„Практично нема простор за подобрување во технологијата на радиофреквенции. Едноставните решенија завршуваат“
На 26 ноември 2018 година во 22:53 часот по московско време, НАСА го направи тоа повторно - сондата InSight успешно слета на површината на Марс по влегувањето во атмосферата, маневрите за спуштање и слетување, кои подоцна беа крстени како „шест и пол минути ужас. .“ Соодветен опис, бидејќи инженерите на НАСА не можеа веднаш да знаат дали вселенската сонда успешно слета на површината на планетата поради доцнење на комуникацијата од приближно 8,1 минути помеѓу Земјата и Марс. За време на овој прозорец, InSight не можеше да се потпре на своите помодерни и помоќни антени - сè зависеше од старомодните UHF комуникации (метод долго време користен во сè, од емитувана телевизија и воки-токи до уреди со Bluetooh).
Како резултат на тоа, критичните податоци за статусот на InSight беа пренесени на радио бранови со фреквенција од 401,586 MHz до два сателити -, WALL-E и EVE, кои потоа пренесувале податоци со брзина од 8 Kbps до 70-метарски антени лоцирани на Земјата. Кубетите беа лансирани на истата ракета како и InSight, и тие ја придружуваа на неговото патување до Марс за да го набљудуваат слетувањето и веднаш да ги пренесат податоците дома. Други орбитери на Марс, на пр. (MRS), беа во непријатна положба и на почетокот не можеа да разменуваат пораки со лендерот во реално време. Да не кажам дека целото слетување зависело од два експериментални CubeSats секој со големина на куфер, но MRS ќе може да пренесува податоци од InSight само по уште подолго чекање.
Слетувањето InSight всушност ја тестираше целата комуникациска архитектура на НАСА, мрежата на Марс. Сигналот на лендерот InSight пренесен до сателитите кои орбитираат сепак би стигнал до Земјата, дури и ако сателитите откажале. WALL-E и EVE требаше да пренесат информации веднаш, и тие го направија тоа. Ако овие CubeSats не работеа поради некоја причина, MRS беше подготвена да ја игра нивната улога. Секој од нив функционираше како јазол на мрежа слична на Интернет, рутирајќи ги пакетите со податоци преку различни терминали кои се состојат од различна опрема. Денес, најефективниот од нив е MRS, способен да пренесува податоци со брзина до 6 Mbit/s (а ова е моменталниот рекорд за меѓупланетарни мисии). Но, НАСА мораше да работи со многу помали брзини во минатото - и ќе ѝ треба многу побрз пренос на податоци во иднина.
Исто како и вашиот давател на интернет услуги, НАСА им дозволува на интернет корисниците комуникација со вселенски бродови во реално време.
Длабоко вселенска комуникациска мрежа
Како што се зголемуваше присуството на НАСА во вселената, постојано се појавуваа подобрени комуникациски системи за покривање на сè повеќе простор: прво во ниската орбита на Земјата, потоа во геосинхроната орбита и Месечината, а наскоро и комуникациите отидоа подлабоко во вселената. Сè започна со груб пренослив радио приемник кој се користеше за примање телеметрија од Explorer 1, првиот сателит успешно лансиран од Американците во 1958 година, во американските воени бази во Нигерија, Сингапур и Калифорнија. Полека, но сигурно, оваа основа еволуираше во денешните напредни системи за пораки.
Даглас Абрахам, шеф на Одделот за стратешко и системско предвидување во Дирекцијата за меѓупланетарна мрежа на НАСА, истакнува три независно развиени мрежи за пренос на пораки во вселената. Мрежата блиску до Земјата работи со вселенски летала во ниска орбита на Земјата. „Тоа е збирка антени, главно од 9 до 12 метри. Има неколку поголеми, од 15 до 18 метри“, вели Абрахам. Потоа, над геосинхроната орбита на Земјата, има неколку сателити за следење и пренос на податоци (TDRS). „Тие можат да гледаат надолу кон сателитите во ниската орбита на Земјата и да комуницираат со нив, а потоа да ја пренесат оваа информација преку TDRS на земјата“, објаснува Абрахам. „Овој сателитски систем за пренос на податоци се нарекува вселенска мрежа на НАСА“.
