深宇宙への呼びかけ: NASA が惑星間通信を加速する方法

「無線周波数で動作するテクノロジーを改善できる場所はほとんどありません。 簡単な解決策は終了」

26年2018月22日、モスクワ時間午後53時8,1分、NASAは再び成功した。インサイト探査機は、後に「XNUMX分半の恐怖」と呼ばれる再突入、降下、着陸操作を経て、火星の表面への着陸に成功した。 地球と火星間の通信には約 XNUMX 分の時間遅れがあったため、NASA の技術者は探査機が惑星の表面に正常に着陸したかどうかをすぐには知ることができなかったため、適切な説明です。 この期間中、InSight は最新の強力なアンテナに依存できず、すべてが昔ながらの UHF 通信に依存していました (この方式は、テレビ放送やトランシーバーから Bluetooth デバイスに至るまで、あらゆるもので長年使用されてきました)。

その結果、InSight の状態に関する重要なデータが 401,586 MHz の周波数の電波で XNUMX つの衛星に送信されました。クブサタ、WALL-E と EVE は、地球上にある 8 メートルのアンテナに 70 Kbps の速度でデータを送信しました。 Cubesat は InSight と同じロケットで打ち上げられ、火星への旅に同行して着陸を観察し、データを直ちに本国に送信しました。 他の火星の軌道を周回する船、 火星偵察衛星 （MRS）は不快な位置にいたため、最初は着陸船とリアルタイムのメッセージを送信できませんでした。 着陸全体がそれぞれ XNUMX 台の実験用スーツケースサイズの Cubesat に依存していたわけではありませんが、MRS が InSight からデータを送信できるようになるにはさらに長い待ち時間が必要です。

インサイトの着陸は実際に、NASA の通信アーキテクチャ全体である「火星ネットワーク」をテストすることになりました。 インサイト着陸船からの信号は、周回衛星に送信され、たとえ衛星が故障したとしても、いずれにせよ地球に到達したでしょう。 WALL-E と EVE は瞬時の情報伝達に必要でしたが、彼らはそれを実現しました。 これらの Cubsat が何らかの理由で機能しなかった場合でも、MRS がその役割を果たす準備ができていました。 それぞれがインターネットのようなネットワーク上のノードとして機能し、さまざまな機器で構成されるさまざまな端末を介してデータ パケットをルーティングします。 現在、その中で最も効率的なのは MRS で、最大 6 Mbps の速度でデータを送信できます (これは惑星間ミッションの現在の記録です)。 ただし、NASA はこれまで、はるかに遅い速度で動作する必要があり、将来的にはさらに高速なデータ転送が必要になるでしょう。

ISP と同様に、NASA はインターネット ユーザーに次のことを許可します。 検証します リアルタイムで宇宙船と通信します。

深宇宙ネットワーク

宇宙における NASA の存在感が高まるにつれて、改善された通信システムが常に登場し、より多くの宇宙をカバーします。最初は地球低軌道、次に静止軌道と月、そしてすぐに通信は宇宙のさらに奥深くまで進みました。 すべては、1 年にアメリカ人が打ち上げに成功した最初の人工衛星であるエクスプローラー 1958 号からの遠隔測定を受信するために、ナイジェリア、シンガポール、カリフォルニアの米軍基地を使用した粗末な携帯ラジオから始まりました。 ゆっくりと、しかし確実に、この基盤は今日の高度なメッセージング システムに進化してきました。

NASA 惑星間ネットワーク総局の戦略およびシステム予測責任者であるダグラス・エイブラハム氏は、宇宙でのメッセージングのために独自に開発された 9 つのネットワークを強調しています。 近地球ネットワークは、地球低軌道上の宇宙船で動作します。 「これはアンテナのセットで、ほとんどが 12 メートルから 15 メートルです。18 メートルから XNUMX メートルの大きなアンテナもいくつかあります」とエイブラハム氏は言います。 そして、地球の静止軌道上には、いくつかの追跡データ衛星 (TDRS) があります。 「地球の低軌道にある衛星を見下ろして通信し、その情報を TDRS 経由で地上に送信することができます」とエイブラハム氏は説明します。 「この衛星データ伝送システムはNASAスペースネットワークと呼ばれています。」

しかし、TDRS であっても、月の軌道をはるかに超えて他の惑星に到達した探査機と通信するには十分ではありませんでした。 「そこで、太陽系全体をカバーするネットワークを構築する必要がありました。 そしてこれが深宇宙ネットワーク、DSN です」とエイブラハムは言います。 火星ネットワークは拡張です DSN.

