깊은 우주로의 호출: NASA가 행성 간 통신을 가속화하는 방법

“무선 주파수 기술에는 사실상 개선의 여지가 없습니다. 간단한 해결은 끝"

26년 2018월 22일 모스크바 시간 53시 8,1분에 NASA는 다시 한 번 해냈습니다. InSight 탐사선은 대기 진입, 하강 및 착륙 기동 후 화성 표면에 성공적으로 착륙했으며 나중에 "XNUMX분 XNUMX초의 공포"로 세례를 받았습니다. .” NASA 엔지니어들은 지구와 화성 사이의 약 XNUMX분의 통신 지연으로 인해 우주 탐사선이 행성 표면에 성공적으로 착륙했는지 여부를 즉시 알 수 없었기 때문에 적절한 설명입니다. 이 기간 동안 InSight는 더 현대적이고 강력한 안테나에 의존할 수 없었습니다. 모든 것이 구식 UHF 통신(TV 방송 및 워키토키부터 Bluetooth 장치에 이르기까지 모든 것에 오랫동안 사용된 방법)에 의존했습니다.

그 결과 InSight 상태에 대한 중요한 데이터가 401,586MHz 주파수의 전파를 통해 두 개의 위성으로 전송되었습니다.큐브위성, WALL-E 및 EVE는 8Kbps의 속도로 지구에 위치한 70미터 안테나로 데이터를 전송했습니다. 큐브위성은 InSight와 동일한 로켓에서 발사되었으며, 착륙을 관찰하고 즉시 집으로 데이터를 전송하기 위해 화성으로의 여행에 동행했습니다. 기타 화성 궤도선, 예: 화성 정찰 위성 (MRS)는 어색한 입장에 처해 있어 처음에는 착륙선과 실시간으로 메시지를 주고받을 수 없었다. 전체 착륙이 각각 여행 가방 크기의 두 개의 실험용 CubeSat에 의존했다는 것은 말할 것도 없지만 MRS는 더 오랜 시간을 기다린 후에만 InSight에서 데이터를 전송할 수 있습니다.

InSight 착륙은 실제로 NASA의 전체 통신 아키텍처인 화성 네트워크를 테스트했습니다. 궤도 위성으로 전송된 InSight 착륙선의 신호는 위성이 고장나더라도 어쨌든 지구에 도달했을 것입니다. WALL-E와 EVE는 정보를 즉시 전송해야 했고 실제로 그렇게 했습니다. 이러한 CubeSats가 어떤 이유로 작동하지 않은 경우 MRS는 해당 역할을 수행할 준비가 되어 있었습니다. 각각은 인터넷과 같은 네트워크에서 노드로 작동하여 서로 다른 장비로 구성된 서로 다른 터미널을 통해 데이터 패킷을 라우팅합니다. 오늘날 가장 효과적인 것은 최대 6Mbit/s의 속도로 데이터를 전송할 수 있는 MRS입니다(이는 행성 간 임무에 대한 현재 기록입니다). 그러나 NASA는 과거에는 훨씬 더 느린 속도로 작동해야 했으며 앞으로도 훨씬 더 빠른 데이터 전송이 필요할 것입니다.

인터넷 서비스 제공업체와 마찬가지로 NASA도 인터넷 사용자를 허용합니다. 확인 우주선과 실시간으로 통신합니다.

심우주 통신 네트워크

NASA의 우주에서의 존재감이 증가함에 따라 점점 더 많은 공간을 포괄하기 위해 개선된 통신 시스템이 지속적으로 등장했습니다. 처음에는 낮은 지구 궤도에서, 그 다음에는 지구 동기 궤도와 달에서, 그리고 곧 통신은 더 깊은 우주로 확장되었습니다. 모든 것은 1년 미국인이 나이지리아, 싱가포르, 캘리포니아에 있는 미군 기지에서 성공적으로 발사한 최초의 위성인 Explorer 1958호로부터 원격 측정을 수신하는 데 사용된 조악한 휴대용 라디오 수신기에서 시작되었습니다. 느리지만 확실하게 이 기반은 오늘날의 고급 메시징 시스템으로 발전했습니다.

