ღრმა კოსმოსში მოწოდება: როგორ აჩქარებს NASA პლანეტათაშორის კომუნიკაციას

„თითქმის არსად არის გასაუმჯობესებელი ტექნოლოგია, რომელიც მუშაობს რადიოსიხშირეებზე. მარტივი გადაწყვეტილებების დასასრული"

26 წლის 2018 ნოემბერს, მოსკოვის დროით 22:53 საათზე, NASA-მ კვლავ მიაღწია წარმატებას - InSight-ის ზონდი წარმატებით დაეშვა მარსის ზედაპირზე ხელახალი შესვლის, დაღმართის და დაშვების მანევრების შემდეგ, რომლებსაც მოგვიანებით უწოდეს "ექვსნახევარი საშინელება". ზუსტი აღწერა, რადგან NASA-ს ინჟინრებმა ვერ იცოდნენ, წარმატებით დაეშვა თუ არა კოსმოსური ზონდი პლანეტის ზედაპირზე, დედამიწასა და მარსს შორის კომუნიკაციის დროის შეფერხების გამო, რაც დაახლოებით 8,1 წუთი იყო. ამ ფანჯრის დროს, InSight-ს არ შეეძლო დაეყრდნო თავის უფრო თანამედროვე და მძლავრ ანტენებს - ყველაფერი ძველმოდურ UHF კომუნიკაციებზე იყო დამოკიდებული (ეს მეთოდი დიდი ხანია გამოიყენება ყველაფერში, სატელევიზიო მაუწყებლობიდან და ვოკი-თოქიდან დაწყებული Bluetooh მოწყობილობებამდე).

შედეგად, InSight-ის მდგომარეობის შესახებ კრიტიკული მონაცემები გადაეცა რადიოტალღებზე 401,586 MHz სიხშირით ორ თანამგზავრზე -კუბსატა, WALL-E და EVE, რომლებიც შემდეგ მონაცემებს 8 კბიტი/წმ სიჩქარით გადასცემდნენ დედამიწაზე მდებარე 70 მეტრიან ანტენებს. Cubesats გაშვებული იქნა იმავე რაკეტით, როგორც InSight, და ისინი თან ახლდნენ მას მარსზე მოგზაურობისას, რათა დააკვირდნენ დაშვებას და დაუყოვნებლივ გადასცენ მონაცემები სახლში. სხვა ორბიტაზე მოძრავი მარსის გემები, მაგ მარსის სადაზვერვო თანამგზავრი (MRS), იმყოფებოდნენ არასასიამოვნო მდგომარეობაში და თავიდან ვერ აძლევდნენ რეალურ დროში შეტყობინებებს ლანდერთან. რომ არ ვთქვა, რომ მთელი დაშვება დამოკიდებული იყო ორ ექსპერიმენტულ ჩემოდნის ზომის კუბესეტზე, მაგრამ MRS მხოლოდ უფრო ხანგრძლივი ლოდინის შემდეგ შეძლებდა მონაცემების გადაცემას InSight-დან.

InSight-ის დაშვებამ რეალურად გამოსცადა ნასას კომუნიკაციების მთელი არქიტექტურა, „მარსის ქსელი“. სიგნალი InSight ლანდერიდან, რომელიც გადაცემულია ორბიტაზე მოძრავ თანამგზავრებზე, მაინც მიაღწევდა დედამიწას, თუნდაც თანამგზავრების მარცხი. WALL-E და EVE საჭირო იყო ინფორმაციის მყისიერი გადაცემისთვის და მათ ეს გააკეთეს. თუ ეს კუბსატი რაიმე მიზეზით არ მუშაობდა, MRS მზად იყო შეესრულებინა მათი როლი. თითოეული მათგანი მოქმედებდა როგორც კვანძი ინტერნეტის მსგავს ქსელში, ახორციელებდა მონაცემთა პაკეტების მარშრუტიზაციას სხვადასხვა აღჭურვილობისგან შემდგარ ტერმინალებში. დღეს მათგან ყველაზე ეფექტურია MRS, რომელსაც შეუძლია მონაცემების გადაცემა 6 Mbps-მდე სიჩქარით (და ეს არის ამჟამინდელი რეკორდი პლანეტათაშორისი მისიებისთვის). თუმცა, NASA-ს წარსულში გაცილებით ნელი სიჩქარით უწევდა მუშაობა - და მომავალში დასჭირდება ბევრად უფრო სწრაფი მონაცემთა გადაცემა.

თქვენი ISP-ის მსგავსად, NASA საშუალებას აძლევს ინტერნეტ მომხმარებლებს შეამოწმეთ კოსმოსურ ხომალდებთან კომუნიკაცია რეალურ დროში.

ღრმა სივრცის ქსელი

კოსმოსში NASA-ს მზარდი ყოფნით, მუდმივად ჩნდება გაუმჯობესებული საკომუნიკაციო სისტემები, რომლებიც ფარავს უფრო და უფრო მეტ სივრცეს: ჯერ ეს იყო დედამიწის დაბალი ორბიტა, შემდეგ გეოსინქრონული ორბიტა და მთვარე, და მალე კომუნიკაციები უფრო ღრმად შევიდა კოსმოსში. ყველაფერი დაიწყო უხეში ხელის რადიოთი, რომელიც იყენებდა აშშ-ს სამხედრო ბაზებს ნიგერიაში, სინგაპურსა და კალიფორნიაში, რათა ტელემეტრია მიეღო Explorer 1-ისგან, პირველი თანამგზავრიდან, რომელიც წარმატებით გაუშვა ამერიკელებმა 1958 წელს. ნელა, მაგრამ აუცილებლად, ეს საფუძველი გადაიქცა დღევანდელ მოწინავე შეტყობინებების სისტემებში.

