ProHoster > Blogs > Administrācija > ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju

ā€œTehnoloÄ£iju, kas darbojas radiofrekvencēs, gandrÄ«z nav iespējams uzlabot. Viegli risinājumi beidzas"

26. gada 2018. novembrÄ« pulksten 22:53 pēc Maskavas laika NASA atkal izdevās ā€“ zonde InSight veiksmÄ«gi nolaidās uz Marsa virsmas pēc atkārtotas iekāpÅ”anas, nolaiÅ”anās un nosÄ“Å”anās manevriem, kas vēlāk tika nodēvēti par "seŔārpus minÅ«Å”u Å”ausmām". Piemērots apraksts, jo NASA inženieri nevarēja uzreiz zināt, vai kosmiskā zonde ir veiksmÄ«gi nolaidusies uz planētas virsmas, jo laika aizkavÄ“Å”anās starp Zemi un Marsu bija aptuveni 8,1 minÅ«te. Å Ä« loga laikā InSight nevarēja paļauties uz savām modernākajām un jaudÄ«gākajām antenām ā€“ viss bija atkarÄ«gs no vecmodÄ«giem UHF sakariem (Å”o metodi jau sen izmanto it visā, sākot no TV pārraidēm un rācijām un beidzot ar Bluetooh ierÄ«cēm).

Rezultātā kritiskie dati par InSight stāvokli tika pārraidÄ«ti radioviļņos ar frekvenci 401,586 MHz uz diviem satelÄ«tiem -Cubsata, WALL-E un EVE, kas pēc tam pārraidÄ«ja datus ar ātrumu 8 Kbps uz 70 metru antenām, kas atrodas uz Zemes. Cubesats tika palaists ar to paÅ”u raÄ·eti ar InSight, un viņi to pavadÄ«ja ceļojumā uz Marsu, lai novērotu nosÄ“Å”anos un nekavējoties nosÅ«tÄ«tu datus atpakaļ uz mājām. Citi orbÄ«tā esoÅ”ie Marsa kuÄ£i, piemēram Marsa izlÅ«koÅ”anas pavadonis (MRS), atradās neērtā stāvoklÄ« un sākotnēji nevarēja nodroÅ”ināt reāllaika ziņojumapmaiņu ar nolaiÅ”anās ierÄ«ci. Nevar teikt, ka visa nosÄ“Å”anās bija atkarÄ«ga no diviem eksperimentāliem čemodāna izmēra Cubesats, taču MRS varēs pārsÅ«tÄ«t datus no InSight tikai pēc vēl ilgākas gaidÄ«Å”anas.

InSight nosÄ“Å”anās faktiski pārbaudÄ«ja visu NASA sakaru arhitektÅ«ru, "Marsa tÄ«klu". Signāls no InSight nolaiÅ”anās ierÄ«ces, kas pārraidÄ«ts uz orbÄ«tā esoÅ”ajiem satelÄ«tiem, tik un tā bÅ«tu sasniedzis Zemi, pat ja satelÄ«ti nedarbosies. TÅ«lÄ«tējai informācijas pārsÅ«tÄ«Å”anai bija nepiecieÅ”ami WALL-E un EVE, un viņi to izdarÄ«ja. Ja Å”ie Cubsats kādu iemeslu dēļ nestrādāja, MRS bija gatava spēlēt savu lomu. Katrs no tiem darbojās kā mezgls internetam lÄ«dzÄ«gā tÄ«klā, marÅ”rutējot datu paketes caur dažādiem termināļiem, kas sastāv no dažādām iekārtām. MÅ«sdienās visefektÄ«vākais no tiem ir MRS, kas spēj pārraidÄ«t datus ar ātrumu lÄ«dz 6 Mbps (un tas ir paÅ”reizējais starpplanētu misiju rekords). Tomēr NASA agrāk bija jādarbojas ar daudz mazāku ātrumu, un nākotnē tai bÅ«s nepiecieÅ”ama daudz ātrāka datu pārsÅ«tÄ«Å”ana.

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
Tāpat kā jūsu ISP, NASA ļauj interneta lietotājiem to darīt pārbaudīt saziņa ar kosmosa kuģi reāllaikā.