範囲と計画を考慮すると、DSN はリストされているシステムの中で最も複雑です。 実際、これは直径 34 ～ 70 m の大きなアンテナのセットです。 34 つの DSN サイトにはそれぞれ、複数の 70m アンテナと 120 つの XNUMXm アンテナがあります。 XNUMX つのサイトはゴールドストーン (カリフォルニア)、もう XNUMX つはマドリッド近郊 (スペイン)、そして XNUMX 番目のサイトはキャンベラ (オーストラリア) にあります。 これらのサイトは地球の周りで約 XNUMX 度離れて位置しており、静止軌道外のすべての宇宙船を XNUMX 時間年中無休でカバーします。

34m アンテナは DSN の中核機器であり、古い高効率アンテナと比較的新しい導波管アンテナの 34 種類があります。 違いは、導波管アンテナには 2 つの高精度 RF ミラーがあり、信号がパイプを通って地下の制御室に反射され、信号を分析する電子機器があらゆる干渉源からより適切に保護されることです。 3 メートルのアンテナは、個別に、または 34 ～ 70 個のアンテナのグループで動作し、NASA が必要とする通信のほとんどを提供できます。 ただし、数本の XNUMX メートル アンテナでも距離が長すぎる特殊なケースでは、DSN 管理では XNUMX メートルのモンスターが使用されます。

「それらはいくつかのケースで重要な役割を果たします」とエイブラハムは大型アンテナについて語ります。 70 つ目は、宇宙船が地球から遠すぎて、小さなアンテナを使用して通信を確立することが不可能な場合です。 「良い例としては、すでに冥王星をはるかに超えて飛行しているニューホライズンズミッションや、太陽系の外にある宇宙船ボイジャーなどが挙げられます。 XNUMXメートルのアンテナだけがそれらに到達し、データを地球に配信することができます」とエイブラハムは説明します。

70 メートルのアンテナは、軌道突入などの計画された危機的状況、または何か非常に問題が発生したために宇宙船がブースター アンテナを動作できない場合にも使用されます。 たとえば、70 メートルのアンテナは、アポロ 13 号を地球に安全に帰還させるために使用されました。 彼女はまた、ニール・アームストロングの有名なセリフ「人間にとっては小さな一歩だが、人類にとっては巨大な一歩だ」を採用した。 そして今日でも、DSN は世界で最も先進的で機密性の高い通信システムであり続けています。 「しかし、さまざまな理由から、それはすでに限界に達しています」とエイブラハムは警告します。 「無線周波数で動作するテクノロジーを改善できる場所はほとんどありません。 簡単な解決策はなくなりつつあります。」

120 度離れた XNUMX つの地上局

キャンベラの DSN プレート

マドリードの DSN コンプレックス

ゴールドストーンの DSN

ジェット推進研究所の制御室

ラジオとその後のこと

この話は新しいものではありません。 深宇宙通信の歴史は、周波数を高め、波長を短くするという絶え間ない闘いで構成されています。 Explorer 1 は 108 MHz の周波数を使用しました。 NASA はその後、1 ～ 2 GHz の L バンドの周波数をサポートする、より大型で利得の優れたアンテナを導入しました。 次に、周波数 2 ～ 4 GHz の S バンドの番が来ました。その後、政府機関は周波数 7 ～ 11,2 GHz の X バンドに切り替えました。

今日、宇宙通信システムは再び変化を遂げており、現在は 26 ～ 40 GHz 帯の Ka バンドに移行しています。 「この傾向の理由は、波長が短くなり、周波数が高くなるほど、より多くのデータ レートが得られるからです」とエイブラハム氏は言います。