დუგლას აბრაჰამი, NASA-ს პლანეტათაშორისი ქსელის დირექტორატის სტრატეგიული და სისტემების პროგნოზირების ხელმძღვანელი, ხაზს უსვამს კოსმოსში შეტყობინებების გაგზავნის სამ დამოუკიდებლად განვითარებულ ქსელს. დედამიწის ახლომახლო ქსელი მუშაობს კოსმოსური ხომალდით დედამიწის დაბალ ორბიტაზე. "ეს არის ანტენების ნაკრები, ძირითადად 9-დან 12 მ-მდე. არის რამდენიმე დიდი, 15 მ-დან 18 მ-მდე", - ამბობს აბრაამი. შემდეგ, დედამიწის გეოსინქრონული ორბიტის ზემოთ, არის რამდენიმე თვალთვალის და მონაცემთა თანამგზავრი (TDRS). „მათ შეუძლიათ დედამიწის დაბალ ორბიტაზე მყოფი თანამგზავრების დათვალიერება და მათთან კომუნიკაცია, შემდეგ კი ამ ინფორმაციის გადაცემა TDRS-ის საშუალებით მიწაზე“, განმარტავს აბრაამი. „ამ თანამგზავრული მონაცემთა გადაცემის სისტემას NASA-ს კოსმოსური ქსელი ეწოდება“.

მაგრამ TDRS-იც კი არ იყო საკმარისი კოსმოსურ ხომალდთან კომუნიკაციისთვის, რომელიც მთვარის ორბიტას შორს სცდებოდა სხვა პლანეტებზე. ”ასე რომ, ჩვენ უნდა შეგვექმნა ქსელი, რომელიც მოიცავს მთელ მზის სისტემას. და ეს არის ღრმა კოსმოსური ქსელი, DSN“, - ამბობს აბრაამი. Martian Network არის გაფართოება DSN.

მასშტაბისა და გეგმების გათვალისწინებით, DSN არის ყველაზე რთული ჩამოთვლილი სისტემებიდან. სინამდვილეში, ეს არის დიდი ანტენების ნაკრები, დიამეტრის 34-დან 70 მ-მდე. სამი DSN საიტიდან თითოეულს აქვს რამდენიმე 34 მ ანტენა და ერთი 70 მ ანტენა. ერთი საიტი მდებარეობს გოლდსტოუნში (კალიფორნია), მეორე მადრიდის მახლობლად (ესპანეთი) და მესამე კანბერაში (ავსტრალია). ეს ადგილები განლაგებულია დაახლოებით 120 გრადუსით დაშორებით მთელს მსოფლიოში და უზრუნველყოფს XNUMX/XNUMX დაფარვას ყველა კოსმოსური ხომალდისთვის გეოსინქრონული ორბიტის გარეთ.

34 მ ანტენები არის DSN-ის ძირითადი აღჭურვილობა და მოდის ორ სახეობაში: ძველი მაღალი ეფექტურობის ანტენები და შედარებით ახალი ტალღის გამტარი ანტენები. განსხვავება ისაა, რომ ტალღის გამტარ ანტენას აქვს ხუთი ზუსტი RF სარკე, რომლებიც ასახავს სიგნალებს მილის ქვემოთ მიწისქვეშა საკონტროლო ოთახში, სადაც ელექტრონიკა, რომელიც აანალიზებს ამ სიგნალებს, უკეთ არის დაცული ჩარევის ყველა წყაროსგან. 34 მეტრიან ანტენებს, რომლებიც მუშაობენ ინდივიდუალურად ან 2-3 ჭურჭლის ჯგუფებად, შეუძლიათ უზრუნველყონ ნასას საჭირო კომუნიკაციის უმეტესი ნაწილი. მაგრამ განსაკუთრებული შემთხვევებისთვის, როდესაც მანძილი ძალიან გრძელი ხდება თუნდაც რამდენიმე 34 მ ანტენისთვის, DSN მენეჯმენტი იყენებს 70 მ მონსტრებს.

"ისინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ რამდენიმე შემთხვევაში", - ამბობს აბრაამი დიდი ანტენების შესახებ. პირველი არის, როცა ხომალდი იმდენად შორს არის დედამიწიდან, რომ შეუძლებელი იქნება მასთან კომუნიკაციის დამყარება უფრო პატარა ჭურჭლის გამოყენებით. „კარგი მაგალითები იქნება მისია New Horizons, რომელმაც უკვე გაფრინდა პლუტონის მიღმა, ან კოსმოსური ხომალდი Voyager, რომელიც მზის სისტემის გარეთაა. მხოლოდ 70 მეტრიან ანტენებს შეუძლიათ მათთან შეღწევა და მათი მონაცემების დედამიწაზე მიტანა, ”- განმარტავს აბრაამი.

