קריאה לחלל העמוק: כיצד נאס"א מאיצה תקשורת בין פלנטרית

"אין כמעט איפה לשפר את הטכנולוגיה שפועלת בתדרי רדיו. פתרונות קלים סוף"

ב-26 בנובמבר 2018 בשעה 22:53 שעון מוסקבה, נאס"א הצליחה שוב - הגשושית InSight נחתה בהצלחה על פני מאדים לאחר תמרוני כניסה חוזרים, ירידה ונחיתה, שכונו מאוחר יותר "שש וחצי דקות של אימה". תיאור מתאים, מכיוון שמהנדסי נאס"א לא יכלו לדעת מיד אם גשושית החלל נחתה בהצלחה על פני כוכב הלכת, עקב עיכוב הזמן בתקשורת בין כדור הארץ למאדים, שהיה כ-8,1 דקות. במהלך החלון הזה, InSight לא יכלה להסתמך על האנטנות המודרניות והחזקות יותר שלה - הכל היה תלוי בתקשורת UHF מיושנת (שיטה זו כבר מזמן בשימוש בכל דבר, החל משידורי טלוויזיה ומכשירי קשר ועד למכשירי Bluetooth).

כתוצאה מכך, נתונים קריטיים על מצב InSight שודרו בגלי רדיו בתדר של 401,586 מגה-הרץ לשני לוויינים -קבסטה, WALL-E ו-EVE, אשר לאחר מכן שידרו נתונים במהירות של 8 Kbps לאנטנות של 70 מטר הממוקמות על פני כדור הארץ. ה-Cubesats שוגרו על אותה רקטה כמו InSight, והם ליוו אותה במסעה למאדים כדי לצפות בנחיתה ולשדר נתונים חזרה הביתה באופן מיידי. ספינות מאדים אחרות שמסתובבות, כגון לוויין סיור של מאדים (MRS), היו במצב לא נוח ולא יכלו בהתחלה לספק הודעות בזמן אמת עם הנחתת. לא אומר שכל הנחיתה הייתה תלויה בשני Cubesats ניסיוניים בגודל מזוודה כל אחד, אבל ה-MRS יוכל להעביר נתונים מ-InSight רק לאחר המתנה ארוכה עוד יותר.

נחיתת InSight העמידה למעשה את כל ארכיטקטורת התקשורת של נאס"א, "רשת המאדים", למבחן. האות מהנחתת InSight, המשודרת ללוויינים סובבים, היה מגיע לכדור הארץ בכל מקרה, גם אם הלוויינים נכשלו. WALL-E ו-EVE היו נחוצים להעברת מידע מיידית, והם עשו זאת. אם הקאבסטים האלה לא עבדו מסיבה כלשהי, MRS הייתה מוכנה למלא את תפקידם. כל אחד מהם פעל כצומת ברשת דמוית אינטרנט, ניתב מנות נתונים דרך מסופים שונים המורכבים מציוד שונה. כיום, היעיל שבהם הוא ה-MRS, המסוגל להעביר נתונים במהירויות של עד 6 Mbps (וזה השיא הנוכחי למשימות בין-כוכביות). עם זאת, נאס"א נאלצה לפעול במהירויות איטיות בהרבה בעבר - ותזדקק להעברת נתונים מהירה בהרבה בעתיד.

כמו ספק שירותי האינטרנט שלך, נאס"א מאפשרת למשתמשי אינטרנט לעשות זאת לוודא תקשורת עם חללית בזמן אמת.

רשת החלל העמוק

עם הנוכחות ההולכת וגוברת של נאס"א בחלל, מערכות תקשורת משופרות מופיעות ללא הרף, המכסות עוד ועוד חלל: תחילה זה היה מסלול נמוך של כדור הארץ, אחר כך מסלול גיאו-סינכרוני והירח, ועד מהרה התקשורת נכנסה עמוק יותר לחלל. הכל התחיל ברדיו כף יד גולמי שהשתמש בבסיסי צבא ארה"ב בניגריה, סינגפור וקליפורניה כדי לקבל טלמטריה מאקספלורר 1, הלוויין הראשון ששוגר בהצלחה על ידי האמריקאים ב-1958. לאט אבל בטוח, הבסיס הזה התפתח למערכות ההודעות המתקדמות של היום.