Deep Space tīkls

Pieaugot NASA klātbÅ«tnei kosmosā, nepārtraukti parādās uzlabotas sakaru sistēmas, kas aptver arvien vairāk vietas: vispirms tā bija zemā Zemes orbÄ«ta, tad Ä£eosinhronā orbÄ«ta un Mēness, un drÄ«z vien sakari devās dziļāk kosmosā. Viss sākās ar neapstrādātu rokas radio, kas izmantoja ASV militārās bāzes Nigērijā, SingapÅ«rā un Kalifornijā, lai saņemtu telemetriju no Explorer 1, pirmā satelÄ«ta, ko amerikāņi veiksmÄ«gi palaida 1958. gadā. Lēnām, bet noteikti Ŕī bāze ir kļuvusi par mÅ«sdienu uzlabotajām ziņojumapmaiņas sistēmām.

NASA Starpplanētu tÄ«klu direktorāta stratēģiskās un sistēmu prognozÄ“Å”anas vadÄ«tājs Duglass Abrahams izceļ trÄ«s neatkarÄ«gi izstrādātus tÄ«klus ziņojumapmaiņai kosmosā. Near Earth tÄ«kls darbojas ar kosmosa kuÄ£iem zemā Zemes orbÄ«tā. "Tas ir antenu komplekts, galvenokārt no 9 lÄ«dz 12 metriem. Ir dažas lielas, no 15 lÄ«dz 18 metriem," saka Ābrahams. Pēc tam virs Zemes Ä£eosinhronās orbÄ«tas atrodas vairāki izsekoÅ”anas un datu pavadoņi (TDRS). "Viņi var skatÄ«ties uz satelÄ«tiem zemā Zemes orbÄ«tā un sazināties ar tiem, un pēc tam pārraidÄ«t Å”o informāciju, izmantojot TDRS, uz zemi," skaidro Ābrahams. "Å o satelÄ«ta datu pārraides sistēmu sauc par NASA kosmosa tÄ«klu."

Bet pat ar TDRS nebija pietiekami, lai sazinātos ar kosmosa kuÄ£i, kas tālu pārsniedza Mēness orbÄ«tu uz citām planētām. "Tāpēc mums bija jāizveido tÄ«kls, kas aptver visu Saules sistēmu. Un tas ir Deep Space Network jeb DSN,ā€ saka Ābrahams. Marsa tÄ«kls ir paplaÅ”inājums DSN.

Ņemot vērā apjomu un plānus, DSN ir vissarežģītākā no uzskaitÄ«tajām sistēmām. Faktiski Å”is ir lielu antenu komplekts, kuru diametrs ir no 34 lÄ«dz 70 m. Katrā no trim DSN vietnēm ir vairākas 34 m antenas un viena 70 m antena. Viena vieta atrodas Goldstounā (Kalifornijā), otra netālu no Madrides (Spānija), bet treŔā Kanberā (Austrālija). Å Ä«s vietas atrodas aptuveni 120 grādu attālumā viena no otras visā pasaulē un nodroÅ”ina XNUMX/XNUMX pārklājumu visiem kosmosa kuÄ£iem ārpus Ä£eosinhronās orbÄ«tas.

34 m antenas ir DSN pamataprÄ«kojums, un tās ir divu veidu: vecās augstas efektivitātes antenas un salÄ«dzinoÅ”i jaunas viļņvada antenas. AtŔķirÄ«ba ir tāda, ka viļņvada antenai ir pieci precÄ«zi RF spoguļi, kas atstaro signālus pa cauruli uz pazemes vadÄ«bas telpu, kur elektronika, kas analizē Å”os signālus, ir labāk aizsargāta no visiem traucējumu avotiem. 34 metrus garās antenas, kas darbojas atseviŔķi vai 2-3 trauku grupās, var nodroÅ”ināt lielāko daļu NASA nepiecieÅ”amo sakaru. Bet Ä«paÅ”os gadÄ«jumos, kad attālumi kļūst pārāk lieli pat dažām 34 m antenām, DSN vadÄ«ba izmanto 70 m monstrus.

"Tām ir svarÄ«ga loma vairākos gadÄ«jumos," Ābrahams saka par lielajām antenām. Pirmais ir tad, kad kosmosa kuÄ£is atrodas tik tālu no Zemes, ka nebÅ«s iespējams ar to izveidot sakarus, izmantojot mazāku trauku. ā€œLabi piemēri bÅ«tu New Horizons misija, kas jau ir lidojusi tālu aiz Plutona, vai Voyager kosmosa kuÄ£is, kas atrodas ārpus Saules sistēmas. Tikai 70 metru antenas spēj tām piekļūt un nogādāt to datus uz Zemi, ā€skaidro Ābrahams.