70 მეტრიანი თეფშები ასევე გამოიყენება, როდესაც კოსმოსური ხომალდი ვერ ახერხებს გამაძლიერებლის ანტენის მუშაობას, ან დაგეგმილი კრიტიკული სიტუაციის გამო, როგორიცაა ორბიტალური შესვლა, ან იმის გამო, რომ რაღაც ძალიან არასწორედ ხდება. მაგალითად, 70 მეტრიანი ანტენა გამოიყენებოდა Apollo 13-ის უსაფრთხოდ დასაბრუნებლად დედამიწაზე. მან ასევე მიიღო ნილ არმსტრონგის ცნობილი ხაზი, "პატარა ნაბიჯი ადამიანისთვის, გიგანტური ნაბიჯი კაცობრიობისთვის". და დღესაც, DSN რჩება მსოფლიოში ყველაზე მოწინავე და მგრძნობიარე საკომუნიკაციო სისტემად. "მაგრამ მრავალი მიზეზის გამო, მან უკვე მიაღწია თავის ზღვარს", - აფრთხილებს აბრაამი. „თითქმის არსად არის გასაუმჯობესებელი ტექნოლოგია, რომელიც მუშაობს რადიო სიხშირეებზე. მარტივი გადაწყვეტილებები იწურება“.

სამი მიწის სადგური 120 გრადუსიანი დაშორებით

DSN ფირფიტები კანბერაში

DSN კომპლექსი მადრიდში

DSN გოლდსტოუნში

საკონტროლო ოთახი რეაქტიული მოძრაობის ლაბორატორიაში

რადიო და რა მოჰყვება მას

ეს ამბავი ახალი არ არის. ღრმა კოსმოსური კომუნიკაციების ისტორია შედგება მუდმივი ბრძოლისგან სიხშირეების გაზრდისა და ტალღის სიგრძის შესამცირებლად. Explorer 1 იყენებდა 108 MHz სიხშირეს. შემდეგ NASA-მ წარმოადგინა უფრო დიდი, უკეთესად მოპოვებული ანტენები, რომლებიც მხარს უჭერდნენ სიხშირეებს L დიაპაზონიდან, 1-დან 2 გჰც-მდე. შემდეგ მოვიდა S ჯგუფის რიგი, სიხშირეებით 2-დან 4 გჰც-მდე, შემდეგ კი სააგენტო გადავიდა X-ზე, სიხშირით 7-11,2 გჰც.

დღეს კოსმოსური საკომუნიკაციო სისტემები კვლავ განიცდის ცვლილებებს - ახლა ისინი გადადიან 26-40 გჰც სიხშირეზე, Ka-band. "ამ ტენდენციის მიზეზი ის არის, რომ რაც უფრო მოკლეა ტალღის სიგრძე და რაც უფრო მაღალია სიხშირე, მით მეტია მონაცემთა სიჩქარის მიღება", - ამბობს აბრაამი.

არსებობს ოპტიმიზმის მიზეზები, იმის გათვალისწინებით, რომ ისტორიულად NASA-ში კომუნიკაციების განვითარების სიჩქარე საკმაოდ მაღალი იყო. Jet Propulsion Laboratory-ის 2014 წლის კვლევით ნაშრომში მოყვანილია შემდეგი გამტარუნარიანობის მონაცემები შედარებისთვის: თუ გამოვიყენებდით Explorer 1-ის საკომუნიკაციო ტექნოლოგიებს იუპიტერიდან დედამიწაზე ტიპიური iPhone ფოტოს გადასატანად, ამას 460-ჯერ მეტი დრო დასჭირდებოდა ვიდრე ამჟამინდელი ასაკის სამყარო. 2-იანი წლების პიონერებს 4 და 1960 დასჭირდებოდათ 633 წელი. 000 წლის Mariner 9 ამას 1971 საათში გააკეთებდა. დღეს MPC-ს სამი წუთი დასჭირდება.

ერთადერთი პრობლემა, რა თქმა უნდა, ის არის, რომ კოსმოსური ხომალდის მიერ მიღებული მონაცემების რაოდენობა იზრდება ისევე სწრაფად, თუ არა უფრო სწრაფად, ვიდრე გადაცემის შესაძლებლობების ზრდა. ფუნქციონირების 40 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში, Voyagers 1-მა და 2-მა აწარმოეს 5 ტბ ინფორმაცია. NISAR Earth Science თანამგზავრი, რომელიც დაგეგმილია გაშვება 2020 წელს, გამოიმუშავებს 85 ტბ მონაცემს თვეში. და თუ დედამიწის თანამგზავრებს საკმაოდ შეუძლიათ ამის გაკეთება, პლანეტებს შორის მონაცემთა ასეთი მოცულობის გადაცემა სრულიად განსხვავებული ამბავია. შედარებით სწრაფი MRS კი დედამიწაზე 85 ტბ მონაცემს გადასცემს 20 წლის განმავლობაში.