דאגלס אברהם, ראש תחום חיזוי אסטרטגי וחיזוי מערכות במנהל הרשתות הבין-פלנטריות של נאס"א, מדגיש שלוש רשתות שפותחו באופן עצמאי להעברת הודעות בחלל. רשת Near Earth פועלת עם חלליות במסלול נמוך. "זה סט של אנטנות, בעיקר 9 מ' עד 12 מ'. יש כמה גדולות, 15 מ' עד 18 מ'", אומר אברהם. לאחר מכן, מעל המסלול הגאו-סינכרוני של כדור הארץ, ישנם מספר לווייני מעקב ונתונים (TDRS). "הם יכולים להסתכל למטה על לוויינים במסלול נמוך לכדור הארץ ולתקשר איתם, ואז להעביר את המידע הזה דרך TDRS לקרקע", מסביר אברהם. "מערכת העברת נתונים לוויינית זו נקראת רשת החלל של נאס"א."

אבל אפילו TDRS לא הספיק כדי לתקשר עם חללית שחרגה הרבה מעבר למסלול הירח לכוכבי לכת אחרים. "אז היינו צריכים ליצור רשת המכסה את כל מערכת השמש. וזו רשת החלל העמוק, DSN", אומר אברהם. רשת המאדים היא הרחבה dsn.

בהתחשב בהיקף ובתוכניות, DSN הוא המורכב ביותר מבין המערכות המפורטות. למעשה, מדובר בסט של אנטנות גדולות, בקוטר של 34 עד 70 מ'. לכל אחד משלושת אתרי ה-DSN יש כמה אנטנות של 34 מטר ואנטנה אחת של 70 מטר. אתר אחד ממוקם בגולדסטון (קליפורניה), אחר ליד מדריד (ספרד), והשלישי בקנברה (אוסטרליה). אתרים אלה ממוקמים במרחק של כ-120 מעלות זה מזה ברחבי העולם, ומספקים כיסוי XNUMX/XNUMX לכל החלליות מחוץ למסלול גיאו-סינכרוני.

אנטנות 34 מטר הן ציוד הליבה של DSN ומגיעות בשני סוגים: אנטנות ישנות ביעילות גבוהה ואנטנות מוליכי גל חדשות יחסית. ההבדל הוא שלאנטנת מוליך הגל יש חמש מראות RF מדויקות המשקפות את האותות בצינור לחדר בקרה תת קרקעי, שבו האלקטרוניקה שמנתחת את האותות הללו מוגנת טוב יותר מכל מקורות ההפרעה. האנטנות של 34 מטר, הפועלות בנפרד או בקבוצות של 2-3 צלחות, יכולות לספק את רוב התקשורת הדרושה לנאס"א. אבל במקרים מיוחדים שבהם המרחקים נעשים ארוכים מדי אפילו לכמה אנטנות של 34 מטר, הנהלת DSN משתמשת במפלצות של 70 מטר.

"הם ממלאים תפקיד חשוב בכמה מקרים", אומר אברהם על אנטנות גדולות. הראשון הוא כאשר החללית כל כך רחוקה מכדור הארץ שאי אפשר יהיה ליצור איתה תקשורת באמצעות צלחת קטנה יותר. "דוגמאות טובות יהיו משימת New Horizons, שכבר טסה הרבה מעבר לפלוטו, או חללית וויאג'ר, שנמצאת מחוץ למערכת השמש. רק אנטנות של 70 מטר מסוגלות לעבור אליהן ולמסור את הנתונים שלהן לכדור הארץ", מסביר אברהם.

הכלים של 70 מטר משמשים גם כאשר החללית אינה מסוגלת להפעיל את אנטנת המאיץ, בין אם בגלל מצב קריטי מתוכנן כמו כניסה למסלול, או בגלל שמשהו משתבש מאוד. האנטנה של 70 מטר, למשל, שימשה להחזרת אפולו 13 בבטחה לכדור הארץ. היא גם אימצה את הקו המפורסם של ניל ארמסטרונג, "צעד קטן לאדם, צעד ענק לאנושות". וגם היום, DSN נותרה מערכת התקשורת המתקדמת והרגישה ביותר בעולם. "אבל מסיבות רבות זה כבר הגיע לגבול שלו", מזהיר אברהם. "אין כמעט איפה לשפר טכנולוגיה שפועלת בתדרי רדיו. הפתרונות הפשוטים אוזלים".

