Զանգահարելով խորը տիեզերք. ինչպես է NASA-ն արագացնում միջմոլորակային հաղորդակցությունը

«Գրեթե ոչ մի տեղ չկա բարելավելու ռադիոհաճախականությունների վրա աշխատող տեխնոլոգիան: Հեշտ լուծումների ավարտ»

26 թվականի նոյեմբերի 2018-ին՝ Մոսկվայի ժամանակով ժամը 22:53-ին, ՆԱՍԱ-ին կրկին հաջողվեց՝ InSight զոնդը հաջողությամբ վայրէջք կատարեց Մարսի մակերեսին՝ կրկին մտնելու, վայրէջքի և վայրէջքի զորավարժություններից հետո, որոնք հետագայում կոչվեցին «սարսափի վեցուկես րոպե»: Պատշաճ նկարագրություն, քանի որ ՆԱՍԱ-ի ինժեներները չեն կարողացել անմիջապես իմանալ, թե արդյոք տիեզերական զոնդը հաջողությամբ վայրէջք է կատարել մոլորակի մակերևույթի վրա՝ Երկրի և Մարսի միջև հաղորդակցության ժամանակի ուշացման պատճառով, որը կազմել է մոտավորապես 8,1 րոպե: Այս պատուհանի ընթացքում InSight-ը չէր կարող ապավինել իր ավելի ժամանակակից և հզոր ալեհավաքներին. ամեն ինչ կախված էր հնաոճ UHF հաղորդակցությունից (այս մեթոդը երկար ժամանակ օգտագործվել է ամեն ինչում՝ սկսած հեռուստատեսային հեռարձակումներից և ձայնասկավառակներից մինչև Bluetooh սարքեր):

Արդյունքում, InSight-ի վիճակի վերաբերյալ կրիտիկական տվյալներ փոխանցվել են 401,586 ՄՀց հաճախականությամբ ռադիոալիքների վրա երկու արբանյակներին.Կուբսատա, WALL-E և EVE, որոնք այնուհետ 8 Կբիթ/վ արագությամբ տվյալներ են փոխանցել Երկրի վրա տեղակայված 70 մետրանոց ալեհավաքներին։ Cubesats-ը արձակվել է նույն հրթիռով, ինչ InSight-ը, և նրանք ուղեկցել են նրան դեպի Մարս ճանապարհորդության ժամանակ՝ դիտելու վայրէջքը և անմիջապես տուն փոխանցելու տվյալները: Մարսի ուղեծրով պտտվող այլ նավեր, ինչպիսիք են Մարսի հետախուզական արբանյակ (MRS), գտնվել են անհարմար դիրքում և սկզբում չեն կարողացել իրական ժամանակում հաղորդագրություններ տրամադրել վայրէջքի հետ: Չասենք, որ ամբողջ վայրէջքը կախված էր երկու փորձնական ճամպրուկի չափի Cubesats-ից, բայց MRS-ը կկարողանար InSight-ից տվյալներ փոխանցել միայն ավելի երկար սպասելուց հետո:

InSight վայրէջքը իրականում փորձության ենթարկեց ՆԱՍԱ-ի հաղորդակցության ողջ ճարտարապետությունը՝ «Մարսի ցանցը»: InSight վայրէջքից ստացված ազդանշանը, որը փոխանցվում է ուղեծրային արբանյակներին, ամեն դեպքում կհասներ Երկիր, նույնիսկ եթե արբանյակները ձախողվեին: WALL-E-ն և EVE-ն անհրաժեշտ էին տեղեկատվության ակնթարթային փոխանցման համար, և նրանք դա արեցին: Եթե ​​այս Կուբսատները ինչ-ինչ պատճառներով չաշխատեին, MRS-ը պատրաստ էր խաղալ իրենց դերը: Նրանցից յուրաքանչյուրը հանդես էր գալիս որպես հանգույց ինտերնետի նման ցանցի վրա՝ երթուղելով տվյալների փաթեթները տարբեր սարքավորումներից կազմված տարբեր տերմինալների միջոցով: Այսօր դրանցից ամենաարդյունավետը MRS-ն է, որը կարող է տվյալներ փոխանցել մինչև 6 Մբիթ/վ արագությամբ (և սա միջմոլորակային առաքելությունների ներկայիս ռեկորդն է): Այնուամենայնիվ, NASA-ն նախկինում ստիպված է եղել գործել շատ ավելի դանդաղ արագությամբ, և ապագայում անհրաժեշտ կլինի շատ ավելի արագ տվյալների փոխանցում:

Ինչպես ձեր ISP-ն, NASA-ն թույլ է տալիս ինտերնետ օգտագործողներին ստուգել իրական ժամանակում հաղորդակցություն տիեզերանավերի հետ:

Deep Space ցանց

Տիեզերքում ՆԱՍԱ-ի աճող ներկայությամբ անընդհատ հայտնվում են կապի բարելավված համակարգեր, որոնք ընդգրկում են ավելի ու ավելի շատ տարածություն. սկզբում դա ցածր Երկրի ուղեծիր էր, հետո գեոսինխրոն ուղեծրը և Լուսինը, և շուտով հաղորդակցությունները ավելի խորը տարածվեցին: Ամեն ինչ սկսվեց չմշակված ձեռքի ռադիոյով, որն օգտագործում էր Նիգերիայում, Սինգապուրում և Կալիֆոռնիայում գտնվող ԱՄՆ ռազմաբազաները՝ Explorer 1-ից՝ առաջին արբանյակից, որը հաջողությամբ արձակվել էր ամերիկացիների կողմից 1958 թվականին, հեռաչափություն ստանալու համար: Դանդաղ, բայց անկասկած, այս հիմքը վերածվել է այսօրվա առաջադեմ հաղորդագրությունների համակարգերի:

ՆԱՍԱ-ի Միջմոլորակային ցանցերի տնօրինության ռազմավարական և համակարգերի կանխատեսման ղեկավար Դուգլաս Աբրահամը ընդգծում է տիեզերքում հաղորդագրությունների փոխանակման երեք անկախ զարգացած ցանցեր: Near Earth Network-ը գործում է Երկրի ցածր ուղեծրում գտնվող տիեզերանավերով: «Դա ալեհավաքների հավաքածու է, հիմնականում 9 մ-ից 12 մ երկարությամբ, կան մի քանի խոշոր, 15-ից 18 մ,- ասում է Աբրահամը: Այնուհետև Երկրի գեոսինխրոն ուղեծրի վերևում կան մի քանի հետևող և տվյալների արբանյակներ (TDRS): «Նրանք կարող են ներքևից նայել Երկրի ցածր ուղեծրի արբանյակներին և շփվել նրանց հետ, այնուհետև այս տեղեկատվությունը TDRS-ի միջոցով փոխանցել գետնին», - բացատրում է Աբրահամը: «Այս արբանյակային տվյալների փոխանցման համակարգը կոչվում է NASA տիեզերական ցանց»:

Բայց նույնիսկ TDRS-ը բավարար չէր տիեզերանավի հետ հաղորդակցվելու համար, որը Լուսնի ուղեծրից շատ հեռու էր գնացել այլ մոլորակներ: «Այսպիսով, մենք պետք է ստեղծեինք մի ցանց, որը ծածկում է ամբողջ արեգակնային համակարգը: Եվ սա Deep Space Network-ն է՝ DSN»,- ասում է Աբրահամը: Մարսի ցանցը ընդլայնում է DSN.

Հաշվի առնելով ծավալը և պլանները, DSN-ը թվարկված համակարգերից ամենաբարդն է: Փաստորեն, սա մեծ ալեհավաքների հավաքածու է, 34-ից 70 մ տրամագծով: Երեք DSN կայքերից յուրաքանչյուրն ունի մի քանի 34 մ ալեհավաք և մեկ 70 մ ալեհավաք: Մի տեղանք գտնվում է Գոլդսթոունում (Կալիֆորնիա), մյուսը՝ Մադրիդի մոտ (Իսպանիա), իսկ երրորդը՝ Կանբերայում (Ավստրալիա)։ Այս տեղամասերը գտնվում են մոտավորապես 120 աստիճան հեռավորության վրա ամբողջ աշխարհում և ապահովում են XNUMX/XNUMX ծածկույթ բոլոր տիեզերանավերի համար՝ գեոսինխրոն ուղեծրից դուրս:

34 մ ալեհավաքները DSN-ի հիմնական սարքավորումներն են և լինում են երկու տեսակի՝ հին բարձր արդյունավետության ալեհավաքներ և համեմատաբար նոր ալիքատար ալեհավաքներ: Տարբերությունն այն է, որ ալիքատար ալեհավաքն ունի հինգ ճշգրիտ ՌԴ հայելիներ, որոնք արտացոլում են ազդանշանները խողովակով դեպի ստորգետնյա կառավարման սենյակ, որտեղ այդ ազդանշանները վերլուծող էլեկտրոնիկան ավելի լավ պաշտպանված է միջամտության բոլոր աղբյուրներից: 34 մետրանոց ալեհավաքները, որոնք աշխատում են առանձին կամ 2-3 սպասքից բաղկացած խմբերով, կարող են ապահովել ՆԱՍԱ-ին անհրաժեշտ հաղորդակցության մեծ մասը։ Բայց հատուկ դեպքերի համար, երբ հեռավորությունները չափազանց մեծ են դառնում նույնիսկ մի քանի 34 մ ալեհավաքների համար, DSN-ի կառավարումն օգտագործում է 70 մ հրեշներ:

«Նրանք կարևոր դեր են խաղում մի քանի դեպքերում», - ասում է Աբրահամը մեծ ալեհավաքների մասին: Առաջինն այն է, երբ տիեզերանավն այնքան հեռու է Երկրից, որ անհնար կլինի նրա հետ կապ հաստատել ավելի փոքր սպասքի միջոցով։ «Լավ օրինակները կարող են լինել «Նոր հորիզոններ» առաքելությունը, որն արդեն թռել է Պլուտոնից հեռու, կամ «Վոյաջեր» տիեզերանավը, որը գտնվում է արեգակնային համակարգից դուրս: Միայն 70 մետրանոց ալեհավաքներն են կարողանում հասնել դրանց և իրենց տվյալները հասցնել Երկիր»,- բացատրում է Աբրահամը:

70 մետրանոց ամանները օգտագործվում են նաև այն դեպքում, երբ տիեզերանավը չի կարողանում աշխատել ուժեղացուցիչ ալեհավաքի պատճառով կամ պլանավորված կրիտիկական իրավիճակի պատճառով, ինչպիսին է ուղեծր մուտքը, կամ ինչ-որ բան շատ սխալ է ընթանում: 70 մետրանոց ալեհավաքը, օրինակ, օգտագործվել է «Ապոլոն 13»-ն անվտանգ վերադարձնելու համար: Նա նաև որդեգրեց Նիլ Արմսթրոնգի հայտնի տողը՝ «Փոքր քայլ մարդու համար, հսկա քայլ մարդկության համար»։ Եվ նույնիսկ այսօր DSN-ը մնում է աշխարհի ամենաառաջադեմ և զգայուն հաղորդակցման համակարգը: «Բայց շատ պատճառներով այն արդեն հասել է իր սահմանին», - զգուշացնում է Աբրահամը: «Գրեթե ոչ մի տեղ չկա բարելավելու ռադիոհաճախականությունների վրա աշխատող տեխնոլոգիան: Պարզ լուծումները սպառվում են»։

Երեք վերգետնյա կայաններ 120 աստիճան հեռավորության վրա

DSN թիթեղները Կանբերայում

DSN համալիր Մադրիդում

DSN Goldstone-ում

Վերահսկիչ սենյակ Ռեակտիվ Շարժման Լաբորատորիայում

Ռադիոն և այն, ինչ գալիս է դրանից հետո

Այս պատմությունը նոր չէ։ Խորը տիեզերական հաղորդակցությունների պատմությունը բաղկացած է հաճախականությունների ավելացման և ալիքի երկարությունների կրճատման մշտական ​​պայքարից: Explorer 1-ն օգտագործում էր 108 ՄՀց հաճախականություններ: Այնուհետև NASA-ն ներկայացրեց ավելի մեծ, ավելի լավ ձեռք բերված ալեհավաքներ, որոնք աջակցում էին L խմբի հաճախականություններին, 1-ից մինչև 2 ԳՀց: Հետո հերթը հասավ S-ի` 2-ից 4 ԳՀց հաճախականություններով, իսկ հետո գործակալությունը անցավ X-ի` 7-11,2 ԳՀց հաճախականությամբ:

Այսօր տիեզերական հաղորդակցության համակարգերը կրկին փոփոխությունների են ենթարկվում՝ այժմ դրանք անցնում են 26-40 ԳՀց տիրույթ՝ Ka-band: «Այս միտումի պատճառն այն է, որ որքան կարճ են ալիքի երկարությունները և որքան բարձր հաճախականությունները, այնքան ավելի շատ տվյալների արագություն կարող եք ստանալ», - ասում է Աբրահամը:

Լավատեսության պատճառներ կան՝ հաշվի առնելով, որ պատմականորեն ՆԱՍԱ-ում հաղորդակցության զարգացման արագությունը բավականին բարձր է եղել։ Jet Propulsion Laboratory-ի 2014թ.-ի հետազոտական ​​փաստաթուղթը համեմատության համար բերում է հետևյալ թողունակության տվյալները. Եթե մենք օգտագործեինք Explorer 1-ի հաղորդակցման տեխնոլոգիաները՝ սովորական iPhone-ի լուսանկարը Յուպիտերից Երկիր փոխանցելու համար, ապա այն 460 անգամ ավելի երկար կպահանջի, քան ներկայիս տարիքային Տիեզերքը: 2-ականների 4-րդ և 1960-րդ պիոներները կպահանջեին 633 տարի: 000 թվականի Mariner 9-ը դա կաներ 1971 ժամում: Այսօր MPC-ից երեք րոպե կպահանջվի:

Միակ խնդիրն, իհարկե, այն է, որ տիեզերանավերի ստացած տվյալների քանակը նույնքան արագ է աճում, եթե ոչ ավելի արագ, քան փոխանցման հնարավորությունների աճը: 40 տարվա գործունեության ընթացքում «Վոյաջերներ 1»-ը և 2-ը արտադրել են 5 ՏԲ տեղեկատվություն: NISAR Earth Science արբանյակը, որը նախատեսվում է գործարկել 2020 թվականին, ամսական կարտադրի 85 ՏԲ տվյալ: Եվ եթե Երկրի արբանյակները միանգամայն ընդունակ են դա անել, ապա մոլորակների միջև տվյալների նման ծավալի փոխանցումը բոլորովին այլ պատմություն է: Նույնիսկ համեմատաբար արագ MRS-ը 85 տարի Երկիր կփոխանցի 20 ՏԲ տվյալ:

«2020-ականների վերջին և 2030-ականների սկզբին Մարսի հետախուզման համար տվյալների փոխանցման գնահատված արագությունը կկազմի 150 Մբիթ/վրկ կամ ավելի, ուստի եկեք հաշվարկենք», - ասում է Աբրահամը: – Եթե MPC դասի տիեզերանավը մեզանից մինչև Մարս առավելագույն հեռավորության վրա կարող է ուղարկել մոտ 1 Մբիթ/վրկ արագություն 70 մետրանոց ալեհավաքին Երկրի վրա, ապա 150 Մբիթ/վրկ արագությամբ հաղորդակցություն հաստատելու համար կպահանջվի 150 70 մետրանոց ալեհավաք։ . Այո, իհարկե, մենք կարող ենք խելացի եղանակներ գտնել այս անհեթեթ գումարը մի փոքր նվազեցնելու համար, բայց խնդիրն ակնհայտորեն կա. 150 Մբիթ/վ արագությամբ միջմոլորակային հաղորդակցություն կազմակերպելը չափազանց դժվար է։ Բացի այդ, մենք սպառվում ենք թույլատրելի հաճախականությունների սպեկտրից»:

Ինչպես ցույց է տալիս Աբրահամը, գործող S կամ X տիրույթում, 25 Մբիթ/վրկ հզորությամբ մեկ առաքելությունը կզբաղեցնի ողջ հասանելի սպեկտրը: Ka-band-ում ավելի շատ տարածություն կա, բայց Մարսի միայն երկու արբանյակները՝ 150 Մբիթ/վ թողունակությամբ, կզբաղեցնեն ամբողջ սպեկտրը։ Պարզ ասած, միջմոլորակային ինտերնետը աշխատելու համար կպահանջի ավելին, քան պարզապես ռադիոն. այն հիմնվելու է լազերների վրա:

Օպտիկական հաղորդակցության գալուստը

Լազերները ֆուտուրիստական ​​են թվում, բայց օպտիկական հաղորդակցության գաղափարը կարելի է գտնել 1880-ականներին Ալեքսանդր Գրեհեմ Բելի կողմից ներկայացված արտոնագրով: Bell-ը մշակեց մի համակարգ, որտեղ արևի լույսը, կենտրոնացած շատ նեղ ճառագայթի վրա, ուղղվում էր ռեֆլեկտիվ դիֆրագմայի վրա, որը թրթռում էր ձայների պատճառով: Թրթռումները առաջացրել են լույսի տատանումներ, որոնք անցնում են ոսպնյակի միջով դեպի կոպիտ ֆոտոդետեկտոր: Ֆոտոդետեկտորի դիմադրության փոփոխությունները փոխեցին հեռախոսով հոսող հոսանքը։

Համակարգն անկայուն էր, ձայնը շատ ցածր էր, և Բելն ի վերջո հրաժարվեց այս գաղափարից: Բայց մոտ 100 տարի անց, զինված լազերներով և օպտիկամանրաթելային սարքերով, ՆԱՍԱ-ի ինժեներները վերադարձան այդ հին հայեցակարգին:

«Մենք տեղյակ էինք ՌԴ համակարգերի սահմանափակումների մասին, ուստի 1970-ականների վերջին, 1980-ականների սկզբին JPL-ը սկսեց քննարկել տիեզերական լազերների միջոցով խոր տարածությունից հաղորդագրություններ փոխանցելու հնարավորությունը», - ասաց Աբրահամը: Ավելի լավ հասկանալու համար, թե ինչ է հնարավոր և ինչ հնարավոր չէ խորը տիեզերական օպտիկական հաղորդակցության մեջ, լաբորատորիան 1980-ականների վերջին պատվիրեց չորս տարվա ուսումնասիրություն՝ Deep Space Relay Satellite System (DSRSS): Հետազոտությունը պետք է պատասխաներ կրիտիկական հարցերին. ի՞նչ կասեք եղանակի և տեսանելիության խնդիրների մասին (ի վերջո, ռադիոալիքները հեշտությամբ կարող են անցնել ամպերի միջով, իսկ լազերները՝ ոչ): Ի՞նչ կլինի, եթե Արև-Երկիր զոնդի անկյունը չափազանց կտրուկ դառնա: Արդյո՞ք Երկրի վրա գտնվող դետեկտորը թույլ օպտիկական ազդանշանը կտարբերի արևի լույսից: Եվ վերջապես ինչքա՞ն կարժենա այս ամենը և արժե՞ արդյոք։ «Մենք դեռ փնտրում ենք այս հարցերի պատասխանները»,— խոստովանում է Աբրահամը։ «Սակայն պատասխաններն ավելի ու ավելի են հաստատում օպտիկական տվյալների փոխանցման հնարավորությունը»:

DSRSS-ն առաջարկել է, որ Երկրի մթնոլորտից բարձր կետը լավագույնս հարմար կլինի օպտիկական և ռադիոհաղորդակցության համար: Պնդվում էր, որ ուղեծրային կայանի վրա տեղադրված օպտիկական կապի համակարգը ավելի լավ կաշխատի, քան ցանկացած ցամաքային ճարտարապետություն, ներառյալ խորհրդանշական 70 մետրանոց ալեհավաքները: Ենթադրվում էր, որ այն պետք է տեղակայեր 10 մետրանոց ափսեը մերձերկրային ուղեծրում, այնուհետև այն բարձրացներ գեոսինխրոնի: Այնուամենայնիվ, նման համակարգի արժեքը՝ բաղկացած արբանյակից, ափսեով, արձակող հրթիռից և օգտատերերի հինգ տերմինալներից, չափազանց մեծ էր: Ընդ որում, ուսումնասիրության մեջ չի ներառվել նույնիսկ անհրաժեշտ օժանդակ համակարգի արժեքը, որը գործարկվելու է արբանյակի խափանման դեպքում։

Քանի որ այս համակարգը, Լաբորատորիան սկսեց ուսումնասիրել գետնի ճարտարապետությունը, որը նկարագրված է Ground Based Advanced Technology Study-ում (GBATS), որն իրականացվել է Լաբորատորիայում մոտավորապես նույն ժամանակ, ինչ DRSS: Այն մարդիկ, ովքեր աշխատել են GBATS-ի վրա, հանդես են եկել երկու այլընտրանքային առաջարկով. Առաջինը 10 մետրանոց ալեհավաքներով և հաշվիչների պահեստային ալեհավաքներով վեց կայանների տեղադրումն է, որոնք գտնվում են հասարակածի շուրջ միմյանցից 60 աստիճան հեռավորության վրա։ Կայարանները պետք է կառուցվեին լեռնագագաթների վրա, որտեղ տարվա օրերի առնվազն 66%-ը պարզ էր։ Այսպիսով, 2-3 կայան միշտ տեսանելի կլինի ցանկացած տիեզերանավի համար, և դրանք կունենան տարբեր եղանակներ։ Երկրորդ տարբերակը ինը կայան է, որոնք խմբավորված են երեք հոգանոց խմբերով և գտնվում են միմյանցից 120 աստիճանով: Յուրաքանչյուր խմբի մեջ գտնվող կայանները պետք է տեղակայված լինեն միմյանցից 200 կմ հեռավորության վրա, որպեսզի դրանք լինեն տեսադաշտում, բայց եղանակային տարբեր խցերում:

Երկու GBATS ճարտարապետություններն ավելի էժան էին, քան տիեզերական մոտեցումը, բայց նրանք նաև խնդիրներ ունեին: Նախ, քանի որ ազդանշանները պետք է անցնեին Երկրի մթնոլորտով, ցերեկային ընդունումը շատ ավելի վատ կլիներ, քան գիշերային ընդունումը լուսավորված երկնքի պատճառով: Չնայած խելացի դասավորությանը, ցամաքային օպտիկական կայանները կախված կլինեն եղանակից: Տիեզերանավը, որն ուղղված է լազերին վերգետնյա կայան, ի վերջո ստիպված կլինի հարմարվել վատ եղանակային պայմաններին և վերականգնել կապը մեկ այլ կայանի հետ, որը ծածկված չէ ամպերով:

Այնուամենայնիվ, անկախ խնդիրներից, DSRSS և GBATS նախագծերը տեսական հիմք դրեցին խոր տիեզերական օպտիկական համակարգերի և NASA-ի ինժեներների ժամանակակից զարգացումների համար: Մնում էր միայն կառուցել նման համակարգ և ցուցադրել դրա կատարումը։ Բարեբախտաբար, դրանից ընդամենը մի քանի ամիս էր մնացել:

Ծրագրի իրականացում

Այդ ժամանակ արդեն տեղի էր ունեցել օպտիկական տվյալների փոխանցում տիեզերքում։ Առաջին փորձարկումն արվել է 1992 թվականին, երբ Գալիլեո զոնդը շարժվում էր դեպի Յուպիտեր և իր բարձր լուծաչափով տեսախցիկը շեղեց դեպի Երկիր՝ հաջողությամբ ստանալով լազերային իմպուլսների մի շարք 60 սմ Table Mountain աստղադիտակից և 1,5 մ USAF Starfire օպտիկական աստղադիտակից: Նյու Մեքսիկոյում։ Այդ պահին Գալիլեոն գտնվում էր Երկրից 1,4 միլիոն կմ հեռավորության վրա, սակայն երկու լազերային ճառագայթները հարվածեցին նրա տեսախցիկին։

Ճապոնիայի և Եվրոպական տիեզերական գործակալություններին հաջողվել է նաև օպտիկական հաղորդակցություն հաստատել Երկրի ուղեծրի ցամաքային կայանների և արբանյակների միջև: Այնուհետև նրանք կարողացան 50 Մբիթ/վրկ կապ հաստատել երկու արբանյակների միջև: Մի քանի տարի առաջ գերմանական թիմը ստեղծեց 5,6 Գբ/վ արագությամբ համահունչ երկկողմանի օպտիկական կապ Երկրի ուղեծրում գտնվող NFIRE արբանյակի և Իսպանիայի Տեներիֆե քաղաքում գտնվող ցամաքային կայանի միջև: Բայց այս բոլոր դեպքերը կապված էին Երկրի մոտ ուղեծրի հետ:

Արեգակնային համակարգի մեկ այլ մոլորակի շուրջ պտտվող ցամաքային կայանը և տիեզերանավը միացնող հենց առաջին օպտիկական կապը տեղադրվել է 2013 թվականի հունվարին: Մոնա Լիզայի 152 x 200 պիքսելանոց սև ու սպիտակ պատկերը փոխանցվել է հաջորդ սերնդի արբանյակային լազերային հեռահարության կայանից ՆԱՍԱ-ի Գոդարդի տիեզերական թռիչքների կենտրոնում Լուսնի հետախուզական ուղեծրին (LRO) 300 բ/վ արագությամբ: Հաղորդակցությունը միակողմանի էր. LRO-ն Երկրից ստացված պատկերը հետ է ուղարկել սովորական ռադիոյի միջոցով: Պատկերը մի փոքր ծրագրային սխալի ուղղման կարիք ուներ, բայց նույնիսկ առանց այս կոդավորման այն հեշտ էր ճանաչել: Եվ այդ ժամանակ արդեն պլանավորված էր ավելի հզոր համակարգի մեկնարկը դեպի Լուսին։

2013 թվականին Lunar Reconnaissance Orbiter նախագծից. Երկրի մթնոլորտի կողմից ներկայացված փոխանցման սխալները մաքրելու համար Գոդարդի տիեզերական թռիչքների կենտրոնի գիտնականները կիրառեցին Reed-Solomon սխալի ուղղումը (աջից), որը մեծապես օգտագործվում է CD-ներում և DVD-ներում: Տիպիկ սխալները ներառում են բացակայող պիքսելներ (սպիտակ) և կեղծ ազդանշաններ (սև): Սպիտակ գիծը ցույց է տալիս փոխանցման մի փոքր դադար:

«Լուսնի մթնոլորտի և փոշու միջավայրի հետազոտող» (LADEE) մտավ Լուսնի ուղեծիր 6 թվականի հոկտեմբերի 2013-ին և ընդամենը մեկ շաբաթ անց գործարկեց իր իմպուլսային լազերը տվյալների փոխանցման համար: Այս անգամ ՆԱՍԱ-ն փորձել է երկկողմանի հաղորդակցություն կազմակերպել այդ ուղղությամբ 20 Մբիթ/վ արագությամբ, իսկ հակառակ ուղղությամբ՝ 622 Մբիթ/վրկ արագությամբ։ Միակ խնդիրը առաքելության կարճ ժամկետն էր: Օպտիկական կապի LRO-ն աշխատել է ընդամենը մի քանի րոպե: LADEE-ն իր լազերի հետ շփվել է 16 ժամ՝ ընդհանուր 30 օր: Այս իրավիճակը պետք է փոխվի, երբ գործարկվի Լազերային հաղորդակցության ցուցադրական արբանյակը (LCRD), որը նախատեսված է 2019 թվականի հունիսին: Դրա խնդիրն է ցույց տալ, թե ինչպես են աշխատելու ապագա կապի համակարգերը տիեզերքում:

LCRD-ն մշակվում է ՆԱՍԱ-ի Ռեակտիվ Շարժման Լաբորատորիայում՝ MIT-ի Լինքոլնի լաբորատորիայի հետ համատեղ: Այն կունենա երկու օպտիկական տերմինալ՝ մեկը Երկրի ցածր ուղեծրում հաղորդակցվելու համար, մյուսը՝ խորը տարածության համար: Առաջինը պետք է օգտագործի դիֆերենցիալ փուլային հերթափոխի ստեղնավորում (DPSK): Հաղորդիչը լազերային իմպուլսներ կուղարկի 2,88 ԳՀց հաճախականությամբ: Օգտագործելով այս տեխնոլոգիան, յուրաքանչյուր բիթ կկոդավորվի հաջորդական իմպուլսների փուլային տարբերությամբ: Այն կկարողանա աշխատել 2,88 Գբիտ/վ արագությամբ, սակայն դրա համար մեծ հզորություն կպահանջվի։ Դետեկտորները կարող են հայտնաբերել միայն բարձր էներգիայի ազդանշանների իմպուլսային տարբերությունները, ուստի DPSK-ն հիանալի է աշխատում մերձերկրյա հաղորդակցությունների հետ, բայց դա լավագույն մեթոդը չէ խորը տարածության համար, որտեղ էներգիայի կուտակումը խնդրահարույց է: Մարսից ուղարկված ազդանշանը կկորցնի էներգիան մինչև Երկիր հասնելը, ուստի LCRD-ն կօգտագործի ավելի արդյունավետ տեխնոլոգիա՝ զարկերակային փուլային մոդուլյացիան՝ խորը տարածության հետ օպտիկական հաղորդակցությունը ցուցադրելու համար:

NASA-ի ինժեներները պատրաստում են LADEE-ին փորձարկման համար

2017 թվականին ինժեներները թռիչքային մոդեմներ են փորձարկել ջերմային վակուումային խցիկում