70 metrus garos traukus izmanto arÄ« gadÄ«jumos, kad kosmosa kuÄ£is nespēj darbināt pastiprinātāja antenu plānotas kritiskas situācijas, piemēram, orbÄ«tas iekļūŔanas dēļ, vai arÄ« tāpēc, ka kaut kas noiet ļoti nepareizi. Piemēram, 70 metru antena tika izmantota, lai droÅ”i atgrieztu Apollo 13 uz Zemi. Viņa arÄ« pieņēma NÄ«la Ārmstronga slaveno lÄ«niju "Mazs solis cilvēkam, milzÄ«gs solis cilvēcei". Un pat Å”odien DSN joprojām ir vismodernākā un jutÄ«gākā sakaru sistēma pasaulē. "Bet daudzu iemeslu dēļ tas jau ir sasniedzis savu robežu," brÄ«dina Ābrahams. "Nav gandrÄ«z kur uzlabot tehnoloÄ£iju, kas darbojas radio frekvencēs. VienkārÅ”i risinājumi beidzas."

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
Trīs zemes stacijas 120 grādu attālumā viena no otras

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
DSN plāksnes Kanberā

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
DSN komplekss Madridē

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
DSN Goldstounā

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
Reaktīvo dzinēju laboratorijas vadības telpa

Radio un kas nāk pēc tam

Šis stāsts nav jauns. Dziļās kosmosa sakaru vēsture sastāv no pastāvīgas cīņas, lai palielinātu frekvences un saīsinātu viļņu garumus. Explorer 1 izmantoja 108 MHz frekvences. Pēc tam NASA ieviesa lielākas, labāk iegūtas antenas, kas atbalstīja frekvences no L joslas no 1 līdz 2 GHz. Tad nāca S-joslas kārta ar frekvencēm no 2 līdz 4 GHz, un pēc tam aģentūra pārgāja uz X joslu ar frekvencēm 7-11,2 GHz.

Å odien kosmosa sakaru sistēmas atkal piedzÄ«vo izmaiņas ā€“ tagad tās pāriet uz 26-40 GHz joslu, Ka-joslu. "Å Ä«s tendences iemesls ir tas, ka jo Ä«sāki ir viļņu garumi un augstākas frekvences, jo vairāk datu pārraides ātruma varat iegÅ«t," saka Ābrahams.

Ir pamats optimismam, ņemot vērā, ka vēsturiski NASA komunikācijas attÄ«stÄ«bas ātrums ir bijis diezgan augsts. ReaktÄ«vo dzinēju laboratorijas 2014. gada pētnieciskajā dokumentā salÄ«dzinājumam ir minēti Ŕādi caurlaidspējas dati: ja mēs izmantotu Explorer 1 sakaru tehnoloÄ£ijas, lai pārsÅ«tÄ«tu tipisku iPhone fotoattēlu no Jupitera uz Zemi, tas aizņemtu 460 reižu ilgāku laiku nekā paÅ”reizējā Visumā. 2. gadu pionieri 4 un 1960 bÅ«tu prasÄ«juÅ”i 633 000 gadu. Mariner 9 no 1971. gada to bÅ«tu paveicis 55 stundās. Å odien MPC tas prasÄ«s trÄ«s minÅ«tes.

VienÄ«gā problēma, protams, ir tā, ka kosmosa kuÄ£u saņemto datu apjoms pieaug tikpat strauji, ja ne ātrāk nekā pārraides spēju pieaugums. Vairāk nekā 40 darbÄ«bas gadu laikā Voyagers 1 un 2 radÄ«ja 5 TB informācijas. Zemes zinātnes satelÄ«ts NISAR, ko paredzēts palaist 2020. gadā, mēnesÄ« radÄ«s 85 TB datu. Un, ja Zemes satelÄ«ti to spēj izdarÄ«t, Ŕāda datu apjoma pārsÅ«tÄ«Å”ana starp planētām ir pavisam cits stāsts. Pat salÄ«dzinoÅ”i ātra MRS uz Zemi pārsÅ«tÄ«s 85 TB datu 20 gadus.