שלוש תחנות קרקע בהפרש של 120 מעלות

לוחות DSN בקנברה

מתחם DSN במדריד

DSN בגולדסטון

חדר בקרה במעבדת הנעת סילון

רדיו ומה שבא אחריו

הסיפור הזה אינו חדש. ההיסטוריה של תקשורת בחלל העמוק מורכבת ממאבק מתמיד להגדלת התדרים ולקיצור אורכי גל. Explorer 1 השתמש בתדרים של 108 מגה-הרץ. לאחר מכן, נאס"א הציגה אנטנות גדולות יותר עם רווחים טובים יותר שתמכו בתדרים מפס ה-L, מ-1 עד 2 גיגה-הרץ. ואז הגיע תורה של פס ה-S, עם תדרים מ-2 עד 4 גיגה-הרץ, ואז עברה הסוכנות ל-X-band, עם תדרים של 7-11,2 גיגה-הרץ.

כיום, מערכות תקשורת חלל שוב עוברות שינויים - כעת הן עוברות לפס 26-40 גיגה-הרץ, רצועת Ka. "הסיבה למגמה הזו היא שככל שאורכי הגל קצרים יותר והתדרים גבוהים יותר, כך אתה יכול לקבל יותר קצבי נתונים", אומר אברהם.

יש סיבות לאופטימיות, בהתחשב בכך שמבחינה היסטורית מהירות התפתחות התקשורת בנאס"א הייתה גבוהה למדי. מאמר מחקר משנת 2014 ממעבדת הנעה סילון מצטט את נתוני התפוקה הבאים לשם השוואה: אם היינו משתמשים בטכנולוגיות התקשורת של אקספלורר 1 כדי להעביר תמונת אייפון טיפוסית מצדק לכדור הארץ, זה ייקח פי 460 יותר מהיקום בגיל הנוכחי. החלוצים 2 ו-4 משנות ה-1960 היו לוקחים 633 שנים. Mariner 000 מ-9 היה עושה את זה ב-1971 שעות. היום זה ייקח ל-MPC שלוש דקות.

הבעיה היחידה, כמובן, היא שכמות הנתונים המתקבלת בחללית גדלה באותה מהירות, אם לא מהר מהגידול ביכולות השידור. במשך 40 שנות פעילות, וויאג'רס 1 ו-2 ייצרו 5 TB של מידע. הלוויין NISAR Earth Science, המתוכנן לשיגור ב-2020, יפיק 85 TB של נתונים בחודש. ואם הלוויינים של כדור הארץ מסוגלים לעשות זאת, העברת כמות כזו של נתונים בין כוכבי לכת היא סיפור אחר לגמרי. אפילו MRS מהיר יחסית ישדר 85 TB של נתונים לכדור הארץ למשך 20 שנה.

"קצבי העברת הנתונים המשוערים לחקר מאדים בסוף שנות ה-2020 ותחילת שנות ה-2030 יהיו 150 Mbps ומעלה, אז בוא נעשה את החשבון", אומר אברהם. – אם חללית מסוג MPC במרחק המרבי מאיתנו למאדים יכולה לשלוח כ-1 Mbps לאנטנה של 70 מטר על פני כדור הארץ, אז יידרש מערך של 150 אנטנות 150 מטר כדי ליצור תקשורת במהירות של 70 Mbps . כן, כמובן, אנחנו יכולים להמציא דרכים חכמות להפחית מעט את הכמות האבסורדית הזו, אבל ברור שהבעיה קיימת: ארגון תקשורת בין-כוכבית במהירות של 150 Mbps הוא קשה ביותר. בנוסף, נגמר לנו ספקטרום התדרים המותרים".

כפי שאברהם מדגים, הפועל על רצועת S או X, משימה בודדת בקיבולת של 25 Mbps תתפוס את כל הספקטרום הזמין. יש יותר מקום ב-Ka-band, אבל רק שני לוויינים של מאדים עם רוחב פס של 150 Mbps יתפסו את כל הספקטרום. במילים פשוטות, האינטרנט הבין-פלנטרי ידרוש יותר מסתם רדיו כדי לפעול - הוא יסתמך על לייזרים.

הופעתה של תקשורת אופטית

לייזרים נשמעים עתידני, אבל את הרעיון של תקשורת אופטית אפשר לייחס לפטנט שהגיש אלכסנדר גרהם בל בשנות ה-1880. בל פיתח מערכת שבה אור השמש, ממוקד לקרן צרה מאוד, מופנה אל דיאפרגמה רפלקטיבית שרטטת עקב צלילים. התנודות גרמו לשינויים באור העובר דרך העדשה לתוך הפוטו-גלאי הגולמי. שינויים בהתנגדות של הפוטו-גלאי שינו את הזרם הזורם דרך הטלפון.