Но, дури и TDRS не беше доволен за да комуницира со вселенското летало, кое отиде многу подалеку од орбитата на Месечината, на други планети. „Па моравме да создадеме мрежа што го покрива целиот Сончев систем. И ова е мрежата на длабоката вселена [DSN], вели Абрахам. Мрежата на Марс е продолжение .
Со оглед на неговата должина и распоред, DSN е најкомплексниот од наведените системи. Во суштина, ова е збир на големи антени, со дијаметар од 34 до 70 m. Секоја од трите локации на DSN работи со неколку антени од 34 метри и една антена од 70 метри. Една локација се наоѓа во Голдстон (Калифорнија), друга во близина на Мадрид (Шпанија), а третата во Канбера (Австралија). Овие локации се наоѓаат на приближно 120 степени оддалеченост низ целиот свет и обезбедуваат XNUMX-часовна покриеност на сите вселенски летала надвор од геосинхроната орбита.
Антените од 34 метри се главната опрема на DSN, а има два вида: стари антени со висока ефикасност и релативно нови брановидни антени. Разликата е во тоа што антената со водечки бранови има пет прецизни RF огледала кои ги рефлектираат сигналите низ цевката до подземната контролна просторија, каде што електрониката што ги анализира тие сигнали е подобро заштитена од сите извори на пречки. Антените од 34 метри, кои работат поединечно или во групи од 2-3 садови, можат да обезбедат најголем дел од комуникациите што ѝ се потребни на НАСА. Но, за посебни случаи кога растојанијата стануваат преголеми за дури и повеќе антени од 34 метри, DSN контролата користи чудовишта од 70 метри.
„Тие играат важна улога во неколку апликации“, вели Абрахам за големите антени. Првиот е кога леталото е толку далеку од Земјата што ќе биде невозможно да се воспостави комуникација со него со помош на помала чинија. „Добри примери би биле мисијата Нови хоризонти, која веќе летала многу подалеку од Плутон, или вселенското летало Војаџер, кое се наоѓа надвор од Сончевиот систем. Само антени од 70 метри можат да навлезат во нив и да ги достават своите податоци на Земјата“, објаснува Абрахам.
Садовите од 70 метри се користат и кога леталото не може да работи со антената за засилување, или поради планирана критична ситуација како што е влезот во орбиталата, или поради тоа што нешто тргне ужасно наопаку. Антената од 70 метри, на пример, беше искористена за безбедно враќање на Аполо 13 на Земјата. Таа, исто така, ја усвои познатата реплика на Нил Армстронг, „Еден мал чекор за маж, еден џиновски чекор за човештвото“. И дури и денес, DSN останува најнапредниот и најчувствителен комуникациски систем во светот. „Но, поради многу причини тој веќе ја достигна својата граница“, предупредува Авраам. – Практично нема каде да се подобри технологијата што работи на радиофреквенции. Едноставните решенија се при крај“.
Три копнени станици на растојание од 120 степени
DSN плочи во Канбера
Комплекс DSN во Мадрид
DSN во Голдстоун
Контролна соба во Лабораторијата за млазен погон
Радио и што ќе се случи после него
Оваа приказна не е нова. Историјата на комуникациите во длабоката вселена се состои од постојана борба за зголемување на фреквенциите и скратување на брановите должини. Explorer 1 користеше фреквенции од 108 MHz. НАСА потоа воведе поголеми антени со подобро засилување кои поддржуваа фреквенции во L-појасот, од 1 до 2 GHz. Потоа на ред дојде S-бендот, со фреквенции од 2 до 4 GHz, а потоа агенцијата премина на X-band, со фреквенции од 7-11,2 GHz.
Денес, вселенските комуникациски системи повторно претрпуваат промени - тие сега се движат кон опсегот од 26-40 GHz, Ка-бенд. „Причината за овој тренд е што колку се пократки брановите должини и повисоките фреквенции, толку побрзо може да се постигнат стапките на пренос на податоци“, вели Абрахам.
Има причини за оптимизам, имајќи предвид дека историски темпото на комуникациите во НАСА е прилично брзо. Истражувачкиот труд од 2014 година од Лабораторијата за млазен погон ги дава следните податоци за пропусната моќ за споредба: Ако ги користевме комуникациските технологии на Explorer 1 за да пренесеме типична фотографија на iPhone од Јупитер на Земјата, ќе биде потребно 460 пати подолго од сегашната возраст на Универзумот. За Pioneers 2 и 4 од 1960-тите, би биле потребни 633 години. Маринер 000 од 9 година би го направил тоа за 1971 часа. Денес ќе бидат потребни три минути за MRS.
Единствениот проблем, се разбира, е што количината на податоци што ги добива вселенското летало расте исто толку брзо како, ако не и побрзо од растот на неговите преносни способности. Во текот на 40-годишното работење, Војаџерс 1 и 2 произвеле 5 ТБ информации. Сателитот NISAR Earth Science, планиран за лансирање во 2020 година, ќе произведува 85 TB податоци месечно. И ако сателитите на Земјата се сосема способни за ова, преносот на таков обем на податоци помеѓу планетите е сосема друга приказна. Дури и релативно брз MRS ќе пренесува 85 TB податоци на Земјата во текот на 20 години.
„Очекуваните стапки на податоци за истражување на Марс кон крајот на 2020-тите и почетокот на 2030-тите ќе бидат 150 Mbps или повисоки, па ајде да направиме математика“, вели Абрахам. – Ако вселенското летало од класата МРС на максимално растојание од нас до Марс може да испрати приближно 1 Mbit/s до 70-метарска антена на Земјата, тогаш за да се организира комуникација со брзина од 150 Mbit/s низа од 150 70 метри ќе бидат потребни антени. Да, се разбира, можеме да смислиме паметни начини за малку да ја намалиме оваа апсурдна сума, но проблемот очигледно постои: организирањето меѓупланетарни комуникации со брзина од 150 Mbps е исклучително тешко. Дополнително, снемаме дозволени фреквенции“.
Како што покажува Абрахам, оперирајќи во S-band или X-band, една мисија од 25 Mbps ќе го окупира целиот достапен спектар. Има повеќе простор во Ка-бендот, но само два сателити на Марс со пропусната моќ од 150 Mbit/s ќе го окупираат целиот спектар. Едноставно кажано, меѓупланетарниот интернет ќе бара повеќе од само радија за работа - тој ќе се потпира на ласери.
Појавата на оптички комуникации
Ласерите звучат футуристички, но идејата за оптичка комуникација може да се проследи наназад до патент поднесен од Александар Греам Бел во 1880-тите. Бел развил систем во кој сончевата светлина, фокусирана на многу тесен зрак, била насочена кон рефлектирачка дијафрагма која била вибрирана од звуци. Вибрациите предизвикаа варијации во светлината што минува низ објективот во суровиот фотодетектор. Промените во отпорот на фотодетекторот ја променија струјата што минува низ телефонот.
Системот беше нестабилен, гласноста беше многу мала и Бел на крајот се откажа од идејата. Но, речиси 100 години подоцна, вооружени со ласери и оптички влакна, инженерите на НАСА се вратија на овој стар концепт.
„Ги знаевме ограничувањата на радиофреквентните системи, така што во JPL кон крајот на 1970-тите, раните 1980-ти, почнавме да разговараме за можноста за пренос на пораки од длабоката вселена користејќи вселенски ласери“, рече Абрахам. За подобро да разбере што е, а што не е возможно во оптичките комуникации во длабоката вселена, лабораторијата лансираше четиригодишна студија за сателитски систем за релеј во длабоката вселена (DSRSS) кон крајот на 1980-тите. Студијата мораше да одговори на критичните прашања: што е со временските проблеми и видливоста (на крајот на краиштата, радио брановите лесно можат да поминат низ облаците, додека ласерите не)? Што ако аголот на сондата Сонце-Земја стане премногу акутен? Може ли детектор на Земјата да разликува слаб оптички сигнал од сончева светлина? И конечно, колку ќе чини сето ова и дали вреди? „Сè уште бараме одговори на овие прашања“, признава Абрахам. „Сепак, одговорите сè повеќе ја поддржуваат можноста за оптички пренос на податоци“.
DSRSS сугерираше дека точка лоцирана над Земјината атмосфера ќе биде најпогодна за оптички и радио комуникации. Беше наведено дека оптичкиот комуникациски систем инсталиран на орбиталната станица ќе функционира подобро од која било архитектура на земја, вклучувајќи ги и иконите 70-метарски антени. Во ниската орбита на Земјата, беше планирано да се распореди сад од 10 метри, а потоа да се подигне до геосинхрони. Сепак, цената на таквиот систем - составен од сателит со чинија, лансирање и пет кориснички терминали - беше огромна. Згора на тоа, студијата не ги вклучила ни трошоците за потребниот помошен систем што би стапил во функција во случај на дефект на сателитот.
За овој систем, Лабораторијата почна да ја разгледува архитектурата на земјата опишана во извештајот на Лабораториската студија за напредна технологија базирана на земја (GBATS), спроведена приближно во исто време со DRSS. Луѓето кои работат на GBATS излегоа со два алтернативни предлози. Првата е инсталирање на шест станици со антени од 10 метри и резервни антени долги метри кои се наоѓаат на растојание од 60 степени по целиот екватор. Станиците требаше да бидат изградени на планински врвови, каде што времето беше ведро најмалку 66% од деновите во годината. Така, 2-3 станици секогаш ќе бидат видливи за секое вселенско летало и тие ќе имаат различно време. Втората опција е девет станици, групирани во групи од по три и лоцирани на 120 степени една од друга. Станиците во секоја група требаше да бидат лоцирани на 200 km една од друга, така што тие беа во директна видливост, но во различни временски ќелии.
И двете GBATS архитектури беа поевтини од вселенскиот пристап, но имаа и проблеми. Прво, бидејќи сигналите мораа да патуваат низ атмосферата на Земјата, дневниот прием би бил многу полош од ноќниот прием поради осветленото небо. И покрај паметниот распоред, оптичките копнени станици ќе зависат од временските услови. Вселенското летало кое насочува ласер кон копнена станица на крајот ќе мора да се прилагоди на лошите временски услови и повторно да воспостави комуникација со друга станица што не е заматена од облаци.
Сепак, без оглед на проблемите, проектите DSRSS и GBATS ја поставија теоретската основа за оптичките системи за комуникации во длабоката вселена и современиот развој на инженерите во НАСА. Остануваше само да се изгради таков систем и да се демонстрираат неговите перформанси. За среќа, ова беше само неколку месеци.
Имплементација на проектот
Во тоа време, оптичкиот пренос на податоци во вселената веќе беше извршен. Првиот експеримент беше изведен во 1992 година, кога сондата Галилео се движеше кон Јупитер и ја сврте својата камера со висока резолуција кон Земјата за успешно да прими сет ласерски импулси испратени од телескопот од 60 сантиметри во опсерваторијата на планината Табела и од 1,5 м. Опсег на оптички телескоп на USAF Starfire во Ново Мексико. Во овој момент, Галилео беше на 1,4 милиони километри од Земјата, но двата ласерски зраци ја погодија неговата камера.
Јапонските и европските вселенски агенции, исто така, успеаја да воспостават оптичка комуникација помеѓу копнените станици и сателитите во орбитата на Земјата. Тие тогаш можеа да воспостават врска од 50 Mbps помеѓу двата сателити. Пред неколку години, германски тим воспостави кохерентна оптичка двонасочна врска од 5,6 Gbps помеѓу сателитот NFIRE во орбитата на Земјата и земната станица во Тенерифе, Шпанија. Но, сите овие случаи беа поврзани со ниската орбита на Земјата.
Првата оптичка врска што поврзува копнена станица и вселенско летало во орбитата во близина на друга планета во Сончевиот систем е воспоставена во јануари 2013 година. Црно-белата слика од 152 x 200 пиксели на Мона Лиза беше пренесена од следната генерација на сателитски ласерски дострел во Центарот за вселенски летови на НАСА Годард до Месечевата извидничка орбитарка (LRO) со брзина од 300 bps. Комуникацијата беше еднонасочна. ЛРО ја испрати сликата што ја доби од Земјата преку редовни радио комуникации. На сликата и требаше малку корекција на софтверска грешка, но дури и без ова кодирање беше лесно да се препознае. И во тоа време веќе беше планирано лансирање на помоќен систем на Месечината.
Од проектот Lunar Reconnaissance Orbiter од 2013 година: За да се исчистат информациите од грешките во преносот воведени од атмосферата на Земјата (лево), научниците од Центарот за вселенски летови Годард користеа корекција на грешката Рид-Соломон (десно), која е широко користена во ЦД-а и ДВД-а. Вообичаените грешки вклучуваат пиксели кои недостасуваат (бели) и лажни сигнали (црни). Белата лента означува кратка пауза во преносот.
«(LADEE) влезе во орбитата на Месечината на 6 октомври 2013 година, а само една недела подоцна го лансираше својот импулсен ласер за пренос на податоци. Овој пат НАСА се обиде да организира двонасочна комуникација со брзина од 20 Mbit/s во другата насока и рекордна брзина од 622 Mbit/s во другата насока. Единствениот проблем беше краткиот животен век на мисијата. Оптичките комуникации на LRO работеа само неколку минути одеднаш. LADEE разменувал податоци со неговиот ласер 16 часа во текот на 30 дена. Оваа ситуација треба да се промени со лансирањето на сателитот Laser Communications Demonstration (LCRD), закажано за јуни 2019 година. Неговата мисија е да покаже како ќе функционираат идните комуникациски системи во вселената.
LCRD се развива во лабораторијата за млазен погон на НАСА во соработка со Лабораторијата Линколн на МИТ. Ќе има два оптички терминали: едниот за комуникации во ниската орбита на Земјата, другиот за длабоката вселена. Првиот ќе мора да користи Differential Phase Shift Keying (DPSK). Предавателот ќе испраќа ласерски импулси на фреквенција од 2,88 GHz. Користејќи ја оваа технологија, секој бит ќе биде кодиран со фазната разлика на последователните импулси. Ќе може да работи со брзина од 2,88 Gbps, но за тоа ќе треба многу енергија. Детекторите можат да детектираат само пулсни разлики во сигналите со висока енергија, така што DPSK работи одлично за комуникации блиску до Земјата, но тоа не е најдобриот метод за длабока вселена, каде што складирањето енергија е проблематично. Сигналот испратен од Марс ќе изгуби енергија додека да стигне до Земјата, така што LCRD ќе користи поефикасна технологија наречена пулсна фаза модулација за да демонстрира оптичка комуникација со длабокиот простор.
Инженерите на НАСА го подготвуваат LADEE за тестирање
Во 2017 година, инженерите тестираа модеми за летање во термална вакуумска комора
„Во суштина се брои фотоните“, објаснува Абрахам. – Краткиот период наменет за комуникација е поделен на неколку временски периоди. За да добиете податоци, едноставно треба да проверите дали фотоните се судриле со детекторот во секој интервал. Вака се кодираат податоците во FIM“. Тоа е како Морзеова шифра, но со супер-брза брзина. Или има блиц во одреден момент или нема, а пораката е кодирана со низа трепкања. „Иако ова е многу побавно од DPSK, сепак можеме да обезбедиме десетици или стотици Mbps оптичка комуникација од далеку како Марс“, додава Абрахам.
Се разбира, проектот LCRD не се само овие два терминали. Треба да функционира и како интернет центар во вселената. На теренот, три станици ќе работат со LCRD: една на White Sands во Ново Мексико, една на Table Mountain во Калифорнија и една на островот Хаваи или Мауи. Идејата е да се тестира префрлањето од една на друга копнена станица доколку на една од станиците се појави лошо време. Мисијата ќе ги тестира и перформансите на LCRD како предавател на податоци. Оптички сигнал од една од станиците ќе биде испратен до сателит, а потоа ќе се пренесе на друга станица - сето тоа преку оптичка врска.
Доколку податоците не можат веднаш да се пренесат, LCRD ќе ги складира и ќе ги пренесе кога ќе се укаже можност. Ако податоците се итни или нема доволно простор во складиштето на одборот, LCRD ќе ги испрати веднаш преку својата антена на Ka-band. Значи, претходник на идните сателити со предаватели, LCRD ќе биде хибриден радио-оптички систем. Токму таква единица треба да постави НАСА во орбитата околу Марс за да воспостави меѓупланетарна мрежа која ќе го поддржи човечкото истражување на длабоката вселена во 2030-тите.
Донесување на Марс онлајн
Во текот на изминатата година, тимот на Абрахам напиша два труда кои ја опишуваат иднината на комуникациите во длабоката вселена, кои ќе бидат претставени на конференцијата SpaceOps во Франција во мај 2019 година. Едниот ги опишува комуникациите во длабоката вселена воопшто, другиот (“„) нуди детален опис на инфраструктурата способна да обезбеди услуга слична на Интернет за астронаутите на Црвената планета.
Проценките за максималната просечна брзина на пренос на податоци беа околу 215 Mbit/s за преземање и 28 Mbit/s за прикачување. Интернетот на Марс ќе се состои од три мрежи: WiFi што ја покрива областа за истражување на површината, планетарна мрежа која пренесува податоци од површината на Земјата и Земјината мрежа, комуникациска мрежа за длабока вселена со три локации одговорни за примање на овие податоци и испраќање одговори назад до Марс.
„При развивање на таква инфраструктура, има многу проблеми. Мора да биде сигурен и стабилен, дури и на максимално растојание до Марс од 2,67 АЕ. за време на периоди на сончева супериорна спојка, кога Марс се крие зад Сонцето“, вели Абрахам. Таквата спојка се случува на секои две години и целосно ја нарушува комуникацијата со Марс. „Денес не можеме да се справиме со ова. Сите станици за слетување и орбитали кои се на Марс едноставно губат контакт со Земјата околу две недели. Со оптичките комуникации, загубите во комуникацијата поради соларното поврзување ќе бидат уште подолги, 10 до 15 недели. За роботите, таквите празнини не се особено страшни. Таквата изолација не им прави проблеми, бидејќи не им е здодевно, не доживуваат осаменост и немаат потреба да се гледаат со своите сакани. Но, за луѓето тоа е сосема поинаку.
„Затоа, теоретски дозволуваме пуштање во работа на два орбитални предаватели сместени во кружна екваторијална орбита на 17300 km над површината на Марс“, продолжува Абрахам. Според студијата, тие треба да тежат по 1500 кг, а на бродот да имаат комплет терминали кои работат во опсегот X, Ka-бенд и оптичкиот опсег и да се напојуваат од соларни панели со моќност од 20-30 kW. Тие мора да го поддржуваат мрежниот протокол за толеранција на доцнење - во суштина TCP/IP, дизајниран да се справи со долгите доцнења што неизбежно ќе се појават во меѓупланетарните мрежи. Орбиталните станици кои учествуваат во мрежата мора да бидат способни да комуницираат со астронаутите и возилата на површината на планетата, со копнените станици и едни со други.
„Ова вкрстено спојување е многу важно бидејќи го намалува бројот на антени потребни за пренос на податоци со брзина од 250 Mbps“, вели Абрахам. Неговиот тим проценува дека ќе биде потребна низа од шест антени од 250 метри за да се добијат податоци од 34 Mbps од еден од орбиталните предаватели. Ова значи дека НАСА ќе треба да изгради три дополнителни антени на местата за комуникација во длабоката вселена, но тие се потребни со години за да се изградат и се екстремно скапи. „Но, мислиме дека две орбитални станици би можеле да ги споделат податоците и да ги испратат истовремено со 125 Mbps, при што едниот предавател испраќа половина од пакетот податоци, а другиот го испраќа другиот“, вели Абрахам. Дури и денес, антените за комуникации во вселената од 34 метри можат истовремено да примаат податоци од четири различни вселенски летала одеднаш, што резултира со потреба од три антени за да се заврши задачата. „Примањето два преноси од 125 Mbps од иста област на небото бара ист број на антени како и примањето на еден пренос“, објаснува Абрахам. „Потребни се повеќе антени само ако треба да комуницирате со поголема брзина“.
За да се справи со проблемот со соларната врска, тимот на Абрахам предложи лансирање на сателит предавател до точките L4/L5 на орбитата Сонце-Марс/Сонце-Земја. Потоа, за време на периодите на поврзување, може да се користи за пренос на податоци околу Сонцето, наместо да испраќа сигнали преку него. За жал, во овој период брзината ќе падне на 100 Kbps. Едноставно кажано, ќе работи, но тоа е смрдено.
Во меѓувреме, идните астронаути на Марс ќе треба да чекаат нешто повеќе од три минути за да добијат фотографија од мачето, не сметајќи ги доцнењата кои би можеле да бидат и до 40 минути. За среќа, пред амбициите на човештвото да не одведат уште подалеку од Црвената планета, меѓупланетарниот интернет веќе ќе работи добро поголемиот дел од времето.
Извор: www.habr.com