LADEE) entrou en órbita lunar o 6 de outubro de 2013 e só unha semana despois lanzou o seu láser pulsado para transmitir datos. Nesta ocasión, a NASA intentou organizar a comunicación bidireccional a unha velocidade de 20 Mbit/s na outra dirección e unha velocidade récord de 622 Mbit/s na outra dirección. O único problema foi a curta vida útil da misión. As comunicacións ópticas de LRO só funcionaron durante uns minutos cada vez. LADEE intercambiou datos co seu láser durante 16 horas durante 30 días. Esta situación está previsto que cambie co lanzamento do satélite Laser Communications Demonstration (LCRD), previsto para xuño de 2019. A súa misión é mostrar como funcionarán os futuros sistemas de comunicacións no espazo.
O LCRD está a ser desenvolvido no Jet Propulsion Laboratory da NASA en conxunto co Lincoln Laboratory do MIT. Contará con dous terminais ópticos: un para comunicacións en órbita terrestre baixa, o outro para espazo profundo. O primeiro terá que usar a clave de cambio de fase diferencial (DPSK). O transmisor enviará pulsos láser a unha frecuencia de 2,88 GHz. Usando esta tecnoloxía, cada bit será codificado pola diferenza de fase de pulsos sucesivos. Poderá funcionar a unha velocidade de 2,88 Gbps, pero isto requirirá moita potencia. Os detectores só poden detectar diferenzas de pulso en sinais de alta enerxía, polo que DPSK funciona moi ben para comunicacións próximas á Terra, pero non é o mellor método para o espazo profundo, onde almacenar enerxía é problemático. Un sinal enviado desde Marte perderá enerxía no momento en que chegue á Terra, polo que LCRD utilizará unha tecnoloxía máis eficiente chamada modulación de fase de pulso para demostrar comunicacións ópticas co espazo profundo.
Os enxeñeiros da NASA preparan LADEE para probar
En 2017, os enxeñeiros probaron módems de voo nunha cámara de baleiro térmico
"É esencialmente contar fotóns", explica Abraham. – O breve período destinado á comunicación divídese en varios períodos de tempo. Para obter datos, só tes que comprobar se os fotóns chocaron co detector en cada intervalo. Así é como se codifican os datos no FIM". É como o código Morse, pero a unha velocidade súper rápida. Ou hai un flash nun momento determinado ou non o hai, e a mensaxe está codificada por unha secuencia de flashes. "Aínda que isto é moito máis lento que DPSK, aínda podemos proporcionar decenas ou centos de Mbps de comunicacións ópticas desde lugares tan distantes como Marte", engade Abraham.
Por suposto, o proxecto LCRD non son só estes dous terminais. Tamén debería funcionar como un hub de Internet no espazo. No terreo, tres estacións funcionarán con LCRD: unha en White Sands en Novo México, outra en Table Mountain en California e outra na illa de Hawai ou Maui. A idea é probar o cambio dunha estación terrestre a outra se ocorre mal tempo nunha das estacións. A misión tamén probará o rendemento do LCRD como transmisor de datos. Un sinal óptico dunha das estacións enviarase a un satélite e despois transmitirase a outra estación, todo a través dunha ligazón óptica.
Se os datos non se poden transferir de inmediato, LCRD almacenaraos e transferiraos cando se produza a oportunidade. Se os datos son urxentes ou non hai espazo suficiente no almacenamento a bordo, o LCRD enviaraos inmediatamente a través da súa antena de banda Ka. Entón, un precursor dos futuros satélites transmisores, LCRD será un sistema radio-óptico híbrido. Este é exactamente o tipo de unidade que a NASA necesita colocar en órbita arredor de Marte para establecer unha rede interplanetaria que apoie a exploración humana do espazo profundo na década de 2030.
Pondo a Marte en liña
Durante o ano pasado, o equipo de Abraham escribiu dous traballos nos que describen o futuro das comunicacións no espazo profundo, que se presentarán na conferencia SpaceOps en Francia en maio de 2019. Un describe as comunicacións no espazo profundo en xeral, o outro ("") ofrece unha descrición detallada da infraestrutura capaz de proporcionar un servizo similar a Internet para os astronautas do Planeta Vermello.