«Ըստ էության, այն հաշվում է ֆոտոնները», - բացատրում է Աբրահամը: – Հաղորդակցության համար հատկացված կարճ ժամանակահատվածը բաժանված է մի քանի ժամանակային հատվածների: Տվյալները ստանալու համար պարզապես անհրաժեշտ է ստուգել, ​​թե արդյոք բացերից յուրաքանչյուրի ֆոտոնները բախվել են դետեկտորի հետ: Այսպես են տվյալների կոդավորումը FIM-ում»: Դա նման է Մորզեի կոդի, միայն գերարագ արագությամբ: Կամ ինչ-որ պահի կա բռնկում, կամ չկա, և հաղորդագրությունը կոդավորված է բռնկման հաջորդականությամբ: «Չնայած դա շատ ավելի դանդաղ է, քան DPSK-ը, մենք դեռ կարող ենք օպտիկական հաղորդակցություն հաստատել տասնյակ կամ հարյուրավոր Մբիթ/վրկ արագությամբ մինչև Մարս», - ավելացնում է Աբրահամը:

Իհարկե, LCRD նախագիծը միայն այս երկու տերմինալների մասին չէ։ Այն նաև պետք է աշխատի որպես ինտերնետ հանգույց տիեզերքում: Տեղում կլինեն երեք կայաններ, որոնք կաշխատեն LCRD՝ մեկը Նյու Մեքսիկո նահանգի Ուայթ Սանդսում, մեկը Կալիֆորնիայի Թեյբլ Մաունթին և մեկը Հավայան կղզում կամ Մաուի կղզում: Գաղափարն այն է, որ կայաններից մեկում վատ եղանակի դեպքում փորձարկվի անցումը վերգետնյա մի կայանից մյուսը: Առաքելությունը կփորձարկի նաև LCRD-ի աշխատանքը որպես տվյալների հաղորդիչ: Կայաններից մեկի օպտիկական ազդանշանը կգնա արբանյակ, այնուհետև կփոխանցվի մեկ այլ կայան, և այս ամենը օպտիկական կապի միջոցով:

Եթե ​​անհնար է անհապաղ փոխանցել տվյալները, ապա LCRD-ն կպահի դրանք և կփոխանցի այն, երբ դա հնարավոր լինի: Եթե ​​տվյալները հրատապ են, կամ նավի վրա բավարար պահեստային տարածք չկա, LCRD-ն դրանք անմիջապես կուղարկի իր Ka-band ալեհավաքի միջոցով: Այսպիսով, ապագա հաղորդիչ արբանյակների նախադրյալը LCRD-ն կլինի հիբրիդային ռադիո-օպտիկական համակարգ: Սա հենց այն միավորն է, որը NASA-ն պետք է տեղադրի Մարսի շուրջ ուղեծրում, որպեսզի կազմակերպի միջմոլորակային ցանց, որը կաջակցի մարդկանց խորը տիեզերքի հետազոտմանը 2030-ականներին:

Մարսը առցանց բերելը

Անցած տարվա ընթացքում Աբրահամի թիմը գրել է երկու փաստաթուղթ, որոնք նկարագրում են խորը տիեզերական հաղորդակցության ապագան, որոնք կներկայացվեն SpaceOps կոնֆերանսին Ֆրանսիայում 2019 թվականի մայիսին: Մեկը նկարագրում է խորը տիեզերական հաղորդակցություններն ընդհանուր առմամբ, մյուսը («Մարսի միջմոլորակային ցանցը մարդկանց հետախուզման դարաշրջանի համար՝ հնարավոր խնդիրներ և լուծումներ«) առաջարկել է ենթակառուցվածքի մանրամասն նկարագրությունը, որն ի վիճակի է Կարմիր մոլորակի տիեզերագնացների համար ինտերնետի նման ծառայություն մատուցել:

Տվյալների առավելագույն միջին արագությունը գնահատվել է 215 Մբիթ/վրկ՝ ներբեռնման համար և 28 Մբիթ/վրկ՝ վերբեռնման համար: Մարսյան ինտերնետը բաղկացած կլինի երեք ցանցից՝ WiFi, որը ծածկում է հետազոտության տարածքը մակերևույթի վրա, մոլորակային ցանց, որը տվյալներ է փոխանցում մակերևույթից Երկիր, և ցամաքային ցանց՝ խոր տիեզերական կապի ցանց՝ երեք կայքերով, որոնք պատասխանատու են այս տվյալների ստացման և պատասխանների ուղարկման համար։ վերադարձ դեպի Մարս։

«Նման ենթակառուցվածք մշակելիս շատ խնդիրներ կան։ Այն պետք է լինի հուսալի և կայուն, նույնիսկ Մարսից մինչև 2,67 AU առավելագույն հեռավորության վրա: Արեգակի բարձրագույն միացման ժամանակաշրջաններում, երբ Մարսը թաքնվում է Արեգակի հետևում»,- ասում է Աբրահամը: Նման կապը տեղի է ունենում երկու տարին մեկ և ամբողջովին խզում է Մարսի հետ հաղորդակցությունը: «Այսօր մենք չենք կարող դրանով զբաղվել. Բոլոր վայրէջքի և ուղեծրային կայանները, որոնք գտնվում են Մարսի վրա, ուղղակի կորցնում են կապը Երկրի հետ մոտ երկու շաբաթով։ Օպտիկական կապի դեպքում արևային կապի պատճառով կապի կորուստն էլ ավելի երկար կլինի՝ 10-ից 15 շաբաթ»։ Ռոբոտների համար նման բացերը առանձնապես սարսափելի չեն: Նման մեկուսացումը նրանց խնդիրներ չի առաջացնում, քանի որ նրանք չեն ձանձրանում, չեն ապրում մենակություն, կարիք չունեն տեսնելու իրենց սիրելիներին։ Բայց մարդկանց համար դա ամենևին էլ այդպես չէ։