ā€œParedzamie datu pārraides ātrumi Marsa izpētei 2020. gadu beigās un 2030. gadu sākumā bÅ«s 150 Mb/s vai vairāk, tāpēc veiksim aprēķinus,ā€ saka Ābrahams. - Ja MPC klases kosmosa kuÄ£is, kas atrodas maksimālajā attālumā no mums lÄ«dz Marsam, var nosÅ«tÄ«t aptuveni 1 Mbps uz 70 metru antenu uz Zemes, tad, lai izveidotu sakarus ar ātrumu 150 Mbps, bÅ«tu nepiecieÅ”ams 150 70 metru antenu masÄ«vs. . Jā, protams, mēs varam izdomāt gudrus veidus, kā nedaudz samazināt Å”o absurdo summu, taču problēma acÄ«mredzami pastāv: organizēt starpplanētu komunikāciju ar ātrumu 150 Mbps ir ārkārtÄ«gi grÅ«ti. Turklāt mums beidzas atļauto frekvenču spektrs.

Kā demonstrē Abraham, darbojoties S vai X joslā, viena misija ar jaudu 25 Mb/s aizņems visu pieejamo spektru. Ka joslā ir vairāk vietas, taču visu spektru aizņems tikai divi Marsa satelÄ«ti ar joslas platumu 150 Mb/s. VienkārÅ”i sakot, starpplanētu internetam bÅ«s nepiecieÅ”ams vairāk nekā tikai radio ā€” tas bÅ«s atkarÄ«gs no lāzeriem.

Optisko sakaru parādīŔanās

Lāzeri izklausās futÅ«ristiski, taču ideja par optiskajiem sakariem meklējama patentā, ko 1880. gados iesniedza Aleksandrs Greiems Bells. Bells izstrādāja sistēmu, kurā saules gaisma, kas fokusēta uz ļoti Å”auru staru, tika novirzÄ«ta uz atstarojoÅ”o diafragmu, kas vibrēja skaņu dēļ. Vibrācijas izraisÄ«ja izmaiņas gaismā, kas iet caur objektÄ«vu neapstrādātajā fotodetektorā. Izmaiņas fotodetektora pretestÄ«bā mainÄ«ja strāvu, kas plÅ«st caur tālruni.

Sistēma bija nestabila, skaļums bija ļoti zems, un Bells galu galā atteicās no Ŕīs idejas. Taču gandrÄ«z 100 gadus vēlāk, bruņoti ar lāzeriem un optisko Ŕķiedru, NASA inženieri ir atgriezuÅ”ies pie Ŕīs vecās koncepcijas.

"Mēs apzinājāmies RF sistēmu ierobežojumus, tāpēc 1970. gadu beigās, 1980. gadu sākumā JPL sāka apspriest iespēju pārraidÄ«t ziņojumus no dziļā kosmosa, izmantojot kosmosa lāzerus," sacÄ«ja Ābrahams. Lai labāk izprastu, kas ir un kas nav iespējams dziļā kosmosa optiskajos sakaros, 1980. gadu beigās laboratorija pasÅ«tÄ«ja četrus gadus ilgu pētÄ«jumu Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). PētÄ«jumam bija jāatbild uz kritiskiem jautājumiem: kā ar laikapstākļiem un redzamÄ«bas problēmām (galu galā radioviļņi var viegli iziet cauri mākoņiem, bet lāzeri nevar)? Ko darÄ«t, ja Saules un Zemes zondes leņķis kļūst pārāk ass? Vai detektors uz Zemes atŔķirs vāju optisko signālu no saules gaismas? Un visbeidzot, cik tas viss maksās un vai tas bÅ«s tā vērts? "Mēs joprojām meklējam atbildes uz Å”iem jautājumiem," atzÄ«st Ābrahams. "Tomēr atbildes arvien vairāk apstiprina optiskās datu pārraides iespēju."

DSRSS ierosināja, ka punkts, kas atrodas virs Zemes atmosfēras, bÅ«tu vispiemērotākais optiskajiem un radio sakariem. Tika apgalvots, ka orbitālajā stacijā uzstādÄ«tā optisko sakaru sistēma darbotos labāk nekā jebkura virszemes arhitektÅ«ra, ieskaitot ikoniskās 70 metru antenas. Tam bija paredzēts izvietot 10 metrus garu Ŕķīvi Zemes orbÄ«tā un pēc tam pacelt to uz Ä£eosinhronu. Tomēr Ŕādas sistēmas, kas sastāv no satelÄ«ta ar Ŕķīvi, palaiÅ”anas raÄ·etes un pieciem lietotāju termināļiem, izmaksas bija pārmērÄ«gas. Turklāt pētÄ«jumā pat nebija iekļautas nepiecieÅ”amās palÄ«gsistēmas izmaksas, kas varētu darboties satelÄ«ta atteices gadÄ«jumā.