As estimacións da velocidade máxima de transferencia de datos media foron de 215 Mbit/s para a descarga e 28 Mbit/s para a carga. A Internet de Marte constará de tres redes: WiFi que cobre a área de exploración da superficie, unha rede planetaria que transmite datos desde a superficie á Terra e a Rede da Terra, unha rede de comunicacións no espazo profundo con tres sitios responsables de recibir estes datos e enviar respostas a Marte.
“Ao desenvolver esta infraestrutura, hai moitos problemas. Debe ser fiable e estable, mesmo á distancia máxima a Marte de 2,67 UA. durante os períodos de conxunción solar superior, cando Marte se esconde detrás do Sol", di Abraham. Tal conxunción ocorre cada dous anos e interrompe completamente a comunicación con Marte. "Hoxe non podemos afrontar isto. Todas as estacións de aterraxe e orbitais que están en Marte simplemente perden contacto coa Terra durante unhas dúas semanas. Coas comunicacións ópticas, as perdas de comunicación debido á conectividade solar serán aínda máis longas, de 10 a 15 semanas. Para os robots, tales lagoas non dan moito medo. Tal illamento non lles causa problemas, porque non se aburren, non experimentan a soidade e non necesitan ver aos seus seres queridos. Pero para a xente é completamente diferente.
"Por iso, teoricamente permitimos a posta en servizo de dous transmisores orbitais situados nunha órbita ecuatorial circular a 17300 km sobre a superficie de Marte", continúa Abraham. Segundo o estudo, deberían pesar 1500 kg cada unha, e ter a bordo un conxunto de terminais que funcionen na banda X, banda Ka e gama óptica, e alimentarse con paneis solares cunha potencia de 20-30 kW. Deben admitir o protocolo de rede tolerante ao atraso, esencialmente TCP/IP, deseñado para xestionar os longos atrasos que inevitablemente se producirán nas redes interplanetarias. As estacións orbitais que participan na rede deben poder comunicarse con astronautas e vehículos na superficie do planeta, con estacións terrestres e entre si.
"Este acoplamento cruzado é moi importante porque reduce o número de antenas necesarias para transmitir datos a 250 Mbps", di Abraham. O seu equipo estima que sería necesaria unha matriz de seis antenas de 250 metros para recibir datos a 34 Mbps dun dos transmisores orbitais. Isto significa que a NASA terá que construír tres antenas adicionais en sitios de comunicacións no espazo profundo, pero tardan anos en construírse e son extremadamente caros. "Pero pensamos que dúas estacións orbitais poderían compartir os datos e envialos simultaneamente a 125 Mbps, cun transmisor enviando a metade do paquete de datos e o outro enviando a outra", di Abraham. Aínda hoxe en día, as antenas de comunicacións no espazo profundo de 34 metros poden recibir simultaneamente datos de catro naves espaciais diferentes á vez, polo que se necesitan tres antenas para completar a tarefa. "Recibir dúas transmisións de 125 Mbps desde a mesma área do ceo require o mesmo número de antenas que recibir unha transmisión", explica Abraham. "Só se necesitan máis antenas se precisa comunicarse a velocidades máis altas".
Para tratar o problema da conxunción solar, o equipo de Abraham propuxo lanzar un satélite transmisor aos puntos L4/L5 da órbita Sol-Marte/Sol-Terra. Despois, durante os períodos de conxunción, podería usarse para transmitir datos arredor do Sol, en lugar de enviar sinais a través del. Desafortunadamente, durante este período a velocidade baixará ata os 100 Kbps. En pocas palabras, funcionará, pero é unha merda.
Mentres tanto, os futuros astronautas en Marte terán que agardar algo máis de tres minutos para recibir unha foto do gatiño, sen contar os atrasos que poderían ser de ata 40 minutos. Afortunadamente, antes de que as ambicións da humanidade nos leven aínda máis lonxe que o Planeta Vermello, a Internet interplanetaria xa funcionará ben a maior parte do tempo.
Fonte: www.habr.com