„2020-იანი წლების ბოლოს და 2030-იანი წლების დასაწყისში მარსის გამოკვლევისთვის მონაცემთა გადაცემის სავარაუდო სიჩქარე იქნება 150 Mbps ან მეტი, ასე რომ, მოდით გამოვიანგარიშოთ“, - ამბობს აბრაამი. – თუ MPC კლასის კოსმოსურ ხომალდს ჩვენგან მარსამდე მაქსიმალურ მანძილზე შეუძლია დედამიწაზე 1 მეტრიან ანტენაზე დაახლოებით 70 Mbps გაგზავნოს, მაშინ 150 Mbps სიჩქარით კომუნიკაციის დასამყარებლად საჭირო იქნება 150 70 მეტრიანი ანტენის მასივი. . დიახ, რა თქმა უნდა, ჩვენ შეგვიძლია მოვიფიქროთ ჭკვიანური გზები ამ აბსურდული თანხის ოდნავ შესამცირებლად, მაგრამ პრობლემა აშკარად არსებობს: პლანეტათაშორისი კომუნიკაციის ორგანიზება 150 Mbps სიჩქარით უკიდურესად რთულია. გარდა ამისა, ჩვენ გვეწურება დაშვებული სიხშირეების სპექტრი“.

როგორც აბრაჰამმა აჩვენა, რომ მუშაობს S ან X ზოლზე, ერთი მისია 25 Mbps სიმძლავრით დაიკავებს მთელ მისაწვდომ სპექტრს. Ka-band-ში მეტი სივრცეა, მაგრამ მარსის მხოლოდ ორი თანამგზავრი 150 Mbps სიჩქარით დაიკავებს მთელ სპექტრს. მარტივად რომ ვთქვათ, პლანეტათაშორისი ინტერნეტი საჭიროებს მეტს, ვიდრე უბრალოდ რადიო ფუნქციონირებას - ის დაეყრდნობა ლაზერებს.

ოპტიკური კომუნიკაციების გამოჩენა

ლაზერები ფუტურისტულად ჟღერს, მაგრამ ოპტიკური კომუნიკაციების იდეა შეიძლება სათავეს 1880-იან წლებში ალექსანდრე გრეჰემ ბელის მიერ შეტანილ პატენტში მივიჩნიოთ. ბელმა შეიმუშავა სისტემა, რომლის დროსაც მზის სინათლე, რომელიც ფოკუსირებული იყო ძალიან ვიწრო სხივზე, მიმართული იყო ამრეკლავ დიაფრაგმაზე, რომელიც ვიბრირებდა ბგერების გამო. ვიბრაციამ გამოიწვია სინათლის ცვალებადობა, რომელიც გადადიოდა ლინზების მეშვეობით ნედლი ფოტოდეტექტორში. ფოტოდეტექტორის წინააღმდეგობის ცვლილებებმა შეცვალა ტელეფონში გამავალი დენი.

სისტემა არასტაბილური იყო, მოცულობა ძალიან დაბალი იყო და ბელმა საბოლოოდ მიატოვა ეს იდეა. მაგრამ თითქმის 100 წლის შემდეგ, ლაზერითა და ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ტექნიკით შეიარაღებული NASA-ს ინჟინრები დაუბრუნდნენ ძველ კონცეფციას.

„ჩვენ ვიცოდით RF სისტემების შეზღუდვების შესახებ, ამიტომ 1970-იანი წლების ბოლოს, 1980-იანი წლების დასაწყისში, JPL-მა დაიწყო განხილვა ღრმა კოსმოსიდან შეტყობინებების გადაცემის შესაძლებლობის შესახებ კოსმოსური ლაზერების გამოყენებით“, - თქვა აბრაამმა. იმისათვის, რომ უკეთ გავიგოთ, რა არის და რა არ არის შესაძლებელი ღრმა კოსმოსურ ოპტიკურ კომუნიკაციებში, ლაბორატორიამ 1980-იანი წლების ბოლოს დაავალა ოთხწლიანი კვლევა, Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). კვლევამ უნდა გასცა პასუხი კრიტიკულ კითხვებზე: რაც შეეხება ამინდსა და ხილვადობის პრობლემებს (ბოლოს და ბოლოს, რადიოტალღებს ადვილად შეუძლიათ ღრუბლებში გავლა, ლაზერებს კი არა)? რა მოხდება, თუ მზე-დედამიწა-ზონდის კუთხე ძალიან მკვეთრი გახდება? განასხვავებს თუ არა დედამიწაზე არსებული დეტექტორი სუსტ ოპტიკურ სიგნალს მზისგან? და ბოლოს, რა დაჯდება ეს ყველაფერი და ღირს თუ არა? „ჩვენ კვლავ ვეძებთ პასუხებს ამ კითხვებზე“, აღიარებს აბრაამი. ”თუმცა, პასუხები სულ უფრო ადასტურებს მონაცემთა ოპტიკური გადაცემის შესაძლებლობას.”

DSRSS ვარაუდობს, რომ დედამიწის ატმოსფეროს ზემოთ წერტილი ყველაზე შესაფერისი იქნებოდა ოპტიკური და რადიო კომუნიკაციებისთვის. აცხადებდნენ, რომ ორბიტალურ სადგურზე დაყენებული ოპტიკური საკომუნიკაციო სისტემა უკეთესად იმუშავებდა, ვიდრე ნებისმიერი ხმელეთის არქიტექტურა, მათ შორის საკულტო 70 მეტრიანი ანტენები. მან უნდა განათავსოს 10 მეტრიანი თეფში დედამიწის მახლობლად ორბიტაზე და შემდეგ აეყვანა იგი გეოსინქრონში. თუმცა, ასეთი სისტემის ღირებულება - რომელიც შედგებოდა სატელიტისგან თეფშით, გამშვები რაკეტით და ხუთი მომხმარებლის ტერმინალით - იყო აკრძალული. უფრო მეტიც, კვლევაში არც კი შედიოდა საჭირო დამხმარე სისტემის ღირებულება, რომელიც ამოქმედდებოდა თანამგზავრის გაუმართაობის შემთხვევაში.