המערכת הייתה לא יציבה, עוצמת הקול הייתה נמוכה מאוד, ובל בסופו של דבר זנחה את הרעיון הזה. אבל כמעט 100 שנים מאוחר יותר, חמושים בלייזרים ובסיבים אופטיים, חזרו מהנדסי נאס"א לתפיסה הישנה הזו.

"היינו מודעים למגבלות של מערכות RF, אז בסוף שנות ה-1970, תחילת שנות ה-1980, JPL החלה לדון באפשרות של העברת מסרים מהחלל העמוק באמצעות לייזרים בחלל", אמר אברהם. כדי להבין טוב יותר מה אפשרי ומה לא אפשרי בתקשורת אופטית בחלל העמוק, הזמינה המעבדה מחקר בן ארבע שנים, מערכת הלוויין של ממסר החלל העמוק (DSRSS), בסוף שנות ה-1980. המחקר היה אמור לענות על שאלות קריטיות: מה לגבי מזג האוויר ובעיות הראות (אחרי הכל, גלי רדיו יכולים לעבור בקלות בעננים, בעוד שלייזרים לא יכולים)? מה אם זווית השמש-כדור הארץ הופכת חדה מדי? האם גלאי בכדור הארץ יבחין אות אופטי חלש מאור השמש? ולבסוף, כמה כל זה יעלה והאם זה ישתלם? "אנחנו עדיין מחפשים תשובות לשאלות האלה", מודה אברהם. "עם זאת, התגובות מאשרות יותר ויותר את האפשרות של שידור נתונים אופטי."

ה-DSRSS הציע שנקודה מעל האטמוספירה של כדור הארץ תהיה המתאימה ביותר לתקשורת אופטית ורדיו. נטען שמערכת התקשורת האופטית המותקנת בתחנת המסלול תעבוד טוב יותר מכל ארכיטקטורה יבשתית, כולל האנטנות האייקוניות של 70 מטר. הוא היה אמור לפרוס צלחת של 10 מטר במסלול קרוב לכדור הארץ, ולאחר מכן להעלות אותה לגאו-סינכרוני. עם זאת, העלות של מערכת כזו - המורכבת מלווין עם צלחת, רקטת שיגור וחמישה מסופי משתמש - הייתה עצומה. יתרה מכך, המחקר אפילו לא כלל את עלות מערכת העזר הדרושה, שתיכנס לפעולה במקרה של תקלה בלוויין.

כשמערכת זו, המעבדה החלה להסתכל על ארכיטקטורת הקרקע המתוארת במחקר הטכנולוגיה המתקדמת הקרקעית (GBATS) שנערך במעבדה בערך באותו זמן כמו DRSS. האנשים שעבדו על GBATS העלו שתי הצעות חלופיות. הראשונה היא התקנת שש תחנות עם אנטנות של 10 מטר ואנטנות חילוף מטר, הממוקמות במרחק של 60 מעלות זו מזו סביב קו המשווה. היה צריך לבנות תחנות על פסגות הרים, שבהן לפחות 66% מימי השנה היו פנויים. לפיכך, 2-3 תחנות תמיד יהיו גלויות לכל חללית, ויהיה להן מזג אוויר שונה. האפשרות השנייה היא תשע תחנות, מקובצות בקבוצות של שלוש, וממוקמות 120 מעלות אחת מהשנייה. תחנות בתוך כל קבוצה צריכות להיות ממוקמות במרחק של 200 ק"מ זו מזו כך שהן נמצאות בקו ראייה, אך בתאי מזג אוויר שונים.

שתי הארכיטקטורות של GBATS היו זולות יותר מגישת החלל, אבל היו להן גם בעיות. ראשית, מכיוון שהאותות היו צריכים לעבור דרך האטמוספירה של כדור הארץ, הקליטה בשעות היום תהיה גרועה בהרבה מקליטה בלילה בשל השמיים המוארים. למרות הסידור החכם, תחנות אופטיות קרקעיות יהיו תלויות במזג האוויר. חללית המכוונת לייזר לתחנת קרקע תצטרך בסופו של דבר להסתגל לתנאי מזג אוויר גרועים וליצור מחדש תקשורת עם תחנה אחרת שאינה מוסתרת על ידי עננים.