Izmantojot Å”o sistēmu, laboratorija sāka aplÅ«kot zemes arhitektÅ«ru, kas aprakstÄ«ta Ground Based Advanced Technology Study (GBATS) pētÄ«jumā, kas tika veikts laboratorijā aptuveni tajā paŔā laikā, kad DRSS. Cilvēki, kas strādāja pie GBATS, nāca klajā ar diviem alternatÄ«viem priekÅ”likumiem. Pirmā ir seÅ”u staciju uzstādÄ«Å”ana ar 10 metru antenām un metru rezerves antenām, kas atrodas 60 grādu attālumā viena no otras ap ekvatoru. Stacijas bija jābÅ«vē kalnu virsotnēs, kur vismaz 66% gada dienu bija skaidras. Tādējādi jebkuram kosmosa kuÄ£im vienmēr bÅ«s redzamas 2-3 stacijas, un tām bÅ«s atŔķirÄ«gi laikapstākļi. Otra iespēja ir deviņas stacijas, kas sagrupētas grupās pa trÄ«s un atrodas 120 grādu leņķī viena no otras. Katras grupas stacijām jābÅ«t izvietotām 200 km attālumā viena no otras, lai tās bÅ«tu redzamÄ«bas zonā, bet dažādās laikapstākļos.

Abas GBATS arhitektÅ«ras bija lētākas nekā kosmosa pieeja, taču tām bija arÄ« problēmas. Pirmkārt, tā kā signāliem bija jāiziet cauri Zemes atmosfērai, apgaismoto debesu dēļ uztverÅ”ana dienas laikā bÅ«tu daudz sliktāka nekā nakts uztverÅ”ana. Neskatoties uz gudro izkārtojumu, uz zemes izvietotās optiskās stacijas bÅ«s atkarÄ«gas no laikapstākļiem. Kosmosa kuÄ£im, kas mērķējis ar lāzeru uz zemes staciju, galu galā bÅ«s jāpielāgojas sliktiem laikapstākļiem un jāatjauno sakari ar citu staciju, kuru neaizsedz mākoņi.

Tomēr, neskatoties uz problēmām, DSRSS un GBATS projekti lika teorētisko pamatu dziļās kosmosa optiskajām sistēmām un mÅ«sdienu NASA inženieru attÄ«stÄ«bai. Atlika tikai izveidot Ŕādu sistēmu un demonstrēt tās veiktspēju. Par laimi, lÄ«dz tam bija tikai daži mēneÅ”i.

Projekta realizācija

LÄ«dz tam laikam jau bija notikusi optiskā datu pārraide kosmosā. Pirmais tests tika veikts 1992. gadā, kad Galileo zonde devās uz Jupiteru un pavērsa savu augstas izŔķirtspējas kameru pret Zemi, lai veiksmÄ«gi uztvertu lāzera impulsu komplektu no 60 cm Galdkalnu observatorijas teleskopa un 1,5 m USAF Starfire optiskā teleskopa. Ņūmeksikā. Tajā brÄ«dÄ« Galileo atradās 1,4 miljonu km attālumā no Zemes, taču abi lāzera stari trāpÄ«ja viņa kamerai.

Japānas un Eiropas kosmosa aÄ£entÅ«ras ir spējuÅ”as arÄ« izveidot optiskos sakarus starp zemes stacijām un satelÄ«tiem Zemes orbÄ«tā. Pēc tam viņi varēja izveidot 50 Mbps savienojumu starp diviem satelÄ«tiem. Pirms dažiem gadiem vācu komanda izveidoja 5,6 Gbps koherentu divvirzienu optisko savienojumu starp NFIRE satelÄ«tu Zemes orbÄ«tā un zemes staciju Tenerifē, Spānijā. Bet visi Å”ie gadÄ«jumi bija saistÄ«ti ar Zemes orbÄ«tu.