NASA 행성간 네트워크 부서의 전략 및 시스템 예측 부문 책임자인 Douglas Abraham은 우주에서 메시지를 전송하기 위해 독립적으로 개발된 세 가지 네트워크를 강조합니다. Near Earth Network는 낮은 지구 궤도의 우주선과 함께 작동합니다. Abraham은 "대부분 9~12m 크기의 안테나 모음입니다. 15~18m 크기의 더 큰 안테나도 몇 개 있습니다"라고 말했습니다. 그런 다음 지구의 정지 궤도 위에는 여러 개의 추적 및 데이터 중계 위성(TDRS)이 있습니다. Abraham은 “그들은 낮은 지구 궤도에 있는 위성을 내려다보고 통신할 수 있으며, 그런 다음 이 정보를 TDRS를 통해 지상으로 전송할 수 있습니다.”라고 설명합니다. "이 위성 데이터 전송 시스템을 NASA 우주 네트워크라고 합니다."

그러나 TDRS조차도 달 궤도를 훨씬 넘어선 우주선과 다른 행성과 통신하기에는 충분하지 않았습니다. “그래서 우리는 전체 태양계를 포괄하는 네트워크를 만들어야 했습니다. 이것이 Deep Space Network(DSN)이라고 Abraham은 말합니다. 화성 네트워크는 확장입니다 dsn.

길이와 레이아웃을 고려하면 DSN은 나열된 시스템 중 가장 복잡합니다. 본질적으로 이것은 직경이 34m에서 70m에 이르는 대형 안테나 세트입니다. 34개의 DSN 사이트 각각은 여러 개의 70미터 안테나와 120개의 XNUMX미터 안테나를 운영하고 있습니다. 한 사이트는 골드스톤(캘리포니아)에 있고, 다른 사이트는 마드리드(스페인) 근처에 있으며, 세 번째 사이트는 캔버라(호주)에 있습니다. 이 사이트는 지구를 중심으로 약 XNUMX도 떨어져 있으며 지구 동기 궤도 외부의 모든 우주선에 XNUMX시간 범위를 제공합니다.

34미터 안테나는 DSN의 주요 장비로, 기존의 고효율 안테나와 비교적 새로운 도파관 안테나의 두 가지 유형이 있습니다. 차이점은 유도파 안테나에는 파이프 아래로 지하 제어실로 신호를 반사하는 34개의 정밀 RF 미러가 있다는 것입니다. 여기서 해당 신호를 분석하는 전자 장치는 모든 간섭 소스로부터 더 잘 보호됩니다. 개별적으로 또는 2~3개의 접시 그룹으로 작동하는 34미터 안테나는 NASA에 필요한 대부분의 통신을 제공할 수 있습니다. 그러나 여러 개의 70미터 안테나를 사용하기에도 거리가 너무 길어지는 특수한 경우에는 DSN 제어가 XNUMX미터 몬스터를 사용합니다.

Abraham은 대형 안테나에 대해 “그들은 여러 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.”라고 말합니다. 첫 번째는 우주선이 지구에서 너무 멀리 떨어져 있어 더 작은 접시를 사용하여 통신을 구축하는 것이 불가능할 때입니다. “이미 명왕성보다 훨씬 더 멀리 날아간 뉴 호라이즌스(New Horizons) 임무나 태양계 외부에 위치한 보이저(Voyager) 우주선이 좋은 예입니다. 70미터 길이의 안테나만이 이를 관통하여 데이터를 지구로 전달할 수 있습니다.”라고 Abraham은 설명합니다.

70미터 접시는 궤도 진입과 같은 계획된 중요한 상황 때문에 또는 뭔가 심각하게 잘못되어 우주선이 부스팅 안테나를 작동할 수 없는 경우에도 사용됩니다. 예를 들어, 70미터 안테나는 아폴로 13호를 지구로 안전하게 귀환시키는 데 사용되었습니다. 그녀는 또한 닐 암스트롱(Neil Armstrong)의 유명한 명언인 "한 남자를 위한 작은 발걸음, 인류를 위한 거대한 발걸음"을 채택했습니다. 그리고 오늘날에도 DSN은 세계에서 가장 진보되고 민감한 통신 시스템으로 남아 있습니다. “그러나 여러 가지 이유로 이미 한계에 도달했습니다”라고 아브라함은 경고합니다. – 무선 주파수에서 작동하는 기술을 개선할 곳은 사실상 없습니다. 간단한 솔루션이 부족합니다."