עם זאת, ללא קשר לבעיות, פרויקטי DSRSS ו-GBATS הניחו את הבסיס התיאורטי למערכות אופטיות בחלל העמוק ופיתוחים מודרניים של מהנדסים בנאס"א. נותר רק לבנות מערכת כזו ולהדגים את הביצועים שלה. למרבה המזל, זה היה רק ​​בעוד כמה חודשים.

יישום הפרויקט

באותו זמן, שידור נתונים אופטי בחלל כבר התרחש. הבדיקה הראשונה בוצעה בשנת 1992 כאשר הגשושית גלילאו פנתה לעבר צדק והסטה את מצלמת הרזולוציה הגבוהה שלה לכיוון כדור הארץ כדי לקבל בהצלחה סט של פולסי לייזר מטלסקופ הר השולחן באורך 60 ס"מ והטלסקופ האופטי USAF Starfire 1,5 מ'. בניו מקסיקו. באותו רגע, גלילאו היה במרחק של 1,4 מיליון ק"מ מכדור הארץ, אך שתי קרני הלייזר פגעו במצלמתו.

גם סוכנויות החלל היפניות והאירופיות הצליחו ליצור תקשורת אופטית בין תחנות קרקע ולוויינים במסלול כדור הארץ. לאחר מכן הם הצליחו ליצור חיבור של 50 Mbps בין שני הלוויינים. לפני כמה שנים, צוות גרמני הקים קישור אופטי דו-כיווני קוהרנטי של 5,6 Gbps בין לוויין NFIRE במסלול כדור הארץ ותחנת קרקע בטנריף, ספרד. אבל כל המקרים האלה היו קשורים למסלול קרוב לכדור הארץ.

הקישור האופטי הראשון המחבר בין תחנת קרקע לבין חללית במסלול סביב כוכב לכת אחר במערכת השמש הותקן בינואר 2013. תמונה בשחור-לבן של 152 על 200 פיקסלים של המונה ליזה שודרה מתחנת טווח הלייזר לווייני מהדור הבא במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א למסלול סיור הירח (LRO) במהירות 300 bps. התקשורת הייתה חד כיוונית. LRO שלח את התמונה שהתקבלה מכדור הארץ בחזרה באמצעות רדיו רגיל. התמונה נזקקה לקצת תיקון שגיאות תוכנה, אבל גם בלי הקידוד הזה היה קל לזהות אותה. ובאותו זמן, כבר תוכנן שיגור של מערכת חזקה יותר לירח.

מתוך פרויקט Lunar Reconnaissance Orbiter בשנת 2013: כדי לנקות שגיאות שידור שהוצגו על ידי האטמוספירה של כדור הארץ (משמאל), מדענים במרכז טיסות החלל גודארד יישמו תיקון שגיאות ריד-סולומון (מימין), שנמצא בשימוש רב בתקליטורים ותקליטורי DVD. שגיאות אופייניות כוללות פיקסלים חסרים (לבנים) ואותות שווא (שחור). פס לבן מציין הפסקה קלה בשידור.

«חוקר אטמוספירת הירח וסביבת האבק» (LADEE) נכנסה למסלול הירח ב-6 באוקטובר 2013, ורק שבוע לאחר מכן שיגרה את הלייזר הדופק שלה להעברת נתונים. הפעם, נאס"א ניסתה לארגן תקשורת דו כיוונית במהירות של 20 Mbps בכיוון זה ומהירות שיא של 622 Mbps בכיוון ההפוך. הבעיה היחידה הייתה משך החיים הקצר של המשימה. תקשורת אופטית LRO עבדה רק כמה דקות. LADEE תקשר עם הלייזר שלו במשך 16 שעות במשך 30 יום בסך הכל. מצב זה אמור להשתנות כאשר ישוגר לוויין הדגמת תקשורת לייזר (LCRD), המתוכנן ליוני 2019. משימתו היא להראות כיצד יפעלו מערכות תקשורת עתידיות בחלל.

LCRD מפותח במעבדת הנעה סילון של נאס"א בשיתוף עם מעבדת לינקולן ב-MIT. יהיו לו שני מסופים אופטיים: האחד לתקשורת במסלול נמוך על כדור הארץ, והשני לחלל העמוק. הראשון יצטרך להשתמש ב-Differential Phase Keying (DPSK). המשדר ישלח פולסי לייזר בתדר של 2,88 גיגה-הרץ. באמצעות טכנולוגיה זו, כל ביט יקודד על ידי הפרש הפאזות של פולסים עוקבים. הוא יוכל לפעול במהירות של 2,88 ג'יגה-ביט לשנייה, אך הוא ידרוש כוח רב. גלאים מסוגלים לזהות רק הפרשי דופק באותות באנרגיה גבוהה, כך ש-DPSK עובד מצוין עם תקשורת קרוב לכדור הארץ, אבל זו לא השיטה הטובה ביותר לחלל עמוק, שבו אחסון אנרגיה בעייתי. אות שנשלח ממאדים יאבד אנרגיה לפני שיגיע לכדור הארץ, ולכן LCRD תשתמש בטכנולוגיה יעילה יותר, אפנון פאזות דופק, כדי להדגים תקשורת אופטית עם חלל עמוק.

מהנדסי נאס"א מכינים את LADEE לבדיקה

בשנת 2017, מהנדסים בדקו מודמי טיסה בתא ואקום תרמי

"בעיקרון, זה לספור פוטונים", מסביר אברהם. – התקופה הקצרה המוקצה לתקשורת מחולקת למספר מקטעי זמן. כדי לקבל את הנתונים, אתה רק צריך לבדוק אם הפוטונים בכל אחד מהפערים התנגשו בגלאי. כך מקודדים הנתונים ב-FIM". זה כמו קוד מורס, רק במהירות סופר מהירה. או שיש הבזק ברגע מסוים, או שאין, וההודעה מקודדת ברצף של הבזקים. "למרות שזה הרבה יותר איטי מ-DPSK, אנחנו עדיין יכולים ליצור תקשורת אופטית במהירויות של עשרות או מאות Mbps עד מאדים", מוסיף אברהם.

כמובן, פרויקט LCRD אינו עוסק רק בשני המסופים הללו. זה אמור לעבוד גם כצומת אינטרנט בחלל. על הקרקע, יהיו שלוש תחנות הפועלות LCRD: אחת בוויט סנדס בניו מקסיקו, אחת בהר השולחן בקליפורניה, ואחת באי הוואי או מאווי. הרעיון הוא לבדוק את המעבר מתחנת קרקע אחת לאחרת במקרה של מזג אוויר גרוע באחת התחנות. המשימה תבחן גם את פעולת ה-LCRD כמשדר נתונים. האות האופטי מאחת התחנות יעבור ללווין ולאחר מכן ישודר לתחנה אחרת - וכל זה בתקשורת אופטית.

אם לא ניתן להעביר את הנתונים באופן מיידי, ה-LCRD יאחסן אותם ויעביר אותם כשיתאפשר. אם הנתונים דחופים, או שאין מספיק שטח אחסון על הסיפון, ה-LCRD ישלח אותם מיד דרך אנטנת ה-Ka-band שלו. אז, המבשר ללווייני המשדר העתידיים, LCRD תהיה מערכת רדיו-אופטית היברידית. זה בדיוק סוג היחידה שנאס"א צריכה להציב במסלול סביב מאדים כדי לארגן רשת בין-כוכבית שתומכת בחקר אנושי של החלל העמוק בשנות ה-2030.

הבאת מאדים לאינטרנט

במהלך השנה האחרונה, הצוות של אברהם כתב שני מאמרים המתארים את עתיד התקשורת בחלל העמוק, שיוצגו בכנס SpaceOps בצרפת במאי 2019. האחד מתאר תקשורת בחלל העמוק באופן כללי, השני (""רשת בין-כוכבי מאדים לעידן חקר האדם - בעיות ופתרונות פוטנציאליים") הציע תיאור מפורט של התשתית המסוגלת לספק שירות דמוי אינטרנט עבור אסטרונאוטים על הכוכב האדום.

שיא קצבי הנתונים הממוצעים נאמדו ב-215 Mbps להורדה ו-28 Mbps להעלאה. האינטרנט של מאדים יהיה מורכב משלוש רשתות: WiFi המכסה את אזור המחקר על פני השטח, הרשת הפלנטרית המעבירה נתונים מפני השטח לכדור הארץ, והרשת היבשתית, רשת תקשורת בחלל עמוק עם שלושה אתרים שאחראים על קבלת הנתונים הללו ושליחת תגובות בחזרה למאדים.

"כשמפתחים תשתית כזו, יש הרבה בעיות. זה חייב להיות אמין ויציב, אפילו במרחק המקסימלי למאדים של 2,67 AU. בתקופות של חיבור שמש מעולה, כאשר מאדים מסתתר מאחורי השמש", אומר אברהם. צירוף כזה מתרחש כל שנתיים ושובר לחלוטין את התקשורת עם מאדים. "היום אנחנו לא יכולים להתמודד עם זה. כל תחנות הנחיתה והמסלול שנמצאות על מאדים פשוט מאבדות מגע עם כדור הארץ למשך כשבועיים. בתקשורת אופטית, אובדן התקשורת עקב החיבור הסולארי יהיה ארוך עוד יותר, 10 עד 15 שבועות”. עבור רובוטים, פערים כאלה אינם מפחידים במיוחד. בידוד כזה לא גורם להם לבעיות, כי הם לא משתעממים, לא חווים בדידות, הם לא צריכים לראות את יקיריהם. אבל עבור בני אדם, זה בכלל לא ככה.

"לכן, אנו מאפשרים באופן תיאורטי את הזמנתם של שני משדרים מסלוליים הממוקמים במסלול משווני מעגלי בגובה 17300 ק"מ מעל פני מאדים", ממשיך אברהם. על פי המחקר, הם צריכים לשקול 1500 ק"ג כל אחד, לשאת סט טרמינלים הפועלים בפס X, Ka-band ובפס האופטי, ולהיות מופעלים באמצעות פאנלים סולאריים בהספק של 20-30 קילוואט. הם חייבים לתמוך בפרוטוקול רשת ה-Delay Tolerant - בעצם TCP/IP, שנועד להתמודד עם העיכובים הגבוהים שרשתות בין-כוכביות יחוו בהכרח. תחנות המסלול המשתתפות ברשת חייבות להיות מסוגלות לתקשר עם אסטרונאוטים וכלי רכב על פני כדור הארץ, עם תחנות קרקע וביניהם.

"הצלבה זו חשובה מאוד מכיוון שהיא מפחיתה את מספר האנטנות הנדרשות להעברת נתונים ב-250 Mbps", אומר אברהם. הצוות שלו מעריך שיהיה צורך במערך של שש אנטנות של 250 מטר כדי לקבל נתונים של 34 Mbps מאחד המשדרים המקיפים אותם. המשמעות היא שנאס"א תצטרך לבנות שלוש אנטנות נוספות באתרי התקשורת בחלל העמוק, אבל לבנות אלה לוקח שנים והן יקרות מאוד. "אבל אנחנו חושבים ששתי תחנות מסלול יכולות לחלוק נתונים ביניהן ולשלוח אותם בו-זמנית במהירות של 125 Mbps, כאשר משדר אחד ישלח חצי אחד של חבילת הנתונים והשני ישלח את השני", אומר אברהם . גם כיום, אנטנות תקשורת בחלל בעומק 34 מטר יכולות לקבל בו-זמנית נתונים מארבע חלליות שונות בבת אחת, וכתוצאה מכך יש צורך בשלוש אנטנות כדי להשלים את המשימה. "דרוש אותו מספר של אנטנות כדי לקבל שתי שידורים של 125 מגה-ביט לשנייה מאותו אזור בשמים כמו שנדרש כדי לקבל שידור אחד", מסביר אברהם. "דרושות יותר אנטנות רק אם אתה צריך לתקשר במהירות גבוהה יותר."

כדי להתמודד עם בעיית הקישוריות הסולארית, הצוות של אברהם הציע לשגר לוויין משדר לנקודות L4/L5 של מסלול השמש-מאדים/שמש-כדור הארץ. לאחר מכן, בתקופות של חיבור, ניתן להשתמש בו כדי להעביר נתונים סביב השמש, במקום לשלוח אותות דרכה. למרבה הצער, במהלך תקופה זו, המהירות תרד ל-100 Kbps. במילים פשוטות, זה יעבוד, אבל מבאס.

בינתיים, אסטרונאוטים לעתיד על מאדים יצטרכו להמתין קצת יותר משלוש דקות כדי לקבל תמונה של חתלתול, בלי לספור עיכובים שיכולים להגיע ל-40 דקות. למרבה המזל, עד שהשאיפות של האנושות יובילו אותנו אפילו רחוק יותר מהכוכב האדום, האינטרנט הבין-פלנטרי כבר יעבוד די טוב רוב הזמן.

מקור: www.habr.com