Pati pirmā optiskā saite, kas savieno zemes staciju un kosmosa kuÄ£i, kas atrodas orbÄ«tā ap citu Saules sistēmas planētu, tika uzstādÄ«ta 2013. gada janvārÄ«. 152 x 200 pikseļu melnbalts Mona Lisa attēls tika pārraidÄ«ts no nākamās paaudzes satelÄ«tu lāzera diapazona stacijas NASA Godārdas kosmosa lidojumu centrā uz Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) ar ātrumu 300 bps. Komunikācija bija vienvirziena. LRO no Zemes saņemto attēlu nosÅ«tÄ«ja atpakaļ, izmantojot parasto radio. Attēlam bija nepiecieÅ”ams neliels programmatÅ«ras kļūdu labojums, taču pat bez Ŕī kodējuma to bija viegli atpazÄ«t. Un tajā laikā jau bija plānota jaudÄ«gākas sistēmas palaiÅ”ana uz Mēnesi.

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
No 2013. gada Lunar Reconnaissance Orbiter projekta: lai iztÄ«rÄ«tu Zemes atmosfēras radÄ«tās pārraides kļūdas (pa kreisi), Godāras kosmosa lidojumu centra zinātnieki izmantoja RÄ«da-Zālamana kļūdu korekciju (pa labi), ko plaÅ”i izmanto kompaktdiskos un DVD. Tipiskas kļūdas ietver trÅ«kstoÅ”us pikseļus (balts) un viltus signālus (melns). Balta josla norāda uz nelielu pārraides pārtraukumu.

Ā«Mēness atmosfēras un putekļu vides pētnieksĀ» (LADEE) iegāja Mēness orbÄ«tā 6. gada 2013. oktobrÄ« un tikai nedēļu vēlāk palaida savu impulsa lāzeru datu pārraidei. Å oreiz NASA mēģināja organizēt divvirzienu sakarus ar ātrumu 20 Mb/s Å”ajā virzienā un rekordātrumu 622 Mb/s pretējā virzienā. VienÄ«gā problēma bija Ä«sais misijas darbÄ«bas laiks. Optiskā komunikācija LRO darbojās tikai dažas minÅ«tes. LADEE sazinājās ar savu lāzeru 16 stundas, kopumā 30 dienas. Å ai situācijai vajadzētu mainÄ«ties, kad tiks palaists lāzera sakaru demonstrācijas satelÄ«ts (LCRD), kas paredzēts 2019. gada jÅ«nijā. Tā uzdevums ir parādÄ«t, kā darbosies nākotnes sakaru sistēmas kosmosā.

LCRD tiek izstrādāts NASA reaktÄ«vo dzinēju laboratorijā sadarbÄ«bā ar Linkolnas laboratoriju MIT. Tam bÅ«s divi optiskie termināļi: viens saziņai zemā Zemes orbÄ«tā, otrs - dziļajā kosmosā. Pirmajam bÅ«s jāizmanto diferenciālā fāzes maiņas atslēga (DPSK). RaidÄ«tājs sÅ«tÄ«s lāzera impulsus ar frekvenci 2,88 GHz. Izmantojot Å”o tehnoloÄ£iju, katrs bits tiks kodēts pēc secÄ«gu impulsu fāzes starpÄ«bas. Tas varēs darboties ar ātrumu 2,88 Gbps, taču tas prasÄ«s daudz jaudas. Detektori spēj noteikt tikai impulsu atŔķirÄ«bas augstas enerÄ£ijas signālos, tāpēc DPSK lieliski darbojas ar tuvu zemei ā€‹ā€‹esoÅ”ajiem sakariem, taču tā nav labākā metode dziļajā kosmosā, kur enerÄ£ijas uzkrāŔana ir problemātiska. No Marsa sÅ«tÄ«ts signāls zaudēs enerÄ£iju, pirms tas sasniegs Zemi, tāpēc LCRD izmantos efektÄ«vāku tehnoloÄ£iju, impulsa fāzes modulāciju, lai demonstrētu optisko saziņu ar dziļo kosmosu.

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
NASA inženieri sagatavo LADEE testÄ“Å”anai

ZvanÄ«Å”ana dziļajā kosmosā: kā NASA paātrina starpplanētu komunikāciju
2017. gadā inženieri testēja lidojuma modemus termiskā vakuuma kamerā

"BÅ«tÄ«bā tā ir fotonu skaitÄ«Å”ana," skaidro Ābrahams. ā€“ ÄŖsais komunikācijai atvēlētais periods ir sadalÄ«ts vairākos laika segmentos. Lai iegÅ«tu datus, jums vienkārÅ”i jāpārbauda, ā€‹ā€‹vai fotoni katrā no spraugām nesaskārās ar detektoru. Šādi dati tiek kodēti FIM. Tas ir kā Morzes kods, tikai ļoti ātrā ātrumā. Vai nu noteiktā brÄ«dÄ« uzzibsnÄ«, vai arÄ« nav, un ziņa tiek kodēta zibŔņu secÄ«bā. "Lai gan tas ir daudz lēnāks nekā DPSK, mēs joprojām varam izveidot optiskos sakarus ar ātrumu desmitiem vai simtiem Mbps lÄ«dz pat Marsam," piebilst Ābrahams.