როგორც ამ სისტემამ, ლაბორატორიამ დაიწყო სახმელეთო არქიტექტურის დათვალიერება, რომელიც აღწერილია სახმელეთო მოწინავე ტექნოლოგიების კვლევაში (GBATS), რომელიც ჩატარდა ლაბორატორიაში დაახლოებით იმავე დროს, როგორც DRSS. ადამიანები, რომლებიც მუშაობდნენ GBATS-ზე, გამოვიდნენ ორი ალტერნატიული წინადადებით. პირველი არის ექვსი სადგურის დაყენება 10 მეტრიანი ანტენებით და მრიცხველის სათადარიგო ანტენებით, რომლებიც ერთმანეთისგან 60 გრადუსით დაშორებულია ეკვატორის გარშემო. სადგურები უნდა აეშენებინათ მთის მწვერვალებზე, სადაც წელიწადის დღეების 66% მაინც ნათელი იყო. ამრიგად, 2-3 სადგური ყოველთვის იქნება ხილული ნებისმიერი კოსმოსური ხომალდისთვის და მათ ექნებათ განსხვავებული ამინდი. მეორე ვარიანტი არის ცხრა სადგური, რომლებიც დაჯგუფებულია სამ ჯგუფად და მდებარეობს ერთმანეთისგან 120 გრადუსით. სადგურები თითოეულ ჯგუფში უნდა განთავსდეს ერთმანეთისგან 200 კმ-ის დაშორებით ისე, რომ ისინი იყოს მხედველობის ხაზში, მაგრამ სხვადასხვა ამინდის უჯრედებში.

ორივე GBATS არქიტექტურა უფრო იაფი იყო ვიდრე კოსმოსური მიდგომა, მაგრამ მათ ასევე ჰქონდათ პრობლემები. ჯერ ერთი, იმის გამო, რომ სიგნალებს დედამიწის ატმოსფეროში უნდა გაევლო, დღისით მიღება გაცილებით უარესი იქნებოდა, ვიდრე ღამის მიღება განათებული ცის გამო. მიუხედავად ჭკვიანური მოწყობისა, მიწისზე დაფუძნებული ოპტიკური სადგურები დამოკიდებული იქნება ამინდზე. კოსმოსური ხომალდი, რომელიც ლაზერს უმიზნებს სახმელეთო სადგურს, საბოლოოდ მოუწევს ცუდ ამინდის პირობებთან ადაპტირება და კომუნიკაციის აღდგენა სხვა სადგურთან, რომელიც ღრუბლებით არ არის დაფარული.

თუმცა, პრობლემების მიუხედავად, DSRSS და GBATS პროექტებმა ჩაუყარა თეორიული საფუძველი ღრმა სივრცის ოპტიკურ სისტემებს და NASA-ს ინჟინრების თანამედროვე განვითარებას. დარჩა მხოლოდ ასეთი სისტემის აშენება და მისი შესრულების დემონსტრირება. საბედნიეროდ, ამას სულ რამდენიმე თვე რჩებოდა.

პროექტის განხორციელება

იმ დროისთვის კოსმოსში ოპტიკური მონაცემების გადაცემა უკვე განხორციელებული იყო. პირველი ტესტი გაკეთდა 1992 წელს, როდესაც გალილეოს ზონდი მიემართებოდა იუპიტერისკენ და გადაატრიალა თავისი მაღალი გარჩევადობის კამერა დედამიწისკენ, რათა წარმატებით მიეღო ლაზერული იმპულსების ნაკრები 60 სმ Table Mountain Observatory Telescope-დან და 1,5 მ USAF Starfire ოპტიკური ტელესკოპიდან. ნიუ მექსიკაში. იმ მომენტში გალილეო დედამიწიდან 1,4 მილიონი კილომეტრით იყო დაშორებული, მაგრამ ლაზერის ორივე სხივი მის კამერას მოხვდა.

იაპონურმა და ევროპულმა კოსმოსურმა სააგენტოებმა ასევე შეძლეს ოპტიკური კომუნიკაციების დამყარება სახმელეთო სადგურებსა და თანამგზავრებს შორის დედამიწის ორბიტაზე. შემდეგ მათ შეძლეს ორ თანამგზავრს შორის 50 Mbps კავშირის დამყარება. რამდენიმე წლის წინ, გერმანიის გუნდმა დაამყარა 5,6 გბიტი/წმ თანმიმდევრული ორმხრივი ოპტიკური კავშირი NFIRE თანამგზავრს შორის დედამიწის ორბიტაზე და მიწისქვეშა სადგურს ტენერიფეში, ესპანეთი. მაგრამ ყველა ეს შემთხვევა დაკავშირებული იყო დედამიწის მახლობლად ორბიტასთან.