歴史的に NASA における通信開発のスピードが非常に速かったことを考えると、楽観視できる理由があります。 ジェット推進研究所の 2014 年の研究論文では、比較のために次のスループット データが引用されています。エクスプローラー 1 号の通信技術を使用して、一般的な iPhone の写真を木星から地球に転送すると、現在の年齢の宇宙の 460 倍の時間がかかることになります。 2 年代のパイオニア 4 号と 1960 号では 633 年かかったでしょう。 000 年のマリナー 9 なら 1971 時間で完了したでしょう。 今日はMPCに55分かかります。

もちろん、唯一の問題は、宇宙船が受信するデータ量が、送信能力の増加と同じか、それ以上の速さで増加していることです。 40 年以上の運用を通じて、ボイジャー 1 号と 2 号は 5 TB の情報を生成しました。 2020 年に打ち上げ予定の NISAR Earth Science 衛星は、毎月 85 TB のデータを生成します。 そして、地球の衛星がこれを行う能力を十分に備えている場合、これほど大量のデータを惑星間で転送することはまったく別の話になります。 比較的高速な MRS であっても、85 TB のデータを 20 年間にわたって地球に送信することになります。

「2020 年代後半から 2030 年代初頭の火星探査の推定データ転送速度は 150 Mbps 以上になるでしょう。それで計算してみましょう」とエイブラハムは言います。 – 私たちから火星までの最大距離にある MPC クラスの宇宙船が地球上の 1 メートルのアンテナに約 70 Mbps を送信できる場合、150 Mbps の速度で通信を確立するには 150 個の 70 メートルのアンテナのアレイが必要になります。 。 もちろん、この不条理な量をわずかに減らすための賢い方法を思いつくことはできますが、明らかに問題が存在します。150 Mbps の速度で惑星間通信を組織するのは非常に困難です。 さらに、許可される周波数のスペクトルも不足しつつあります。」

エイブラハムが実証しているように、S 帯域または X 帯域で動作すると、25 Mbps の容量を持つ 150 つのミッションが利用可能なスペクトル全体を占有します。 Ka バンドにはさらに多くのスペースがありますが、帯域幅 XNUMX Mbps の火星の XNUMX つの衛星だけがスペクトル全体を占有します。 簡単に言うと、惑星間インターネットの動作には無線だけではなく、レーザーも必要になります。

光通信の登場

レーザーというと未来的に聞こえますが、光通信のアイデアは、1880 年代にアレクサンダー グラハム ベルが申請した特許にまで遡ることができます。 ベルは、非常に狭いビームに集束した太陽光を、音によって振動する反射ダイヤフラムに照射するシステムを開発しました。 振動により、レンズを通って未加工の光検出器に入る光に変動が生じました。 光検出器の抵抗が変化すると、電話機に流れる電流が変化しました。

システムは不安定で、音量は非常に小さかったため、ベルは最終的にこのアイデアを放棄しました。 しかし、ほぼ 100 年が経ち、レーザーと光ファイバーを備えた NASA の技術者たちは、その古い概念に戻ってきました。

「私たちはRFシステムの限界を認識していたので、1970年代後半から1980年代前半にかけて、JPLは宇宙レーザーを使用して深宇宙からメッセージを送信する可能性について議論し始めました」とエイブラハム氏は語った。 深宇宙光通信で何が可能で何が不可能かをより深く理解するために、研究室は 1980 年代後半に深宇宙中継衛星システム (DSRSS) という XNUMX 年間の研究を委託しました。 この研究は、重要な質問に答えるはずだった。天候や視界の問題はどうなるのか (結局のところ、電波は雲を容易に通過できるが、レーザーは通過できない)。 太陽と地球の探査機の角度が鋭くなりすぎるとどうなるでしょうか? 地球上の検出器は弱い光信号を太陽光から区別できるでしょうか? そして最後に、これにはどれくらいの費用がかかり、それだけの価値があるのでしょうか? 「私たちはこれらの質問に対する答えをまだ探しています」とエイブラハムは認めます。 「しかし、回答は光データ伝送の可能性をますます裏付けています。」