Protams, LCRD projekts nav tikai par Å”iem diviem termināļiem. Tam vajadzētu darboties arÄ« kā interneta mezglam kosmosā. Uz zemes bÅ«s trÄ«s stacijas, kas darbosies LCRD: viena White Sands Ņūmeksikā, viena Table Mountain Kalifornijā un viena Havaju salā vai Maui salā. Ideja ir pārbaudÄ«t pārslēgÅ”anos no vienas zemes stacijas uz otru sliktu laikapstākļu gadÄ«jumā kādā no stacijām. Misija pārbaudÄ«s arÄ« LCRD kā datu pārraidÄ«tāja darbÄ«bu. Optiskais signāls no vienas no stacijām nonāks satelÄ«tā un pēc tam tiks pārraidÄ«ts uz citu staciju - un tas viss, izmantojot optiskos sakarus.

Ja datus nav iespējams nekavējoties pārsÅ«tÄ«t, LCRD tos uzglabās un pārsÅ«tÄ«s, kad tas bÅ«s iespējams. Ja dati ir steidzami vai uz kuÄ£a nav pietiekami daudz vietas, LCRD tos nekavējoties nosÅ«tÄ«s, izmantojot savu Ka joslas antenu. Tātad nākotnes raidÄ«tāju satelÄ«tu priekÅ”tecis LCRD bÅ«s hibrÄ«da radiooptiskā sistēma. TieÅ”i Ŕāda vienÄ«ba NASA ir jānovieto orbÄ«tā ap Marsu, lai organizētu starpplanētu tÄ«klu, kas 2030. gados atbalstÄ«tu cilvēku izpēti dziļajā kosmosā.

Marsa pievienoÅ”ana tieÅ”saistē

Pēdējā gada laikā Ābrahama komanda ir uzrakstÄ«jusi divus rakstus, aprakstot dziļās kosmosa sakaru nākotni, kas tiks prezentēti SpaceOps konferencē Francijā 2019. gada maijā. Viens apraksta dziļās kosmosa sakarus kopumā, bet otrs (ā€œMarsa starpplanētu tÄ«kls cilvēku izpētes laikmetam - iespējamās problēmas un risinājumiā€œ) piedāvāja detalizētu aprakstu par infrastruktÅ«ru, kas spēj nodroÅ”ināt internetam lÄ«dzÄ«gu pakalpojumu astronautiem uz Sarkanās planētas.

Aplēses par maksimālo vidējo datu pārsÅ«tÄ«Å”anas ātrumu bija aptuveni 215 Mbps lejupielādei un 28 Mbps augÅ”upielādei. Marsa internets sastāvēs no trim tÄ«kliem: WiFi, kas aptvers pētniecÄ«bas zonu uz virsmas, planētu tÄ«kls, kas pārraida datus no virsmas uz Zemi, un zemes tÄ«kls, dziļā kosmosa sakaru tÄ«kls ar trim vietām, kas atbild par Å”o datu saņemÅ”anu un atbilžu nosÅ«tÄ«Å”anu. atpakaļ uz Marsu.

ā€œAttÄ«stot Ŕādu infrastruktÅ«ru, ir daudz problēmu. Tam jābÅ«t uzticamam un stabilam pat maksimālajā attālumā no Marsa 2,67 AU. augstākas saules konjunkcijas periodos, kad Marss slēpjas aiz Saules,ā€ saka Ābrahams. Šāds savienojums notiek ik pēc diviem gadiem un pilnÄ«bā pārtrauc saziņu ar Marsu. "Å odien mēs ar to nevaram tikt galā. Visas nosÄ“Å”anās un orbitālās stacijas, kas atrodas uz Marsa, vienkārÅ”i zaudē kontaktu ar Zemi uz aptuveni divām nedēļām. Izmantojot optiskos sakarus, sakaru zudums saules savienojuma dēļ bÅ«s vēl ilgāks, 10 lÄ«dz 15 nedēļas. Robotiem Ŕādas spraugas nav Ä«paÅ”i biedējoÅ”as. Šāda izolācija viņiem nesagādā problēmas, jo viņiem nav garlaicÄ«gi, viņi nepiedzÄ«vo vientulÄ«bu, viņiem nav nepiecieÅ”ams redzēt savus mīļos. Bet cilvēkiem tas tā nemaz nav.