პირველი ოპტიკური ბმული, რომელიც აკავშირებს სახმელეთო სადგურსა და კოსმოსურ ხომალდს მზის სისტემის სხვა პლანეტის გარშემო ორბიტაზე, დამონტაჟდა 2013 წლის იანვარში. მონა ლიზას 152 x 200 პიქსელიანი შავ-თეთრი სურათი გადაეცა შემდეგი თაობის სატელიტური ლაზერული დიაპაზონის სადგურიდან NASA-ს გოდარდის კოსმოსური ფრენის ცენტრში მთვარის დაზვერვის ორბიტერს (LRO) 300 bps სიჩქარით. კომუნიკაცია ცალმხრივი იყო. LRO-მ გამოაგზავნა დედამიწიდან მიღებული სურათი ჩვეულებრივი რადიოს საშუალებით. სურათს სჭირდებოდა პროგრამული შეცდომის მცირე კორექტირება, მაგრამ ამ კოდირების გარეშეც კი მისი ამოცნობა ადვილი იყო. და იმ დროს უკვე იგეგმებოდა უფრო ძლიერი სისტემის გაშვება მთვარეზე.

2013 წელს მთვარის დაზვერვის ორბიტერის პროექტიდან: დედამიწის ატმოსფეროს მიერ შემოტანილი გადაცემის შეცდომების გასასუფთავებლად, გოდარდის კოსმოსური ფრენის ცენტრის მეცნიერებმა გამოიყენეს რიდ-სოლომონის შეცდომის კორექტირება (მარჯვნივ), რომელიც ფართოდ გამოიყენება CD და DVD დისკებში. ტიპიური შეცდომები მოიცავს პიქსელების გამოტოვებას (თეთრი) და ცრუ სიგნალებს (შავი). თეთრი ზოლი მიუთითებს გადაცემის მცირე პაუზაზე.

«მთვარის ატმოსფეროსა და მტვრის გარემოს მკვლევარი» (LADEE) შევიდა მთვარის ორბიტაზე 6 წლის 2013 ოქტომბერს და მხოლოდ ერთი კვირის შემდეგ გაუშვა თავისი პულსირებული ლაზერი მონაცემთა გადაცემისთვის. ამჯერად NASA ცდილობდა ორმხრივი კომუნიკაციის ორგანიზებას 20 Mbps სიჩქარით ამ მიმართულებით და რეკორდული სიჩქარით 622 Mbps საპირისპირო მიმართულებით. ერთადერთი პრობლემა იყო მისიის ხანმოკლე ხანგრძლივობა. ოპტიკური კომუნიკაცია LRO მუშაობდა მხოლოდ რამდენიმე წუთის განმავლობაში. LADEE დაუკავშირდა თავის ლაზერს 16 საათის განმავლობაში სულ 30 დღის განმავლობაში. ეს სიტუაცია უნდა შეიცვალოს, როდესაც ლაზერული კომუნიკაციების დემონსტრაციის თანამგზავრი (LCRD) გაიშვება, რომელიც დაგეგმილია 2019 წლის ივნისში. მისი ამოცანაა აჩვენოს, როგორ იმუშავებს მომავალი საკომუნიკაციო სისტემები სივრცეში.

LCRD მუშავდება NASA-ს რეაქტიული მოძრაობის ლაბორატორიაში, MIT-ის ლინკოლნის ლაბორატორიასთან თანამშრომლობით. მას ექნება ორი ოპტიკური ტერმინალი: ერთი დედამიწის დაბალ ორბიტაზე კომუნიკაციისთვის, მეორე ღრმა კოსმოსისთვის. პირველს მოუწევს გამოიყენოს დიფერენციალური ფაზის ცვლის გასაღები (DPSK). გადამცემი გაგზავნის ლაზერულ იმპულსებს 2,88 გჰც სიხშირით. ამ ტექნოლოგიის გამოყენებით, თითოეული ბიტი დაშიფრული იქნება თანმიმდევრული იმპულსების ფაზური სხვაობით. მას შეეძლება მუშაობა 2,88 გბიტი/წმ სიჩქარით, მაგრამ ამას დიდი სიმძლავრე დასჭირდება. დეტექტორებს შეუძლიათ მხოლოდ მაღალი ენერგიის სიგნალებში პულსის განსხვავებების აღმოჩენა, ამიტომ DPSK მშვენივრად მუშაობს დედამიწის მახლობლად კომუნიკაციებთან, მაგრამ ეს არ არის საუკეთესო მეთოდი ღრმა კოსმოსისთვის, სადაც ენერგიის შენახვა პრობლემურია. მარსიდან გაგზავნილი სიგნალი დაკარგავს ენერგიას დედამიწამდე მისვლამდე, ამიტომ LCRD გამოიყენებს უფრო ეფექტურ ტექნოლოგიას, იმპულსური ფაზის მოდულაციას ღრმა სივრცესთან ოპტიკური კომუნიკაციის დემონსტრირებისთვის.

NASA-ს ინჟინრები ამზადებენ LADEE-ს ტესტირებისთვის

2017 წელს ინჟინერებმა გამოსცადეს ფრენის მოდემები თერმულ ვაკუუმში

"არსებითად, ის ითვლის ფოტონებს", - განმარტავს აბრაამი. – კომუნიკაციისთვის გამოყოფილი მოკლე პერიოდი დაყოფილია რამდენიმე დროის სეგმენტად. მონაცემების მისაღებად, თქვენ უბრალოდ უნდა შეამოწმოთ, შეეჯახა თუ არა ფოტონები თითოეულ უფსკრულის დეტექტორს. ასე ხდება მონაცემების კოდირება FIM-ში“. ეს მორზეს კოდის მსგავსია, მხოლოდ სუპერ სწრაფი სიჩქარით. ან არის ციმციმი გარკვეულ მომენტში, ან არ არის და შეტყობინება დაშიფრულია ციმციმების თანმიმდევრობით. „მიუხედავად იმისა, რომ ეს ბევრად უფრო ნელია, ვიდრე DPSK, ჩვენ მაინც შეგვიძლია დავამყაროთ ოპტიკური კომუნიკაციები ათეულობით ან ასობით Mbps სიჩქარით მარსამდე მანძილიდან“, დასძენს აბრაამი.

რა თქმა უნდა, LCRD პროექტი მხოლოდ ამ ორ ტერმინალს არ ეხება. ის ასევე უნდა მუშაობდეს როგორც ინტერნეტ კვანძი სივრცეში. ადგილზე იქნება სამი სადგური, რომელიც იმუშავებს LCRD: ერთი White Sands-ში ნიუ-მექსიკოში, ერთი Table Mountain-ში კალიფორნიაში და ერთი კუნძულ ჰავაიზე ან მაუიზე. იდეა არის ერთი მიწისქვეშა სადგურიდან მეორეზე გადასვლის ტესტირება ერთ-ერთ სადგურზე ცუდი ამინდის შემთხვევაში. მისია ასევე შეამოწმებს LCRD-ის, როგორც მონაცემთა გადამცემის მუშაობას. ერთ-ერთი სადგურიდან ოპტიკური სიგნალი გადავა თანამგზავრზე და შემდეგ გადაეცემა სხვა სადგურს - და ეს ყველაფერი ოპტიკური კომუნიკაციის საშუალებით.

თუ შეუძლებელია მონაცემთა დაუყოვნებლივ გადაცემა, LCRD შეინახავს მას და გადასცემს მას, როდესაც ეს შესაძლებელია. თუ მონაცემები გადაუდებელია, ან ბორტზე არ არის საკმარისი შესანახი ადგილი, LCRD დაუყოვნებლივ გაგზავნის მათ თავისი Ka-band ანტენის მეშვეობით. ასე რომ, მომავალი გადამცემი თანამგზავრების წინამორბედი, LCRD იქნება ჰიბრიდული რადიო-ოპტიკური სისტემა. სწორედ ასეთი ერთეული უნდა განათავსოს NASA-მ მარსის გარშემო ორბიტაზე, რათა მოაწყოს პლანეტათაშორისი ქსელი, რომელიც მხარს უჭერს ადამიანის მიერ ღრმა კოსმოსის შესწავლას 2030-იან წლებში.

Bringing Mars ონლაინ

გასული წლის განმავლობაში, აბრაამის გუნდმა დაწერა ორი ნაშრომი, რომლებიც აღწერს ღრმა კოსმოსური კომუნიკაციების მომავალს, რომლებიც წარმოდგენილი იქნება SpaceOps კონფერენციაზე საფრანგეთში 2019 წლის მაისში. ერთი აღწერს ღრმა კოსმოსურ კომუნიკაციებს ზოგადად, მეორე (“მარსის პლანეტათაშორისი ქსელი ადამიანის ძიების ეპოქისთვის - პოტენციური პრობლემები და გადაწყვეტილებები”) შესთავაზა ინფრასტრუქტურის დეტალური აღწერა, რომელსაც შეუძლია უზრუნველყოს ინტერნეტის მსგავსი სერვისი ასტრონავტებისთვის წითელ პლანეტაზე.

მონაცემთა გადაცემის მაქსიმალური საშუალო სიჩქარის შეფასებები იყო დაახლოებით 215 Mbps ჩამოტვირთვისთვის და 28 Mbps ატვირთვისთვის. მარსის ინტერნეტი შედგება სამი ქსელისგან: WiFi, რომელიც ფარავს კვლევის არეალს ზედაპირზე, პლანეტარული ქსელი, რომელიც გადასცემს მონაცემებს ზედაპირიდან დედამიწაზე, და ხმელეთის ქსელი, ღრმა კოსმოსური საკომუნიკაციო ქსელი სამი საიტით, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან ამ მონაცემების მიღებასა და პასუხების გაგზავნაზე. მარსზე დაბრუნება.

„ასეთი ინფრასტრუქტურის განვითარებისას ბევრი პრობლემაა. ის უნდა იყოს საიმედო და სტაბილური, თუნდაც მარსამდე 2,67 AU მაქსიმალურ მანძილზე. უმაღლესი მზის შეერთების პერიოდებში, როდესაც მარსი იმალება მზის უკან“, - ამბობს აბრაამი. ასეთი შეერთება ორ წელიწადში ერთხელ ხდება და მთლიანად წყვეტს კომუნიკაციას მარსთან. „დღეს ჩვენ ამას ვერ გავუმკლავდებით. ყველა სადესანტო და ორბიტალური სადგური, რომელიც მარსზეა, უბრალოდ კარგავს კონტაქტს დედამიწასთან დაახლოებით ორი კვირის განმავლობაში. ოპტიკური კომუნიკაციით, მზის კავშირის გამო კომუნიკაციის დაკარგვა კიდევ უფრო გრძელი იქნება, 10-დან 15 კვირამდე. რობოტებისთვის, ასეთი ხარვეზები არ არის განსაკუთრებით საშინელი. ასეთი იზოლაცია მათ პრობლემებს არ უქმნის, რადგან არ ბეზრდებათ, არ განიცდიან მარტოობას, არ სჭირდებათ საყვარელი ადამიანების ნახვა. მაგრამ ადამიანებისთვის ეს სულაც არ არის ასე.

„მაშასადამე, ჩვენ თეორიულად დავუშვებთ ორი ორბიტალური გადამცემის ამოქმედებას, რომლებიც მოთავსებულია წრიულ ეკვატორულ ორბიტაზე მარსის ზედაპირიდან 17300 კმ-ზე მაღლა“, - განაგრძობს აბრაამი. კვლევის მიხედვით, ისინი უნდა იწონიდნენ თითო 1500 კგ-ს, ატარებდნენ ტერმინალების კომპლექტს, რომლებიც მუშაობენ X-band, Ka-band და ოპტიკურ ზოლში და იკვებებოდნენ 20-30 კვტ სიმძლავრის მზის პანელებით. მათ უნდა დაუჭირონ მხარი დაგვიანებით ტოლერანტული ქსელის პროტოკოლს - არსებითად TCP/IP, რომელიც შექმნილია იმ მაღალი შეფერხებების მოსაგვარებლად, რასაც აუცილებლად განიცდიან პლანეტათაშორისი ქსელები. ქსელში მონაწილე ორბიტალურ სადგურებს უნდა შეეძლოთ კომუნიკაცია პლანეტის ზედაპირზე მყოფ ასტრონავტებთან და მანქანებთან, სახმელეთო სადგურებთან და ერთმანეთთან.

„ეს გადაკვეთა ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან ამცირებს ანტენების რაოდენობას, რომელიც საჭიროა მონაცემთა გადასაცემად 250 Mbps-ზე“, - ამბობს აბრაამი. მისი გუნდის შეფასებით, ექვსი 250 მეტრიანი ანტენის მასივი იქნება საჭირო იმისათვის, რომ მიიღოთ 34 Mbps მონაცემები ერთ-ერთი ორბიტული გადამცემიდან. ეს ნიშნავს, რომ NASA-ს დასჭირდება სამი დამატებითი ანტენის აშენება ღრმა კოსმოსური კომუნიკაციების ადგილებში, მაგრამ მათ აშენებას წლები სჭირდება და ძალიან ძვირია. „მაგრამ ჩვენ ვფიქრობთ, რომ ორ ორბიტალურ სადგურს შეუძლია მონაცემების გაზიარება და ერთდროულად გაგზავნა 125 Mbps სიჩქარით, სადაც ერთი გადამცემი გაგზავნის მონაცემთა პაკეტის ნახევარს, მეორე კი მეორეს“, - ამბობს აბრაამი. . დღესაც კი, 34 მეტრის სიღრმის კოსმოსური საკომუნიკაციო ანტენებს შეუძლიათ ერთდროულად მიიღონ მონაცემები ოთხი სხვადასხვა კოსმოსური ხომალდიდან, რის შედეგადაც საჭიროა სამი ანტენა დავალების შესასრულებლად. „ცის ერთი და იგივე უბნიდან ორი 125 Mbps გადაცემის მისაღებად საჭიროა იმავე რაოდენობის ანტენა, როგორც ერთი გადაცემის მისაღებად“, განმარტავს აბრაამი. ”მეტი ანტენა საჭიროა მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ გჭირდებათ უფრო მაღალი სიჩქარით კომუნიკაცია.”

მზის კავშირის პრობლემის გადასაჭრელად, აბრაამის გუნდმა შესთავაზა გადამცემი თანამგზავრის გაშვება მზე-მარსი/მზე-დედამიწის ორბიტის L4/L5 წერტილებზე. შემდეგ, კავშირის პერიოდებში, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას მზის გარშემო მონაცემების გადასაცემად, მის მეშვეობით სიგნალების გაგზავნის ნაცვლად. სამწუხაროდ, ამ პერიოდში სიჩქარე 100 Kbps-მდე დაეცემა. მარტივად რომ ვთქვათ, ის იმუშავებს, მაგრამ ცუდია.

იმავდროულად, მარსზე მომავალ ასტრონავტებს კნუტის ფოტოს მისაღებად სამ წუთზე მეტი მოუწევთ ლოდინი, არ ჩავთვლით დაგვიანებებს, რომლებიც შეიძლება იყოს 40 წუთამდე. საბედნიეროდ, იმ დროისთვის, როცა კაცობრიობის ამბიციები წითელ პლანეტაზე უფრო შორს წაგვიყვანს, პლანეტათაშორისი ინტერნეტი უმეტეს დროს უკვე საკმაოდ კარგად იმუშავებს.

წყარო: www.habr.com