DSRSS は、地球の大気圏上空の地点が光通信と無線通信に最適であることを示唆しました。 軌道ステーションに設置された光通信システムは、象徴的な 70 メートルのアンテナを含む地上のどのアーキテクチャよりもうまく機能すると主張されました。 10メートルのアンテナを地球に近い軌道に展開し、静止状態まで上昇させる予定だった。 しかし、パラボラアンテナを備えた衛星、打ち上げロケット、XNUMX 台のユーザー端末で構成されるこのようなシステムのコストは法外でした。 さらに、この調査には、衛星が故障した場合に稼働する必要な補助システムのコストさえ含まれていませんでした。

このシステムとして、研究室は、DRSS とほぼ同時期に研究室で実施された地上基盤先端技術研究 (GBATS) に記載されている地上アーキテクチャの検討を開始しました。 GBATS に取り組んだ人々は 10 つの代替案を考え出しました。 60つ目は、66メートルアンテナとメートル予備アンテナを備えた2局を赤道を中心に3度離れて設置すること。 駅は、年間の日の少なくとも 120% が晴れる山頂に建設する必要がありました。 したがって、どの宇宙船からも 200 ～ XNUMX つのステーションが常に見え、天候も異なります。 XNUMX 番目のオプションは、XNUMX つのグループにグループ化され、相互に XNUMX 度の位置にある XNUMX つのステーションです。 各グループ内の観測点は、見通し内にあるように XNUMX km 離れて配置する必要がありますが、異なる気象セル内にあります。

どちらの GBATS アーキテクチャも宇宙アプローチよりも安価でしたが、問題もありました。 まず、信号は地球の大気中を通過する必要があるため、空が照らされているため、日中の受信は夜間の受信よりもはるかに悪くなります。 賢明な配置にもかかわらず、地上の光ステーションは天候に左右されます。 地上局にレーザーを向ける宇宙船は、最終的には悪天候に適応し、雲に遮られていない別の局との通信を再確立する必要がある。

しかし、問題に関係なく、DSRSS および GBATS プロジェクトは、深宇宙光学システムと NASA のエンジニアの最新の開発のための理論的基礎を築きました。 あとはそのようなシステムを構築し、そのパフォーマンスを実証するだけです。 幸いなことに、それはほんの数か月先のことでした。

プロジェクトの実施

その時までに、宇宙での光データ伝送はすでに行われていました。 最初のテストは 1992 年に行われ、ガリレオ探査機が木星に向かって高解像度カメラを地球に向けて向きを変え、60 cm テーブル マウンテン天文台望遠鏡と 1,5 m USAF スターファイア光学望遠鏡からの一連のレーザー パルスの受信に成功しました。ニューメキシコ州で。 その瞬間、ガリレオは地球から1,4万キロ離れていましたが、両方のレーザー光線が彼のカメラに当たりました。

日本とヨーロッパの宇宙機関は、地上局と地球軌道上の衛星との間の光通信を確立することにも成功しました。 その後、50 つの衛星間に 5,6 Mbps の接続を確立することができました。 数年前、ドイツのチームは、地球軌道上の NFIRE 衛星とスペインのテネリフェ島にある地上局の間に XNUMX Gbps コヒーレント双方向光リンクを確立しました。 しかし、これらのケースはすべて地球近傍軌道に関連したものでした。

地上局と太陽系の別の惑星を周回する軌道上の宇宙船を接続する最初の光リンクは、2013 年 152 月に設置されました。 モナリザの 200 x 300 ピクセルの白黒画像が、NASA のゴダード宇宙飛行センターにある次世代衛星レーザー測距ステーションから月偵察周回機 (LRO) に XNUMX bps で送信されました。 コミュニケーションは一方通行でした。 LROは地球から受信した画像を従来の無線経由で送り返した。 画像にはソフトウェアによる少しのエラー修正が必要でしたが、このエンコードがなくても簡単に認識できました。 そしてその時、より強力なシステムを月に打ち上げることがすでに計画されていました。

2013 年の月偵察オービター プロジェクトより: 地球の大気によってもたらされた伝送エラーを除去するために (左)、ゴダード宇宙飛行センターの科学者たちは、CD や DVD で多用されているリードソロモン誤り訂正 (右) を適用しました。 一般的なエラーには、ピクセルの欠落 (白) や誤った信号 (黒) が含まれます。 白いバーは、送信がわずかに停止していることを示します。