"Tāpēc mēs teorētiski pieļaujam divu orbitālo raidÄ«tāju nodoÅ”anu ekspluatācijā, kas novietoti apļveida ekvatoriālā orbÄ«tā 17300 1500 km virs Marsa virsmas," turpina Ābrahams. Saskaņā ar pētÄ«jumu, katram no tiem vajadzētu svērt 20 kg, nēsāt termināļu komplektu, kas darbojas X joslā, Ka joslā un optiskajā joslā, un tos darbina saules paneļi ar jaudu 30-XNUMX kW. Tiem ir jāatbalsta Delay Tolerant Network Protocol ā€” bÅ«tÄ«bā TCP/IP, kas izstrādāts, lai apstrādātu lielos kavējumus, kas neizbēgami piedzÄ«vos starpplanētu tÄ«kliem. Orbitālajām stacijām, kas piedalās tÄ«klā, jāspēj sazināties ar astronautiem un transportlÄ«dzekļiem uz planētas virsmas, ar zemes stacijām un savā starpā.

"Å Ä« Ŕķērsruna ir ļoti svarÄ«ga, jo tā samazina antenu skaitu, kas nepiecieÅ”amas, lai pārraidÄ«tu datus ar ātrumu 250 Mb / s," saka Ābrahams. Viņa komanda lÄ“Å”, ka bÅ«tu nepiecieÅ”ams seÅ”u 250 metru antenu masÄ«vs, lai saņemtu 34 Mbps datus no viena no orbÄ«tā esoÅ”ajiem raidÄ«tājiem. Tas nozÄ«mē, ka NASA bÅ«s jāizbÅ«vē trÄ«s papildu antenas dziļās kosmosa sakaru vietās, taču to izveide prasa vairākus gadus un ir ārkārtÄ«gi dārga. "Taču mēs domājam, ka divas orbitālās stacijas var apmainÄ«ties ar datiem savā starpā un nosÅ«tÄ«t tos vienlaikus ar ātrumu 125 Mb / s, kur viens raidÄ«tājs nosÅ«tÄ«s vienu datu paketes pusi, bet otrs - otru," saka Ābrahams. . ArÄ« mÅ«sdienās 34 metrus dziļās kosmosa sakaru antenas var vienlaicÄ«gi saņemt datus no četriem dažādiem kosmosa kuÄ£iem vienlaikus, kā rezultātā uzdevuma veikÅ”anai ir nepiecieÅ”amas trÄ«s antenas. ā€œLai saņemtu divus 125 Mb/s pārraides no viena un tā paÅ”a debess apgabala, ir nepiecieÅ”ams tikpat daudz antenu, cik nepiecieÅ”ams vienas pārraides uztverÅ”anai,ā€ skaidro Ābrahams. "Vairāk antenu ir nepiecieÅ”ams tikai tad, ja nepiecieÅ”ams sazināties ar lielāku ātrumu."

Lai risinātu saules savienojamÄ«bas problēmu, Ābrahama komanda ierosināja palaist raidÄ«tāja satelÄ«tu uz Saules-Marsa/Saules-Zemes orbÄ«tas L4/L5 punktiem. Pēc tam savienojuma periodos to var izmantot datu pārraidÄ«Å”anai ap Sauli, nevis signālu sÅ«tÄ«Å”anai caur to. Diemžēl Å”ajā periodā ātrums samazināsies lÄ«dz 100 Kb/s. VienkārÅ”i sakot, tas darbosies, bet ir sÅ«dÄ«gi.

Pa to laiku topoÅ”ajiem astronautiem uz Marsa bÅ«s jāgaida nedaudz vairāk kā trÄ«s minÅ«tes, lai saņemtu kaķēna fotogrāfiju, neskaitot aizkavÄ“Å”anos, kas var sasniegt pat 40 minÅ«tes. Par laimi, lÄ«dz brÄ«dim, kad cilvēces ambÄ«cijas mÅ«s aizvedÄ«s vēl tālāk par Sarkano planētu, starpplanētu internets lielāko daļu laika jau darbosies diezgan labi.

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru