गहरे अंतरिक्ष में बुलाना: नासा कैसे अंतरग्रहीय संचार को गति देता है

“रेडियो फ़्रीक्वेंसी तकनीक में व्यावहारिक रूप से सुधार की कोई गुंजाइश नहीं है। सरल समाधान समाप्त"

26 नवंबर, 2018 को 22:53 मास्को समय पर, नासा ने इसे फिर से किया - इनसाइट जांच वायुमंडल में प्रवेश करने, वंश और लैंडिंग युद्धाभ्यास के बाद सफलतापूर्वक मंगल की सतह पर उतरी, जिसे बाद में "साढ़े छह मिनट की भयावहता" के रूप में बपतिस्मा दिया गया। ।” एक उपयुक्त विवरण, क्योंकि पृथ्वी और मंगल के बीच लगभग 8,1 मिनट की संचार देरी के कारण नासा के इंजीनियर तुरंत यह नहीं जान सके कि अंतरिक्ष जांच सफलतापूर्वक ग्रह की सतह पर उतरी थी या नहीं। इस विंडो के दौरान, इनसाइट अपने अधिक आधुनिक और शक्तिशाली एंटेना पर भरोसा नहीं कर सका - सब कुछ पुराने जमाने के यूएचएफ संचार पर निर्भर था (प्रसारण टेलीविजन और वॉकी-टॉकी से लेकर ब्लूटूथ डिवाइस तक हर चीज में लंबे समय से इस्तेमाल की जाने वाली एक विधि)।

परिणामस्वरूप, इनसाइट की स्थिति पर महत्वपूर्ण डेटा 401,586 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ रेडियो तरंगों पर दो उपग्रहों को प्रेषित किया गया था -क्यूबसैट, WALL-E और EVE, जो तब पृथ्वी पर स्थित 8 केबीपीएस से 70-मीटर एंटेना तक डेटा प्रसारित करते थे। क्यूबसैट को इनसाइट के समान रॉकेट पर लॉन्च किया गया था, और वे लैंडिंग का निरीक्षण करने और तुरंत डेटा को घर वापस भेजने के लिए मंगल की यात्रा पर इसके साथ गए थे। अन्य मंगल ग्रह की कक्षाएँ, उदा. मंगल टोही उपग्रह (एमआरएस), एक अजीब स्थिति में थे और पहले वास्तविक समय में लैंडर के साथ संदेशों का आदान-प्रदान नहीं कर सके। यह कहने की ज़रूरत नहीं है कि पूरी लैंडिंग सूटकेस के आकार के दो प्रायोगिक क्यूबसैट पर निर्भर थी, लेकिन एमआरएस इससे भी लंबे इंतजार के बाद ही इनसाइट से डेटा संचारित करने में सक्षम होगा।

इनसाइट लैंडिंग ने वास्तव में नासा के संपूर्ण संचार वास्तुकला, मार्स नेटवर्क का परीक्षण किया। परिक्रमा कर रहे उपग्रहों को प्रेषित इनसाइट लैंडर का सिग्नल वैसे भी पृथ्वी तक पहुंच गया होगा, भले ही उपग्रह विफल हो गए हों। WALL-E और EVE को तुरंत सूचना प्रसारित करने की आवश्यकता थी, और उन्होंने ऐसा किया। यदि किसी कारण से ये क्यूबसैट काम नहीं करते तो एमआरएस उनकी भूमिका निभाने के लिए तैयार थी। प्रत्येक इंटरनेट जैसे नेटवर्क पर एक नोड के रूप में संचालित होता है, जो विभिन्न उपकरणों से युक्त विभिन्न टर्मिनलों के माध्यम से डेटा पैकेट को रूट करता है। आज, उनमें से सबसे प्रभावी एमआरएस है, जो 6 एमबीपीएस तक की गति से डेटा संचारित करने में सक्षम है (और यह अंतरग्रहीय मिशनों के लिए वर्तमान रिकॉर्ड है)। लेकिन नासा को अतीत में बहुत धीमी गति से काम करना पड़ा है - और भविष्य में उसे बहुत तेज़ डेटा स्थानांतरण की आवश्यकता होगी।

आपके इंटरनेट सेवा प्रदाता की तरह, नासा भी इंटरनेट उपयोगकर्ताओं को अनुमति देता है चेक आउट वास्तविक समय में अंतरिक्ष यान के साथ संचार।

गहन अंतरिक्ष संचार नेटवर्क

जैसे-जैसे अंतरिक्ष में नासा की उपस्थिति बढ़ी, अधिक से अधिक स्थान को कवर करने के लिए बेहतर संचार प्रणालियाँ लगातार उभरीं: पहले पृथ्वी की निचली कक्षा में, फिर भू-तुल्यकालिक कक्षा और चंद्रमा में, और जल्द ही संचार अंतरिक्ष में गहराई तक चला गया। यह सब एक कच्चे पोर्टेबल रेडियो रिसीवर के साथ शुरू हुआ जिसका उपयोग एक्सप्लोरर 1 से टेलीमेट्री प्राप्त करने के लिए किया गया था, जो 1958 में नाइजीरिया, सिंगापुर और कैलिफ़ोर्निया में अमेरिकी सैन्य अड्डों पर अमेरिकियों द्वारा सफलतापूर्वक लॉन्च किया गया पहला उपग्रह था। धीरे-धीरे लेकिन निश्चित रूप से, यह आधार आज की उन्नत मैसेजिंग प्रणालियों में विकसित हुआ।

नासा के इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क निदेशालय में रणनीतिक और सिस्टम दूरदर्शिता प्रभाग के प्रमुख डगलस अब्राहम, अंतरिक्ष में संदेश प्रसारित करने के लिए तीन स्वतंत्र रूप से विकसित नेटवर्क पर प्रकाश डालते हैं। नियर अर्थ नेटवर्क पृथ्वी की निचली कक्षा में अंतरिक्ष यान के साथ काम करता है। अब्राहम कहते हैं, "यह एंटेना का एक संग्रह है, ज्यादातर 9 से 12 मीटर तक। कुछ बड़े एंटेना भी हैं, 15 से 18 मीटर तक।" फिर, पृथ्वी की भू-समकालिक कक्षा के ऊपर, कई ट्रैकिंग और डेटा रिले उपग्रह (टीडीआरएस) हैं। अब्राहम बताते हैं, "वे पृथ्वी की निचली कक्षा में उपग्रहों को देख सकते हैं और उनके साथ संवाद कर सकते हैं, और फिर टीडीआरएस के माध्यम से इस जानकारी को जमीन पर भेज सकते हैं।" "इस उपग्रह डेटा ट्रांसमिशन सिस्टम को नासा स्पेस नेटवर्क कहा जाता है।"

लेकिन टीडीआरएस भी अंतरिक्ष यान के साथ संचार करने के लिए पर्याप्त नहीं था, जो चंद्रमा की कक्षा से बहुत आगे तक अन्य ग्रहों तक गया था। “इसलिए हमें एक ऐसा नेटवर्क बनाना था जो पूरे सौर मंडल को कवर करे। और यह डीप स्पेस नेटवर्क [डीएसएन] है, अब्राहम कहते हैं। मंगल नेटवर्क एक विस्तार है डीएसएन.

इसकी लंबाई और लेआउट को देखते हुए, डीएसएन सूचीबद्ध प्रणालियों में सबसे जटिल है। मूलतः, यह 34 से 70 मीटर व्यास वाले बड़े एंटेना का एक सेट है। तीन डीएसएन साइटों में से प्रत्येक कई 34-मीटर एंटेना और एक 70-मीटर एंटेना संचालित करता है। एक साइट गोल्डस्टोन (कैलिफ़ोर्निया) में, दूसरी मैड्रिड (स्पेन) के पास और तीसरी कैनबरा (ऑस्ट्रेलिया) में स्थित है। ये साइटें दुनिया भर में लगभग 120 डिग्री की दूरी पर स्थित हैं, और जियोसिंक्रोनस कक्षा के बाहर सभी अंतरिक्ष यान को XNUMX घंटे की कवरेज प्रदान करती हैं।

34-मीटर एंटेना डीएसएन के मुख्य उपकरण हैं, और दो प्रकार के होते हैं: पुराने उच्च दक्षता वाले एंटेना और अपेक्षाकृत नए वेवगाइड एंटेना। अंतर यह है कि एक गाइड वेव ऐन्टेना में पांच सटीक आरएफ दर्पण होते हैं जो एक पाइप के नीचे संकेतों को भूमिगत नियंत्रण कक्ष में प्रतिबिंबित करते हैं, जहां उन संकेतों का विश्लेषण करने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स हस्तक्षेप के सभी स्रोतों से बेहतर संरक्षित होते हैं। 34-मीटर एंटेना, व्यक्तिगत रूप से या 2-3 व्यंजनों के समूह में काम करते हुए, नासा की अधिकांश संचार आवश्यकताओं को प्रदान कर सकते हैं। लेकिन विशेष मामलों के लिए जब कई 34-मीटर एंटेना के लिए भी दूरी बहुत लंबी हो जाती है, डीएसएन नियंत्रण 70-मीटर राक्षसों का उपयोग करता है।

अब्राहम बड़े एंटेना के बारे में कहते हैं, "वे कई अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।" पहला तब होता है जब अंतरिक्ष यान पृथ्वी से इतनी दूर हो कि एक छोटी डिश का उपयोग करके उसके साथ संचार स्थापित करना असंभव होगा। “न्यू होराइजन्स मिशन इसका अच्छा उदाहरण होगा, जो पहले ही प्लूटो या वोयाजर अंतरिक्ष यान से कहीं अधिक उड़ान भर चुका है, जो सौर मंडल के बाहर स्थित है। केवल 70-मीटर एंटेना ही उन्हें भेद सकते हैं और अपना डेटा पृथ्वी तक पहुंचा सकते हैं, ”अब्राहम बताते हैं।

70-मीटर डिश का उपयोग तब भी किया जाता है जब अंतरिक्ष यान बूस्टिंग एंटीना को संचालित नहीं कर सकता है, या तो कक्षीय प्रवेश जैसी योजनाबद्ध गंभीर स्थिति के कारण, या क्योंकि कुछ भयानक गलत हो जाता है। उदाहरण के लिए, 70-मीटर एंटीना का उपयोग अपोलो 13 को पृथ्वी पर सुरक्षित रूप से वापस लाने के लिए किया गया था। उन्होंने नील आर्मस्ट्रांग की प्रसिद्ध पंक्ति, "एक आदमी के लिए एक छोटा कदम, मानव जाति के लिए एक विशाल कदम" को भी अपनाया। और आज भी, DSN दुनिया की सबसे उन्नत और संवेदनशील संचार प्रणाली बनी हुई है। अब्राहम चेतावनी देते हैं, "लेकिन कई कारणों से यह पहले ही अपनी सीमा तक पहुंच चुका है।" - रेडियो फ्रीक्वेंसी पर काम करने वाली तकनीक में सुधार के लिए व्यावहारिक रूप से कहीं नहीं है। सरल समाधान ख़त्म होते जा रहे हैं।"

तीन ग्राउंड स्टेशन 120 डिग्री अलग

कैनबरा में डीएसएन प्लेट्स

मैड्रिड में डीएसएन कॉम्प्लेक्स

गोल्डस्टोन में डीएसएन

जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला में नियंत्रण कक्ष

रेडियो और उसके बाद क्या होगा

ये कहानी नई नहीं है. गहरे अंतरिक्ष संचार के इतिहास में आवृत्तियों को बढ़ाने और तरंग दैर्ध्य को छोटा करने के लिए निरंतर संघर्ष शामिल है। एक्सप्लोरर 1 में 108 मेगाहर्ट्ज आवृत्तियों का उपयोग किया गया था। नासा ने तब बड़े, बेहतर लाभ वाले एंटेना पेश किए जो एल-बैंड, 1 से 2 गीगाहर्ट्ज़ में आवृत्तियों का समर्थन करते थे। फिर एस-बैंड की बारी आई, जिसकी आवृत्ति 2 से 4 गीगाहर्ट्ज़ थी, और फिर एजेंसी ने 7-11,2 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों के साथ एक्स-बैंड पर स्विच किया।

आज, अंतरिक्ष संचार प्रणालियाँ फिर से बदलाव के दौर से गुजर रही हैं - वे अब 26-40 गीगाहर्ट्ज़ रेंज, का-बैंड की ओर बढ़ रही हैं। अब्राहम कहते हैं, "इस प्रवृत्ति का कारण यह है कि तरंग दैर्ध्य जितनी छोटी और आवृत्तियाँ जितनी अधिक होंगी, डेटा स्थानांतरण दर उतनी ही तेज़ हो सकती है।"

आशावाद के कई कारण हैं, यह देखते हुए कि ऐतिहासिक रूप से नासा में संचार की गति काफी तेज़ रही है। जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी का 2014 का एक शोध पत्र तुलना के लिए निम्नलिखित थ्रूपुट डेटा प्रदान करता है: यदि हमने बृहस्पति से पृथ्वी तक एक विशिष्ट iPhone फोटो संचारित करने के लिए एक्सप्लोरर 1 की संचार प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया, तो इसमें वर्तमान युग के ब्रह्मांड की तुलना में 460 गुना अधिक समय लगेगा। 2 के दशक के पायनियर्स 4 और 1960 के लिए, इसमें 633 वर्ष लगे होंगे। 000 के मेरिनर 9 ने इसे 1971 घंटों में पूरा किया होगा। आज एमआरएस को तीन मिनट लगेंगे।

निस्संदेह, एकमात्र समस्या यह है कि अंतरिक्ष यान द्वारा प्राप्त डेटा की मात्रा उतनी ही तेजी से बढ़ रही है, जितनी तेजी से नहीं, बल्कि उसकी संचरण क्षमताओं की वृद्धि से। ऑपरेशन के 40 वर्षों में, वोयाजर्स 1 और 2 ने 5 टीबी जानकारी का उत्पादन किया। 2020 में लॉन्च होने वाला एनआईएसएआर पृथ्वी विज्ञान उपग्रह प्रति माह 85 टीबी डेटा का उत्पादन करेगा। और यदि पृथ्वी के उपग्रह इसमें काफी सक्षम हैं, तो ग्रहों के बीच इतनी मात्रा में डेटा स्थानांतरित करना एक पूरी तरह से अलग कहानी है। यहां तक ​​कि एक अपेक्षाकृत तेज़ एमआरएस भी 85 वर्षों तक 20 टीबी डेटा पृथ्वी पर संचारित करेगा।

अब्राहम कहते हैं, "2020 के अंत और 2030 की शुरुआत में मंगल ग्रह की खोज के लिए अपेक्षित डेटा दरें 150 एमबीपीएस या उससे अधिक होंगी, तो चलिए गणित करते हैं।" - यदि हमसे मंगल ग्रह की अधिकतम दूरी पर एक एमआरएस-श्रेणी का अंतरिक्ष यान पृथ्वी पर 1-मीटर एंटीना को लगभग 70 Mbit/s भेज सकता है, तो 150 Mbit/s की गति से संचार व्यवस्थित करने के लिए 150 70-मीटर की एक सरणी एंटेना की आवश्यकता होगी. हां, निश्चित रूप से, हम इस बेतुकी राशि को थोड़ा कम करने के लिए चतुर तरीकों के साथ आ सकते हैं, लेकिन समस्या स्पष्ट रूप से मौजूद है: 150 एमबीपीएस की गति पर इंटरप्लेनेटरी संचार व्यवस्थित करना बेहद मुश्किल है। इसके अलावा, हम अनुमत आवृत्तियों से बाहर चल रहे हैं।

जैसा कि अब्राहम प्रदर्शित करता है, एस-बैंड या एक्स-बैंड में काम करते हुए, एक 25 एमबीपीएस मिशन पूरे उपलब्ध स्पेक्ट्रम पर कब्जा कर लेगा। का-बैंड में अधिक जगह है, लेकिन 150 Mbit/s के थ्रूपुट वाले केवल दो मंगल उपग्रह पूरे स्पेक्ट्रम पर कब्जा कर लेंगे। सीधे शब्दों में कहें तो, इंटरप्लेनेटरी इंटरनेट को संचालित करने के लिए सिर्फ रेडियो से कहीं अधिक की आवश्यकता होगी - यह लेजर पर निर्भर करेगा।

ऑप्टिकल संचार का उद्भव

लेज़र भविष्यवादी लगते हैं, लेकिन ऑप्टिकल संचार के विचार का पता 1880 के दशक में अलेक्जेंडर ग्राहम बेल द्वारा दायर एक पेटेंट से लगाया जा सकता है। बेल ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की जिसमें सूर्य का प्रकाश, एक बहुत ही संकीर्ण किरण पर केंद्रित होकर, एक परावर्तक डायाफ्राम पर निर्देशित होता था जो ध्वनियों द्वारा कंपन करता था। कंपन के कारण लेंस से क्रूड फोटोडिटेक्टर में गुजरने वाली रोशनी में बदलाव आया। फोटोडिटेक्टर के प्रतिरोध में बदलाव से फोन से गुजरने वाली धारा बदल गई।

सिस्टम अस्थिर था, वॉल्यूम बहुत कम था और बेल ने अंततः इस विचार को त्याग दिया। लेकिन लगभग 100 साल बाद, लेजर और फाइबर ऑप्टिक्स से लैस, नासा के इंजीनियर इस पुरानी अवधारणा पर लौट आए हैं।

अब्राहम ने कहा, "हम रेडियो फ़्रीक्वेंसी सिस्टम की सीमाओं को जानते थे, इसलिए 1970 के दशक के अंत में, 1980 के दशक की शुरुआत में जेपीएल में, हमने अंतरिक्ष लेज़रों का उपयोग करके गहरे अंतरिक्ष से संदेश प्रसारित करने की संभावना पर चर्चा शुरू की।" गहरे अंतरिक्ष ऑप्टिकल संचार में क्या संभव है और क्या नहीं, इसे बेहतर ढंग से समझने के लिए, प्रयोगशाला ने 1980 के दशक के अंत में चार साल का डीप स्पेस रिले सैटेलाइट सिस्टम (DSRSS) अध्ययन शुरू किया। अध्ययन को महत्वपूर्ण सवालों का जवाब देना था: मौसम और दृश्यता की समस्याओं के बारे में क्या (आखिरकार, रेडियो तरंगें आसानी से बादलों से गुजर सकती हैं, जबकि लेजर नहीं)? क्या होगा यदि सूर्य-पृथ्वी-जांच कोण बहुत तीव्र हो जाए? क्या पृथ्वी पर कोई डिटेक्टर सूरज की रोशनी से कमजोर ऑप्टिकल सिग्नल को अलग कर सकता है? और अंततः, यह सब कितना खर्च होगा और क्या यह इसके लायक होगा? अब्राहम मानते हैं, ''हम अभी भी इन सवालों के जवाब तलाश रहे हैं।'' "हालांकि, उत्तर तेजी से ऑप्टिकल डेटा ट्रांसमिशन की संभावना का समर्थन करते हैं।"

डीएसआरएसएस ने सुझाव दिया कि पृथ्वी के वायुमंडल के ऊपर स्थित एक बिंदु ऑप्टिकल और रेडियो संचार के लिए सबसे उपयुक्त होगा। यह कहा गया था कि ऑर्बिटल स्टेशन पर स्थापित ऑप्टिकल संचार प्रणाली प्रतिष्ठित 70-मीटर एंटेना सहित किसी भी ग्राउंड-आधारित वास्तुकला से बेहतर प्रदर्शन करेगी। निचली-पृथ्वी की कक्षा में, 10-मीटर डिश को तैनात करने और फिर इसे जियोसिंक्रोनस तक बढ़ाने की योजना बनाई गई थी। हालाँकि, ऐसी प्रणाली की लागत - जिसमें एक डिश के साथ एक उपग्रह, एक प्रक्षेपण यान और पाँच उपयोगकर्ता टर्मिनल शामिल थे - निषेधात्मक थी। इसके अलावा, अध्ययन में आवश्यक सहायक प्रणाली की लागत भी शामिल नहीं थी जो उपग्रह विफलता की स्थिति में काम में आएगी।

इस प्रणाली के लिए, प्रयोगशाला ने प्रयोगशाला की ग्राउंड बेस्ड एडवांस्ड टेक्नोलॉजी स्टडी (जीबीएटीएस) रिपोर्ट में वर्णित जमीनी वास्तुकला को देखना शुरू किया, जो डीआरएसएस के लगभग उसी समय आयोजित की गई थी। GBATS पर काम करने वाले लोग दो वैकल्पिक प्रस्ताव लेकर आए। पहला है पूरे भूमध्य रेखा पर 10 डिग्री की दूरी पर स्थित 60-मीटर एंटेना और मीटर-लंबे अतिरिक्त एंटेना वाले छह स्टेशनों की स्थापना। स्टेशनों को पर्वत चोटियों पर बनाया जाना था, जहाँ साल में कम से कम 66% दिन मौसम साफ़ रहता था। इस प्रकार, किसी भी अंतरिक्ष यान को 2-3 स्टेशन हमेशा दिखाई देंगे, और उनका मौसम अलग होगा। दूसरा विकल्प नौ स्टेशनों का है, जो तीन-तीन के समूह में हैं और एक-दूसरे से 120 डिग्री की दूरी पर स्थित हैं। प्रत्येक समूह के स्टेशन एक-दूसरे से 200 किमी की दूरी पर स्थित होने चाहिए थे ताकि वे सीधी दृश्यता में हों, लेकिन अलग-अलग मौसम कक्षों में।

दोनों जीबीएटीएस आर्किटेक्चर अंतरिक्ष दृष्टिकोण से सस्ते थे, लेकिन उनमें समस्याएं भी थीं। सबसे पहले, चूँकि सिग्नलों को पृथ्वी के वायुमंडल से गुज़रना पड़ता था, इसलिए दिन के समय का रिसेप्शन, रोशन आकाश के कारण रात के रिसेप्शन की तुलना में बहुत खराब होगा। चतुर व्यवस्था के बावजूद, ऑप्टिकल ग्राउंड स्टेशन मौसम पर निर्भर होंगे। एक ग्राउंड स्टेशन पर लेज़र की ओर इशारा करने वाले अंतरिक्ष यान को अंततः खराब मौसम की स्थिति के अनुकूल होना होगा और दूसरे स्टेशन के साथ संचार फिर से स्थापित करना होगा जो बादलों द्वारा अस्पष्ट नहीं है।

हालाँकि, समस्याओं की परवाह किए बिना, डीएसआरएसएस और जीबीएटीएस परियोजनाओं ने गहरे अंतरिक्ष संचार के लिए ऑप्टिकल सिस्टम और नासा में इंजीनियरों के आधुनिक विकास के लिए सैद्धांतिक नींव रखी। जो कुछ बचा था वह ऐसी प्रणाली का निर्माण करना और उसके प्रदर्शन को प्रदर्शित करना था। सौभाग्य से, यह केवल कुछ महीने दूर था।

परियोजना कार्यान्वयन

उस समय तक, अंतरिक्ष में ऑप्टिकल डेटा ट्रांसमिशन पहले ही हो चुका था। पहला प्रयोग 1992 में किया गया था, जब गैलीलियो जांच बृहस्पति की ओर बढ़ रही थी और उसने टेबल माउंटेन वेधशाला में 60-सेमी दूरबीन और 1,5 मीटर से भेजे गए लेजर पल्स के एक सेट को सफलतापूर्वक प्राप्त करने के लिए अपने उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैमरे को पृथ्वी की ओर मोड़ दिया था। न्यू मैक्सिको में यूएसएएफ स्टारफायर ऑप्टिकल टेलीस्कोप रेंज। इस समय, गैलीलियो पृथ्वी से 1,4 मिलियन किमी दूर था, लेकिन दोनों लेजर किरणें उसके कैमरे से टकरा गईं।

जापानी और यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसियां ​​भी ग्राउंड स्टेशनों और पृथ्वी की कक्षा में उपग्रहों के बीच ऑप्टिकल संचार स्थापित करने में सक्षम हैं। तब वे दोनों उपग्रहों के बीच 50 एमबीपीएस कनेक्शन स्थापित करने में सक्षम थे। कई साल पहले, एक जर्मन टीम ने पृथ्वी की कक्षा में एनएफआईआरई उपग्रह और टेनेरिफ़, स्पेन में एक ग्राउंड स्टेशन के बीच 5,6 जीबीपीएस सुसंगत ऑप्टिकल द्विदिशात्मक लिंक स्थापित किया था। लेकिन ये सभी मामले निम्न-पृथ्वी कक्षा से जुड़े थे।

सौर मंडल में किसी अन्य ग्रह के निकट कक्षा में एक ग्राउंड स्टेशन और एक अंतरिक्ष यान को जोड़ने वाला पहला ऑप्टिकल लिंक जनवरी 2013 में स्थापित किया गया था। मोना लिसा की 152 x 200 पिक्सेल की श्वेत-श्याम छवि को नासा के गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर के नेक्स्ट जेनरेशन सैटेलाइट लेजर रेंजिंग स्टेशन से लूनर रिकॉनिसेंस ऑर्बिटर (LRO) में 300 बीपीएस पर प्रसारित किया गया था। संचार एकतरफ़ा था. एलआरओ ने पृथ्वी से प्राप्त छवि को नियमित रेडियो संचार के माध्यम से वापस भेजा। छवि को थोड़े सॉफ़्टवेयर त्रुटि सुधार की आवश्यकता थी, लेकिन इस कोडिंग के बिना भी इसे पहचानना आसान था। और उस समय, चंद्रमा पर एक अधिक शक्तिशाली प्रणाली के प्रक्षेपण की योजना पहले से ही बनाई गई थी।

2013 चंद्र टोही ऑर्बिटर परियोजना से: पृथ्वी के वायुमंडल (बाएं) द्वारा शुरू की गई ट्रांसमिशन त्रुटियों से जानकारी साफ़ करने के लिए, गोडार्ड स्पेस फ़्लाइट सेंटर के वैज्ञानिकों ने रीड-सोलोमन त्रुटि सुधार (दाएं) का उपयोग किया, जिसका व्यापक रूप से सीडी और डीवीडी में उपयोग किया जाता है। सामान्य त्रुटियों में गायब पिक्सेल (सफ़ेद) और ग़लत सिग्नल (काला) शामिल हैं। एक सफेद पट्टी संचरण में एक छोटे से ठहराव का संकेत देती है।

«चंद्र वायुमंडल और धूल पर्यावरण के शोधकर्ता(LADEE) ने 6 अक्टूबर, 2013 को चंद्र कक्षा में प्रवेश किया और ठीक एक सप्ताह बाद डेटा संचारित करने के लिए अपना स्पंदित लेजर लॉन्च किया। इस बार, नासा ने दूसरी दिशा में 20 Mbit/s की गति और दूसरी दिशा में 622 Mbit/s की रिकॉर्ड गति पर दो-तरफ़ा संचार व्यवस्थित करने का प्रयास किया। एकमात्र समस्या मिशन की अल्प आयु थी। एलआरओ का ऑप्टिकल संचार एक समय में केवल कुछ मिनटों के लिए ही काम करता था। LADEE ने अपने लेजर से 16 दिनों में 30 घंटे तक डेटा का आदान-प्रदान किया। जून 2019 में होने वाले लेजर कम्युनिकेशंस डिमॉन्स्ट्रेशन (एलसीआरडी) उपग्रह के प्रक्षेपण के साथ यह स्थिति बदलने वाली है। इसका मिशन यह दिखाना है कि अंतरिक्ष में भविष्य की संचार प्रणालियाँ कैसे काम करेंगी।

एलसीआरडी को नासा की जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला में एमआईटी की लिंकन प्रयोगशाला के साथ मिलकर विकसित किया जा रहा है। इसमें दो ऑप्टिकल टर्मिनल होंगे: एक कम-पृथ्वी की कक्षा में संचार के लिए, दूसरा गहरे अंतरिक्ष के लिए। सबसे पहले डिफरेंशियल फेज़ शिफ्ट कीइंग (DPSK) का उपयोग करना होगा। ट्रांसमीटर 2,88 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर लेजर पल्स भेजेगा। इस तकनीक का उपयोग करके, प्रत्येक बिट को क्रमिक दालों के चरण अंतर द्वारा एन्कोड किया जाएगा। यह 2,88 जीबीपीएस की स्पीड से काम कर सकेगा, लेकिन इसके लिए काफी पावर की जरूरत होगी। डिटेक्टर केवल उच्च-ऊर्जा संकेतों में दालों के बीच अंतर का पता लगा सकते हैं, इसलिए डीपीएसके निकट-पृथ्वी संचार के लिए बहुत अच्छा काम करता है, लेकिन यह गहरे स्थान के लिए सबसे अच्छा तरीका नहीं है, जहां ऊर्जा भंडारण समस्याग्रस्त है। मंगल ग्रह से भेजा गया सिग्नल पृथ्वी तक पहुंचते-पहुंचते ऊर्जा खो देगा, इसलिए एलसीआरडी गहरे अंतरिक्ष के साथ ऑप्टिकल संचार प्रदर्शित करने के लिए पल्स चरण मॉड्यूलेशन नामक एक अधिक कुशल तकनीक का उपयोग करेगा।

NASA के इंजीनियर LADEE को परीक्षण के लिए तैयार करते हैं

2017 में, इंजीनियरों ने एक थर्मल वैक्यूम चैंबर में फ्लाइट मोडेम का परीक्षण किया

अब्राहम बताते हैं, "यह अनिवार्य रूप से फोटॉनों की गिनती कर रहा है।" - संचार के लिए आवंटित छोटी अवधि को कई समय अवधियों में विभाजित किया गया है। डेटा प्राप्त करने के लिए, आपको बस यह जांचना होगा कि क्या फोटॉन प्रत्येक अंतराल पर डिटेक्टर से टकराए हैं। इस प्रकार डेटा को FIM में एन्कोड किया जाता है। यह मोर्स कोड की तरह है, लेकिन अत्यधिक तेज़ गति से। या तो किसी निश्चित समय पर फ्लैश होता है या नहीं होता है, और संदेश फ्लैश के अनुक्रम द्वारा एन्कोड किया जाता है। अब्राहम कहते हैं, "भले ही यह डीपीएसके की तुलना में बहुत धीमा है, फिर भी हम मंगल ग्रह जितनी दूर से दसियों या सैकड़ों एमबीपीएस ऑप्टिकल संचार प्रदान कर सकते हैं।"

बेशक, एलसीआरडी परियोजना केवल ये दो टर्मिनल नहीं हैं। इसे अंतरिक्ष में इंटरनेट हब के रूप में भी काम करना चाहिए। ज़मीन पर, तीन स्टेशन LCRD के साथ संचालित होंगे: एक न्यू मैक्सिको में व्हाइट सैंड्स पर, एक कैलिफ़ोर्निया में टेबल माउंटेन पर, और एक हवाई द्वीप या माउई पर। किसी स्टेशन पर खराब मौसम होने पर एक ग्राउंड स्टेशन से दूसरे ग्राउंड स्टेशन पर स्विच करने का परीक्षण करने का विचार है। मिशन डेटा ट्रांसमीटर के रूप में एलसीआरडी के प्रदर्शन का भी परीक्षण करेगा। किसी एक स्टेशन से एक ऑप्टिकल सिग्नल एक उपग्रह को भेजा जाएगा और फिर दूसरे स्टेशन पर प्रेषित किया जाएगा - यह सब एक ऑप्टिकल लिंक के माध्यम से।

यदि डेटा तुरंत स्थानांतरित नहीं किया जा सकता है, तो LCRD इसे संग्रहीत करेगा और अवसर आने पर इसे स्थानांतरित करेगा। यदि डेटा अत्यावश्यक है या ऑनबोर्ड स्टोरेज में पर्याप्त जगह नहीं है, तो LCRD इसे तुरंत अपने Ka-बैंड एंटीना के माध्यम से भेज देगा। तो, भविष्य के ट्रांसमीटर उपग्रहों का अग्रदूत, एलसीआरडी एक हाइब्रिड रेडियो-ऑप्टिकल प्रणाली होगी। यह ठीक उसी प्रकार की इकाई है जिसे नासा को एक अंतरग्रहीय नेटवर्क स्थापित करने के लिए मंगल ग्रह की कक्षा में स्थापित करने की आवश्यकता है जो 2030 के दशक में मानव गहरे अंतरिक्ष अन्वेषण का समर्थन करेगा।

मंगल ग्रह को ऑनलाइन लाना

पिछले वर्ष में, अब्राहम की टीम ने गहरे अंतरिक्ष संचार के भविष्य का वर्णन करते हुए दो पेपर लिखे हैं, जिन्हें मई 2019 में फ्रांस में स्पेसऑप्स सम्मेलन में प्रस्तुत किया जाएगा। एक सामान्य रूप से गहरे अंतरिक्ष संचार का वर्णन करता है, दूसरा ("मानव अन्वेषण के युग के लिए मार्स इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क - संभावित समस्याएं और समाधान") लाल ग्रह पर अंतरिक्ष यात्रियों के लिए इंटरनेट जैसी सेवा प्रदान करने में सक्षम बुनियादी ढांचे का विस्तृत विवरण प्रदान करता है।

चरम औसत डेटा स्थानांतरण गति का अनुमान डाउनलोडिंग के लिए लगभग 215 Mbit/s और अपलोड करने के लिए 28 Mbit/s था। मंगल इंटरनेट में तीन नेटवर्क शामिल होंगे: सतह अन्वेषण क्षेत्र को कवर करने वाला वाईफाई, सतह से पृथ्वी तक डेटा संचारित करने वाला एक ग्रहीय नेटवर्क, और पृथ्वी नेटवर्क, एक गहरा अंतरिक्ष संचार नेटवर्क जिसमें तीन साइटें इस डेटा को प्राप्त करने और प्रतिक्रिया भेजने के लिए जिम्मेदार हैं। मंगल.

“ऐसे बुनियादी ढांचे को विकसित करते समय, कई समस्याएं आती हैं। यह मंगल ग्रह से 2,67 एयू की अधिकतम दूरी पर भी विश्वसनीय और स्थिर होना चाहिए। सौर श्रेष्ठ संयोजन की अवधि के दौरान, जब मंगल ग्रह सूर्य के पीछे छिप जाता है, ”अब्राहम कहते हैं। ऐसा संयोग हर दो साल में बनता है और मंगल के साथ संचार पूरी तरह से बाधित हो जाता है। “आज हम इसका सामना नहीं कर सकते। मंगल ग्रह पर मौजूद सभी लैंडिंग और कक्षीय स्टेशन लगभग दो सप्ताह के लिए पृथ्वी से संपर्क खो देते हैं। ऑप्टिकल संचार के साथ, सौर कनेक्टिविटी के कारण संचार हानि और भी अधिक होगी, 10 से 15 सप्ताह।" रोबोटों के लिए, ऐसे अंतराल विशेष रूप से डरावने नहीं होते हैं। इस तरह के अलगाव से उन्हें कोई समस्या नहीं होती है, क्योंकि वे ऊबते नहीं हैं, अकेलेपन का अनुभव नहीं करते हैं, और उन्हें अपने प्रियजनों को देखने की आवश्यकता नहीं होती है। लेकिन लोगों के लिए यह बिल्कुल अलग है।

अब्राहम आगे कहते हैं, "इसलिए हम सैद्धांतिक रूप से मंगल की सतह से 17300 किमी ऊपर गोलाकार भूमध्यरेखीय कक्षा में स्थापित दो कक्षीय ट्रांसमीटरों को चालू करने की अनुमति देते हैं।" अध्ययन के अनुसार, उनमें से प्रत्येक का वजन 1500 किलोग्राम होना चाहिए, और बोर्ड पर एक्स-बैंड, केए-बैंड और ऑप्टिकल रेंज में संचालित होने वाले टर्मिनलों का एक सेट होना चाहिए, और 20-30 किलोवाट की शक्ति वाले सौर पैनलों द्वारा संचालित होना चाहिए। उन्हें विलंब सहनशील नेटवर्क प्रोटोकॉल-अनिवार्य रूप से टीसीपी/आईपी का समर्थन करना चाहिए, जो इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क में अनिवार्य रूप से होने वाली लंबी देरी को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। नेटवर्क में भाग लेने वाले कक्षीय स्टेशनों को ग्रह की सतह पर अंतरिक्ष यात्रियों और वाहनों, ग्राउंड स्टेशनों और एक दूसरे के साथ संचार करने में सक्षम होना चाहिए।

अब्राहम कहते हैं, "यह क्रॉस-कपलिंग बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह 250 एमबीपीएस पर डेटा संचारित करने के लिए आवश्यक एंटेना की संख्या कम कर देता है।" उनकी टीम का अनुमान है कि एक कक्षीय ट्रांसमीटर से 250 एमबीपीएस डेटा प्राप्त करने के लिए छह 34-मीटर एंटेना की एक श्रृंखला की आवश्यकता होगी। इसका मतलब यह है कि नासा को गहरे अंतरिक्ष संचार स्थलों पर तीन अतिरिक्त एंटेना बनाने की आवश्यकता होगी, लेकिन इन्हें बनाने में कई साल लग जाते हैं और ये बेहद महंगे हैं। अब्राहम कहते हैं, "लेकिन हमें लगता है कि दो कक्षीय स्टेशन डेटा साझा कर सकते हैं और इसे 125 एमबीपीएस पर एक साथ भेज सकते हैं, जिसमें एक ट्रांसमीटर डेटा पैकेट का आधा हिस्सा भेजता है और दूसरा आधा भेजता है।" आज भी, 34 मीटर गहरे अंतरिक्ष संचार एंटेना एक साथ चार अलग-अलग अंतरिक्ष यान से डेटा प्राप्त कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कार्य को पूरा करने के लिए तीन एंटेना की आवश्यकता होती है। अब्राहम बताते हैं, "आकाश के एक ही क्षेत्र से दो 125 एमबीपीएस ट्रांसमिशन प्राप्त करने के लिए एक ट्रांसमिशन प्राप्त करने के लिए समान संख्या में एंटेना की आवश्यकता होती है।" "यदि आपको उच्च गति पर संचार करने की आवश्यकता है तो अधिक एंटेना की आवश्यकता होती है।"

सौर संयोजन समस्या से निपटने के लिए, अब्राहम की टीम ने सूर्य-मंगल/सूर्य-पृथ्वी कक्षा के L4/L5 बिंदुओं पर एक ट्रांसमीटर उपग्रह लॉन्च करने का प्रस्ताव रखा। फिर, संयोजन अवधि के दौरान, इसके माध्यम से संकेत भेजने के बजाय, इसका उपयोग सूर्य के चारों ओर डेटा संचारित करने के लिए किया जा सकता है। दुर्भाग्य से, इस अवधि के दौरान गति घटकर 100 केबीपीएस रह जाएगी। सीधे शब्दों में कहें तो यह काम करेगा, लेकिन यह बेकार है।

इस बीच, मंगल ग्रह पर भविष्य के अंतरिक्ष यात्रियों को बिल्ली के बच्चे की तस्वीर प्राप्त करने के लिए केवल तीन मिनट से अधिक इंतजार करना होगा, इसमें 40 मिनट तक की देरी भी शामिल हो सकती है। सौभाग्य से, इससे पहले कि मानवता की महत्वाकांक्षाएं हमें लाल ग्रह से भी आगे ले जाएं, इंटरप्लेनेटरी इंटरनेट पहले से ही अधिकांश समय अच्छी तरह से काम करेगा।

स्रोत: www.habr.com