«Հետևաբար, մենք տեսականորեն թույլ ենք տալիս գործարկել երկու ուղեծրային հաղորդիչներ, որոնք տեղադրված են շրջանաձև հասարակածային ուղեծրում Մարսի մակերևույթից 17300 կմ բարձրության վրա», - շարունակում է Աբրահամը: Հետազոտության համաձայն՝ դրանք պետք է կշռեն յուրաքանչյուրը 1500 կգ, կրեն մի շարք տերմինալներ, որոնք գործում են X-band, Ka-band և օպտիկական գոտում և սնուցվում են 20-30 կՎտ հզորությամբ արևային մարտկոցներով: Նրանք պետք է աջակցեն Delay Tolerant Network Protocol-ին, հիմնականում՝ TCP/IP-ին, որը նախատեսված է կարգավորելու այն մեծ ուշացումները, որոնք անխուսափելիորեն կզգան միջմոլորակային ցանցերը: Ցանցին մասնակցող ուղեծրային կայանները պետք է կարողանան հաղորդակցվել տիեզերագնացների և տրանսպորտային միջոցների հետ մոլորակի մակերեսի, վերգետնյա կայանների և միմյանց հետ:

«Այս խոսակցությունը շատ կարևոր է, քանի որ այն նվազեցնում է 250 Մբիթ/վրկ տվյալների փոխանցման համար անհրաժեշտ ալեհավաքների քանակը», - ասում է Աբրահամը: Նրա թիմը հաշվարկել է, որ ուղեծրային հաղորդիչներից մեկից 250 Մբիթ/վ արագությամբ տվյալներ ստանալու համար անհրաժեշտ կլինի վեց 34 մետրանոց ալեհավաք: Սա նշանակում է, որ ՆԱՍԱ-ն պետք է երեք լրացուցիչ ալեհավաքներ կառուցի խորը տիեզերական հաղորդակցության վայրերում, սակայն դրանց կառուցման համար տարիներ են պահանջվում և չափազանց թանկ են: «Բայց մենք կարծում ենք, որ երկու ուղեծրային կայաններ կարող են կիսել տվյալները միմյանց միջև և ուղարկել դրանք միաժամանակ 125 Մբիթ/վ արագությամբ, որտեղ մի հաղորդիչը կուղարկի տվյալների փաթեթի կեսը, իսկ մյուսը՝ մյուսը», - ասում է Աբրահամը։ . Նույնիսկ այսօր 34 մետր խորությամբ տիեզերական հաղորդակցության ալեհավաքները կարող են միաժամանակ տվյալներ ստանալ չորս տարբեր տիեզերանավերից, ինչի արդյունքում առաջադրանքն ավարտելու համար անհրաժեշտ է երեք ալեհավաք: «Երկնքի նույն տարածքից երկու 125 Մբիթ/վրկ արագությամբ հաղորդում ստանալու համար անհրաժեշտ է նույն թվով ալեհավաքներ, որքան մեկ փոխանցում ստանալու համար», - բացատրում է Աբրահամը: «Ավելի շատ ալեհավաքներ են անհրաժեշտ միայն այն դեպքում, եթե ձեզ հարկավոր է ավելի բարձր արագությամբ շփվել»:

Արեգակնային կապի խնդիրը լուծելու համար Աբրահամի թիմն առաջարկեց արձակել հաղորդիչ արբանյակ Արև-Մարս/Արև-Երկիր ուղեծրի L4/L5 կետերին: Այնուհետև միացման ժամանակաշրջաններում այն ​​կարող է օգտագործվել Արեգակի շուրջ տվյալներ փոխանցելու համար՝ դրա միջոցով ազդանշաններ ուղարկելու փոխարեն։ Ցավոք սրտի, այս ընթացքում արագությունը կիջնի մինչև 100 Կբ/վ։ Պարզ ասած՝ կաշխատի, բայց վատ է։

Միևնույն ժամանակ, Մարսի վրա ապագա տիեզերագնացները պետք է սպասեն երեք րոպեից մի փոքր ավելի՝ կատվի ձագի լուսանկար ստանալու համար՝ չհաշված ուշացումները, որոնք կարող են լինել մինչև 40 րոպե: Բարեբախտաբար, երբ մարդկության հավակնությունները մեզ ավելի հեռու տանեն, քան Կարմիր մոլորակը, միջմոլորակային ինտերնետը շատ ժամանակ արդեն բավականին լավ կաշխատի:

Source: www.habr.com