120도 떨어진 XNUMX개의 지상국

캔버라의 DSN 플레이트

마드리드의 DSN 콤플렉스

Goldstone의 DSN

제트추진연구소 제어실

라디오와 그 이후에는 무슨 일이 일어날 것인가

이 이야기는 새로운 것이 아닙니다. 심우주 통신의 역사는 주파수를 높이고 파장을 단축하려는 끊임없는 투쟁으로 구성됩니다. Explorer 1은 108MHz 주파수를 사용했습니다. 그런 다음 NASA는 L 대역(1~2GHz)의 주파수를 지원하는 더 크고 더 나은 이득을 제공하는 안테나를 출시했습니다. 그런 다음 주파수가 2~4GHz인 S 밴드로 바뀌었고, 기관은 주파수가 7~11,2GHz인 X 밴드로 전환했습니다.

오늘날 우주 통신 시스템은 다시 변화를 겪고 있습니다. 이제 26-40GHz 범위인 Ka 대역으로 이동하고 있습니다. "이러한 추세의 이유는 파장이 짧고 주파수가 높을수록 데이터 전송 속도가 더 빨라질 수 있기 때문입니다."라고 Abraham은 말합니다.

역사적으로 NASA의 통신 속도가 상당히 빨랐다는 점을 고려하면 낙관적인 견해를 가질 이유가 있습니다. Jet Propulsion Laboratory의 2014년 연구 논문은 비교를 위해 다음과 같은 처리량 데이터를 제공합니다. Explorer 1의 통신 기술을 사용하여 일반적인 iPhone 사진을 목성에서 지구로 전송하면 현재 우주보다 460배 더 오래 걸릴 것입니다. 2년대 파이오니어 4호와 1960호의 경우 633년이 걸렸을 것이다. 000년의 마리너 9호는 1971시간 만에 완료했을 것이다. 오늘은 MRS가 55분 정도 걸릴 것입니다.

물론 유일한 문제는 우주선이 수신하는 데이터의 양이 전송 능력의 성장만큼 빠르지는 않더라도 빠르게 증가하고 있다는 것입니다. 40년 동안 보이저 1호와 2호는 5TB의 정보를 생산했습니다. 2020년 발사 예정인 NISAR 지구과학 위성은 매월 85TB의 데이터를 생성합니다. 그리고 지구의 위성이 이를 충분히 수행할 수 있다면 행성 간에 그러한 양의 데이터를 전송하는 것은 완전히 다른 이야기입니다. 상대적으로 빠른 MRS라도 85년 동안 20TB의 데이터를 지구로 전송할 수 있습니다.

Abraham은 “2020년대 후반과 2030년대 초반의 화성 탐사에 대한 예상 데이터 속도는 150Mbps 이상이 될 것이므로 계산해 보겠습니다.”라고 말합니다. – 우리에서 화성까지 최대 거리에 있는 MRS급 우주선이 지구상의 1미터 안테나에 약 70Mbit/s를 보낼 수 있다면, 150Mbit/s의 속도로 통신을 구성하려면 150미터 배열 70개를 구성해야 합니다. 안테나가 필요합니다. 예, 물론 우리는 이 터무니없는 양을 조금 줄일 수 있는 영리한 방법을 생각해낼 수 있지만 문제는 분명히 존재합니다. 150Mbps의 속도로 행성 간 통신을 구성하는 것은 극히 어렵습니다. 게다가 허용 주파수도 부족합니다.”

Abraham이 시연한 것처럼 S-대역 또는 X-대역에서 작동하면 단일 25Mbps 임무가 사용 가능한 전체 스펙트럼을 차지합니다. Ka 대역에는 더 많은 공간이 있지만 처리량이 150Mbit/s인 화성 위성 XNUMX개만 전체 스펙트럼을 차지합니다. 간단히 말해서, 행성 간 인터넷을 작동하려면 단순한 라디오 이상의 것이 필요합니다. 즉, 레이저에 의존하게 됩니다.

광통신의 출현

레이저는 미래 지향적으로 들리지만, 광통신의 아이디어는 1880년대 Alexander Graham Bell이 제출한 특허로 거슬러 올라갑니다. Bell은 매우 좁은 광선에 초점을 맞춘 햇빛이 소리에 의해 진동되는 반사판으로 향하는 시스템을 개발했습니다. 진동으로 인해 렌즈를 통해 조잡한 광검출기로 전달되는 빛의 변화가 발생했습니다. 광검출기 저항의 변화로 인해 전화기를 통과하는 전류가 변경되었습니다.

시스템이 불안정하고 볼륨이 매우 낮았기 때문에 Bell은 결국 아이디어를 포기했습니다. 그러나 거의 100년 후, NASA 엔지니어들은 레이저와 광섬유로 무장하여 이 오래된 개념으로 돌아왔습니다.

Abraham은 "우리는 무선 주파수 시스템의 한계를 알고 있었기 때문에 1970년대 후반과 1980년대 초반 JPL에서 우주 레이저를 사용하여 깊은 우주에서 메시지를 전송할 가능성에 대해 논의하기 시작했습니다."라고 말했습니다. 심우주 광통신에서 가능한 것과 불가능한 것을 더 잘 이해하기 위해 연구소는 1980년대 후반에 XNUMX년간의 심우주 중계 위성 시스템(DSRSS) 연구를 시작했습니다. 연구는 중요한 질문에 답해야 했습니다. 날씨와 가시성 문제는 어떻습니까(결국 전파는 쉽게 구름을 통과할 수 있지만 레이저는 통과할 수 없습니다). 태양-지구-탐사선 각도가 너무 예각이 되면 어떻게 되나요? 지구상의 탐지기는 약한 광학 신호와 햇빛을 구별할 수 있습니까? 마지막으로, 이 모든 비용은 얼마이며 그만한 가치가 있습니까? 아브라함은 “우리는 여전히 이러한 질문에 대한 답을 찾고 있습니다.”라고 인정합니다. "그러나 답변은 점점 더 광학 데이터 전송 가능성을 뒷받침합니다."

DSRSS는 지구 대기권 위에 위치한 지점이 광학 및 무선 통신에 가장 적합할 것이라고 제안했습니다. 궤도 정거장에 설치된 광통신 시스템은 상징적인 70미터 안테나를 포함한 어떤 지상 기반 건축물보다 더 나은 성능을 발휘할 것이라고 밝혔습니다. 지구 저궤도에서는 10m짜리 접시를 배치한 뒤 이를 정지동기화할 계획이었다. 그러나 접시가 포함된 위성, 발사체, XNUMX개의 사용자 터미널로 구성된 시스템의 비용은 엄청났습니다. 더욱이, 이 연구에는 위성 장애가 발생할 경우 작동하게 될 필수 보조 시스템의 비용도 포함되지 않았습니다.

이 시스템에 대해 연구소는 DRSS와 거의 같은 시기에 수행된 연구소의 지상 기반 첨단 기술 연구(GBATS) 보고서에 설명된 지상 아키텍처를 조사하기 시작했습니다. GBATS에 참여하는 사람들은 두 가지 대안을 제안했습니다. 첫 번째는 전체 적도를 따라 10도 간격으로 위치한 60미터 길이의 안테나와 66미터 길이의 예비 안테나를 갖춘 2개 스테이션을 설치하는 것입니다. 관측소는 일년 중 적어도 3%의 날씨가 맑은 산봉우리에 건설되어야 했습니다. 따라서 120-200개의 스테이션은 모든 우주선에서 항상 볼 수 있으며 날씨가 다릅니다. 두 번째 옵션은 XNUMX개 스테이션으로, XNUMX개 그룹으로 클러스터링되고 서로 XNUMX도 각도로 위치합니다. 각 그룹 내의 관측소는 직접 가시성이 있도록 서로 XNUMXkm 떨어진 곳에 위치해야 하지만 서로 다른 기상 셀에 있어야 합니다.

두 GBATS 아키텍처 모두 공간 접근 방식보다 저렴했지만 문제도 있었습니다. 첫째, 신호는 지구 대기를 통해 이동해야 하므로, 조명이 있는 하늘로 인해 주간 수신은 야간 수신보다 훨씬 나쁩니다. 영리한 배치에도 불구하고 광학 지상국은 날씨에 따라 달라집니다. 지상국을 향해 레이저를 쏘는 우주선은 결국 악천후에 적응해야 하고 구름에 가려지지 않는 다른 기지국과의 통신을 다시 설정해야 합니다.

그러나 문제에도 불구하고 DSRSS 및 GBATS 프로젝트는 심우주 통신을 위한 광학 시스템과 NASA 엔지니어의 현대 개발에 대한 이론적 토대를 마련했습니다. 남은 것은 그러한 시스템을 구축하고 그 성능을 입증하는 것뿐이었습니다. 다행히도 이 일은 불과 몇 달밖에 남지 않았습니다.

프로젝트 구현

그 무렵에는 이미 우주에서의 광학 데이터 전송이 이루어졌습니다. 첫 번째 실험은 1992년 갈릴레오 탐사선이 목성을 향해 향하고 고해상도 카메라를 지구를 향해 돌렸을 때 테이블 마운틴 천문대의 60cm 망원경과 1,5m 망원경에서 보낸 일련의 레이저 펄스를 성공적으로 수신했습니다. 뉴멕시코에 있는 USAF 스타파이어 광학 망원경 범위. 이 순간 갈릴레오는 지구에서 1,4만km 떨어져 있었지만 두 레이저 광선이 모두 카메라에 닿았습니다.

일본과 유럽 우주국은 또한 지상국과 지구 궤도의 위성 사이에 광통신을 구축할 수 있었습니다. 그런 다음 두 위성 간에 50Mbps 연결을 설정할 수 있었습니다. 몇 년 전, 독일 팀은 지구 궤도의 NFIRE 위성과 스페인 테네리페의 지상국 사이에 5,6Gbps의 일관된 광 양방향 링크를 구축했습니다. 그러나 이 모든 경우는 지구 저궤도와 관련이 있습니다.

지상국과 태양계의 다른 행성 근처 궤도에 있는 우주선을 연결하는 최초의 광학 링크는 2013년 152월에 구축되었습니다. 모나리자의 200 x 300 픽셀 흑백 이미지는 NASA의 고다드 우주 비행 센터에 있는 차세대 위성 레이저 거리 측정 스테이션에서 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)로 XNUMXbps로 전송되었습니다. 의사소통은 일방적이었습니다. LRO는 지구에서 수신한 이미지를 일반 무선 통신을 통해 다시 전송했습니다. 이미지에는 약간의 소프트웨어 오류 수정이 필요했는데, 이런 코딩 없이도 쉽게 알아볼 수 있었습니다. 그리고 그 당시에는 달에 더 강력한 시스템을 발사하는 것이 이미 계획되어 있었습니다.

2013년 Lunar Reconnaissance Orbiter 프로젝트에서: 지구 대기(왼쪽)에서 발생하는 전송 오류로부터 정보를 제거하기 위해 Goddard 우주 비행 센터의 과학자들은 CD 및 DVD에 널리 사용되는 Reed-Solomon 오류 수정(오른쪽)을 사용했습니다. 일반적인 오류에는 누락된 픽셀(흰색)과 잘못된 신호(검은색)가 포함됩니다. 흰색 줄무늬는 전송이 잠시 중단되었음을 나타냅니다.

«달 대기 및 먼지 환경 연구원(LADEE)는 6년 2013월 20일 달 궤도에 진입했고 불과 일주일 후에 데이터 전송을 위해 펄스 레이저를 발사했습니다. 이번에 NASA는 반대 방향에서는 622Mbit/s의 속도, 반대 방향에서는 16Mbit/s의 기록적인 속도로 양방향 통신을 구성하려고 했습니다. 유일한 문제는 임무의 짧은 수명이었습니다. LRO의 광통신은 한 번에 몇 분 동안만 작동했습니다. LADEE는 30일 동안 2019시간 동안 레이저와 데이터를 교환했습니다. 이러한 상황은 XNUMX년 XNUMX월로 예정된 LCRD(레이저 통신 시연) 위성의 발사로 바뀔 예정입니다. 이 위성의 임무는 우주에서 미래 통신 시스템이 어떻게 작동하는지 보여주는 것입니다.

LCRD는 MIT의 링컨 연구소와 협력하여 NASA의 제트 추진 연구소에서 개발되고 있습니다. 여기에는 두 개의 광학 터미널이 있습니다. 하나는 지구 저궤도 통신용이고 다른 하나는 심우주용입니다. 첫 번째는 DPSK(Differential Phase Shift Keying)를 사용해야 합니다. 송신기는 2,88GHz 주파수의 레이저 펄스를 보냅니다. 이 기술을 사용하면 각 비트가 연속 펄스의 위상차로 인코딩됩니다. 2,88Gbps의 속도로 작동할 수 있지만, 이를 위해서는 많은 전력이 필요합니다. 감지기는 고에너지 신호의 펄스 차이만 감지할 수 있으므로 DPSK는 지구 근처 통신에 적합하지만 에너지 저장이 문제가 되는 심우주에 가장 적합한 방법은 아닙니다. 화성에서 보낸 신호는 지구에 도달할 때 에너지를 잃게 되므로 LCRD는 펄스 위상 변조라는 보다 효율적인 기술을 사용하여 심우주와의 광통신을 시연합니다.

NASA 엔지니어는 테스트를 위해 LADEE를 준비합니다.

2017년에 엔지니어들은 열 진공 챔버에서 비행 모뎀을 테스트했습니다.

Abraham은 “그것은 본질적으로 광자를 세는 것입니다.”라고 설명합니다. – 통신에 할당된 짧은 기간은 여러 기간으로 나누어집니다. 데이터를 얻으려면 매 간격마다 광자가 검출기와 충돌했는지 확인하면 됩니다. 이것이 FIM에서 데이터가 인코딩되는 방식입니다.” 모스 부호와 비슷하지만 속도가 매우 빠릅니다. 특정 순간에 플래시가 있거나 없거나 메시지는 일련의 플래시로 인코딩됩니다. "이것이 DPSK보다 훨씬 느리더라도 화성만큼 멀리 떨어진 곳에서도 수십 또는 수백 Mbps의 광통신을 제공할 수 있습니다"라고 Abraham은 덧붙입니다.

물론 LCRD 프로젝트는 이 두 터미널만 있는 것은 아닙니다. 또한 우주에서 인터넷 허브 역할도 해야 합니다. 지상에서는 세 개의 스테이션이 LCRD로 운영될 예정입니다. 하나는 뉴멕시코의 White Sands에, 다른 하나는 캘리포니아의 Table Mountain에, 다른 하나는 하와이 섬이나 마우이에 있습니다. 아이디어는 스테이션 중 하나에서 악천후가 발생할 경우 한 지상 스테이션에서 다른 스테이션으로 전환을 테스트하는 것입니다. 이 임무는 또한 데이터 송신기로서 LCRD의 성능을 테스트합니다. 스테이션 중 하나의 광 신호는 위성으로 전송된 다음 다른 스테이션으로 전송됩니다. 모두 광 링크를 통해 이루어집니다.

데이터를 즉시 전송할 수 없는 경우 LCRD는 이를 저장했다가 기회가 있을 때 전송합니다. 데이터가 긴급하거나 온보드 저장 공간이 충분하지 않은 경우 LCRD는 Ka 밴드 안테나를 통해 즉시 데이터를 전송합니다. 따라서 미래 송신기 위성의 전조인 LCRD는 하이브리드 무선 광학 시스템이 될 것입니다. 이것은 NASA가 2030년대에 인간의 심우주 탐사를 지원할 행성 간 네트워크를 구축하기 위해 화성 주위 궤도에 배치해야 하는 종류의 장치입니다.

화성을 온라인으로 가져오다

지난 2019년 동안 Abraham의 팀은 XNUMX년 XNUMX월 프랑스에서 열리는 SpaceOps 컨퍼런스에서 발표될 심우주 통신의 미래를 설명하는 두 개의 논문을 작성했습니다. 하나는 일반적인 심우주 통신을 설명하고 다른 하나는 (“인류 탐사 시대를 위한 화성 행성 간 네트워크 - 잠재적인 문제와 해결책")는 화성에 있는 우주 비행사에게 인터넷과 같은 서비스를 제공할 수 있는 인프라에 대한 자세한 설명을 제공합니다.

최고 평균 데이터 전송 속도 추정치는 다운로드 시 약 215Mbit/s, 업로드 시 약 28Mbit/s였습니다. 화성 인터넷은 표면 탐사 지역을 커버하는 WiFi, 지표면에서 지구로 데이터를 전송하는 행성 네트워크, 이 데이터를 수신하고 응답을 다시 전송하는 XNUMX개 사이트로 구성된 심우주 통신 네트워크인 지구 네트워크의 세 가지 네트워크로 구성됩니다. 화성.

“이러한 인프라를 개발할 때 문제가 많습니다. 화성까지의 최대 거리인 2,67AU에서도 안정적이고 안정적이어야 합니다. 화성이 태양 뒤에 숨는 태양 우월합 기간 동안”이라고 Abraham은 말합니다. 이러한 결합은 10년마다 발생하며 화성과의 통신을 완전히 방해합니다. “오늘 우리는 이에 대처할 수 없습니다. 화성에 있는 모든 착륙 및 궤도 기지는 약 15주 동안 지구와의 접촉이 끊어집니다. 광통신의 경우 태양광 연결로 인한 통신 손실은 XNUMX~XNUMX주로 훨씬 더 길어질 것입니다.” 로봇의 경우 이러한 격차는 특별히 두렵지 않습니다. 그러한 고립은 지루함을 느끼지 않고 외로움을 경험하지 않으며 사랑하는 사람을 볼 필요가 없기 때문에 문제를 일으키지 않습니다. 그러나 사람들에게는 완전히 다릅니다.

“따라서 우리는 이론적으로 화성 표면 17300km 위의 원형 적도 궤도에 배치된 두 개의 궤도 송신기의 시운전을 허용합니다.”라고 Abraham은 말합니다. 연구에 따르면 각각의 무게는 1500kg이어야 하며 X-밴드, Ka-밴드 및 광학 범위에서 작동하는 터미널 세트를 탑재해야 하며 20-30kW 전력의 태양광 패널로 전력을 공급 받아야 합니다. 이들은 행성 간 네트워크에서 필연적으로 발생하는 긴 지연을 처리하도록 설계된 지연 허용 네트워크 프로토콜(기본적으로 TCP/IP)을 지원해야 합니다. 네트워크에 참여하는 궤도 관측소는 지구 표면의 우주 비행사 및 차량, 지상 관측소 및 서로 통신할 수 있어야 합니다.

Abraham은 “이러한 교차 결합은 250Mbps로 데이터를 전송하는 데 필요한 안테나 수를 줄여주기 때문에 매우 중요합니다.”라고 말합니다. 그의 팀은 궤도 송신기 중 하나에서 250Mbps 데이터를 수신하려면 34개의 125미터 안테나 어레이가 필요할 것으로 추정합니다. 이는 NASA가 심우주 통신 사이트에 34개의 추가 안테나를 구축해야 한다는 것을 의미하지만 구축하는 데 수년이 걸리고 비용이 매우 많이 듭니다. "그러나 우리는 두 개의 궤도 관측소가 데이터를 공유하고 동시에 125Mbps로 전송할 수 있다고 생각합니다. 한 송신기는 데이터 패킷의 절반을 보내고 다른 송신기는 다른 패킷을 보냅니다."라고 Abraham은 말합니다. 오늘날에도 XNUMX미터 깊이의 우주 통신 안테나는 한 번에 XNUMX개의 서로 다른 우주선으로부터 데이터를 동시에 수신할 수 있으므로 작업을 완료하려면 XNUMX개의 안테나가 필요합니다. “같은 하늘 지역에서 두 개의 XNUMXMbps 전송을 수신하려면 한 번의 전송을 수신하는 것과 동일한 수의 안테나가 필요합니다.”라고 Abraham은 설명합니다. "더 높은 속도로 통신해야 하는 경우에만 더 많은 안테나가 필요합니다."

태양 결합 문제를 해결하기 위해 Abraham의 팀은 태양-화성/태양-지구 궤도의 L4/L5 지점에 송신기 위성을 발사할 것을 제안했습니다. 그런 다음 결합 기간 동안 태양을 통해 신호를 보내는 대신 태양 주위로 데이터를 전송하는 데 사용될 수 있습니다. 안타깝게도 이 기간 동안 속도는 100Kbps로 떨어집니다. 간단히 말해서 작동하지만 짜증납니다.

그 사이에 미래의 화성 우주비행사들은 새끼 고양이의 사진을 받기까지 최대 40분의 지연 시간을 제외하고 XNUMX분 남짓 기다려야 할 것입니다. 다행스럽게도 인류의 야망이 우리를 붉은 행성보다 더 멀리 데려가기 전에 행성 간 인터넷은 이미 대부분의 경우 잘 작동할 것입니다.

출처 : habr.com