«月の大気と塵環境の研究者» (LADEE) は 6 年 2013 月 20 日に月の軌道に乗り、わずか 622 週間後にデータ送信用のパルスレーザーを発射しました。 今回、NASA は、その方向では 16 Mbps、逆方向では 30 Mbps の記録的な速度で双方向通信を組織しようとしました。 唯一の問題は、ミッションの寿命が短いことでした。 光通信LROは数分間しか動作しませんでした。 LADEE は合計 2019 日間、XNUMX 時間にわたってレーザーと通信しました。 この状況は、XNUMX 年 XNUMX 月に予定されているレーザー通信実証衛星 (LCRD) の打ち上げによって変わるはずです。その任務は、宇宙における将来の通信システムがどのように機能するかを示すことです。

LCRD は、NASA のジェット推進研究所で MIT のリンカーン研究所と協力して開発されています。 光端末は 2,88 つあり、2,88 つは地球低軌道での通信用、もう XNUMX つは深宇宙用です。 XNUMX つ目は、差動位相シフト キーイング (DPSK) を使用する必要があります。 送信機は XNUMX GHz の周波数でレーザー パルスを送信します。 この技術を使用すると、各ビットは連続するパルスの位相差によってエンコードされます。 XNUMX Gbps で動作できますが、大量の電力が必要になります。 検出器は高エネルギー信号のパルス差を検出することしかできないため、DPSK は地球近傍通信ではうまく機能しますが、エネルギー貯蔵が問題となる深宇宙では最適な方法ではありません。 火星から送信された信号は地球に到達する前にエネルギーを失うため、LCRDはより効率的な技術であるパルス位相変調を使用して、深宇宙との光通信を実証します。

NASA エンジニアが LADEE のテストを準備

2017 年、エンジニアは熱真空チャンバー内でフライト モデムをテストしました

「本質的には、光子を数えることです」とエイブラハムは説明します。 – 通信に割り当てられた短い期間は、いくつかの時間セグメントに分割されます。 データを取得するには、各ギャップの光子が検出器に衝突したかどうかを確認するだけです。 これが FIM でデータがエンコードされる方法です。」 モールス信号のようなものですが、超高速でのみ発生します。 特定の瞬間にフラッシュがあるか、フラッシュがないかのいずれかで、メッセージは一連のフラッシュによってエンコードされます。 「これは DPSK よりもはるかに遅いですが、それでも火星まで数十または数百 Mbps の速度で光通信を確立できます」とエイブラハム氏は付け加えます。

もちろん、LCRD プロジェクトはこれら XNUMX つの端末だけに関するものではありません。 宇宙ではインターネットノードとしても機能するはずだ。 地上では、LCRD を運用するステーションが XNUMX つあります。XNUMX つはニューメキシコ州のホワイトサンズ、XNUMX つはカリフォルニアのテーブルマウンテン、そして XNUMX つはハワイ島またはマウイ島にあります。 アイデアは、いずれかの地上局が悪天候の場合に、ある地上局から別の地上局への切り替えをテストすることです。 このミッションでは、LCRD のデータ送信機としての動作もテストされます。 ステーションの XNUMX つからの光信号は衛星に送られ、次に別のステーションに送信されます。これはすべて光通信を介して行われます。

データをすぐに転送できない場合は、LCRD がデータを保存し、可能になったときに転送します。 データが緊急である場合、または機内に十分な保存スペースがない場合、LCRD は Ka バンド アンテナを介してデータをすぐに送信します。 したがって、将来の送信衛星の前身である LCRD は、ハイブリッド無線光学システムになります。 これはまさに、NASAが2030年代の人類による深宇宙探査をサポートする惑星間ネットワークを組織するために火星の周りの軌道に配置する必要がある種類のユニットです。

火星をオンラインにする

過去 2019 年間、エイブラハムのチームは深宇宙通信の将来について説明する XNUMX つの論文を執筆し、XNUMX 年 XNUMX 月にフランスで開催される SpaceOps カンファレンスで発表される予定です。XNUMX つは深宇宙通信一般について説明し、もう XNUMX つは (「有人探査時代の火星惑星間ネットワーク - 潜在的な問題と解決策") は、火星の宇宙飛行士にインターネットのようなサービスを提供できるインフラストラクチャについて詳細に説明しました。

ピークの平均データ レートは、ダウンロードで 215 Mbps、アップロードで 28 Mbps と推定されました。 火星のインターネットは XNUMX つのネットワークで構成されます。地表の研究エリアをカバーする WiFi、地表から地球にデータを送信する惑星ネットワーク、およびこのデータの受信と応答の送信を担当する XNUMX つのサイトからなる深宇宙通信ネットワークである地上ネットワークです。火星に戻ります。

「このようなインフラを整備する際には、多くの問題が発生します。 火星までの最大距離が 2,67 天文単位の場合でも、信頼性と安定性がなければなりません。 火星が太陽の後ろに隠れる、優れた太陽結合の期間中です」とエイブラハムは言います。 このような合は10年ごとに起こり、火星との通信を完全に遮断します。 「今日はそれに対処することはできません。 火星にあるすべての着陸ステーションと軌道ステーションは、約 15 週間にわたって地球との通信を失います。 光通信の場合、太陽光発電接続による通信の喪失はさらに長くなり、XNUMX～XNUMX週間になるでしょう。」 ロボットにとって、そのようなギャップは特に怖いものではありません。 彼らは退屈せず、孤独を経験せず、愛する人に会う必要がないため、そのような孤立は彼らに問題を引き起こしません。 しかし、人間の場合は、まったくそうではありません。

「したがって、理論的には、火星の表面から17300 kmの円形赤道軌道に設置された1500つの軌道送信機の試運転を許可します」とエイブラハムは続けます。 研究によると、重量はそれぞれ20kgで、Xバンド、Kaバンド、光バンドで動作する一組の端末を搭載し、容量30～XNUMXkWのソーラーパネルで電力を供給する必要があるという。 これらは、遅延耐性ネットワーク プロトコル (本質的には TCP/IP) をサポートする必要があり、惑星間ネットワークで必然的に発生する大きな遅延を処理するように設計されています。 ネットワークに参加する軌道ステーションは、地球表面の宇宙飛行士や車両、地上ステーションと通信でき、また相互に通信できなければなりません。

「このクロストークは、250 Mbps でデータを送信するために必要なアンテナの数を減らすため、非常に重要です」とエイブラハム氏は言います。 彼のチームは、軌道上の送信機の 250 つから 34 Mbps のデータを受信するには、125 本の 34 メートル アンテナのアレイが必要であると推定しています。 これは、NASA が深宇宙通信サイトに 125 つの追加アンテナを構築する必要があることを意味しますが、これらの構築には何年もかかり、非常に高価です。 「しかし、XNUMX つの軌道ステーション間でデータを共有し、XNUMX Mbps の速度で同時に送信できると考えています。その場合、一方の送信機がデータ パケットの半分を送信し、もう一方の送信機がもう一方を送信します」とエイブラハム氏は言います。 。 現在でも、XNUMX メートルの深宇宙通信アンテナは XNUMX つの異なる宇宙船から同時にデータを受信できるため、そのタスクを完了するには XNUMX つのアンテナが必要になります。 「空の同じ領域から XNUMX Mbps の通信を XNUMX 回受信するには、XNUMX 回の通信を受信するのに必要なアンテナの数と同じ数のアンテナが必要です」とエイブラハムは説明します。 「より高速で通信する必要がある場合にのみ、より多くのアンテナが必要になります。」

太陽光接続の問題に対処するために、エイブラハムのチームは、太陽-火星/太陽-地球軌道のL4/L5点に送信衛星を打ち上げることを提案した。 その後、接続期間中は、太陽を介して信号を送信する代わりに、太陽の周りにデータを送信するために使用できます。 残念ながら、この期間中は速度が 100 Kbps まで低下します。 簡単に言えば、うまくいきますが、最悪です。

その間、火星の宇宙飛行士志望者たちは、最大40分の遅れを除けば、子猫の写真を受け取るまでにXNUMX分強待たなければならないことになる。 幸いなことに、人類の野心が私たちを火星よりもさらに遠くまで駆り立てる頃には、惑星間インターネットはほとんどの場合、すでにかなりうまく機能しているでしょう。

出所： habr.com