खोल अंतराळात कॉल करा: NASA इंटरप्लॅनेटरी कम्युनिकेशन्सचा वेग कसा वाढवत आहे

“रेडिओ फ्रिक्वेन्सी तंत्रज्ञानामध्ये सुधारणा करण्यास व्यावहारिकदृष्ट्या जागा नाही. साधे उपाय संपतात"

26 नोव्हेंबर 2018 रोजी मॉस्को वेळेनुसार 22:53 वाजता, नासाने ते पुन्हा केले - इनसाइट प्रोब वातावरणात प्रवेश केल्यानंतर मंगळाच्या पृष्ठभागावर यशस्वीरित्या उतरले, उतरणे आणि लँडिंग मॅन्युव्हर्स, ज्याचा नंतर "साडे सहा मिनिटांचा भयपट" म्हणून बाप्तिस्मा झाला. .” एक योग्य वर्णन, कारण पृथ्वी आणि मंगळ यांच्यात सुमारे 8,1 मिनिटांच्या संप्रेषणाच्या विलंबामुळे स्पेस प्रोब ग्रहाच्या पृष्ठभागावर यशस्वीरित्या उतरले आहे की नाही हे नासाच्या अभियंत्यांना लगेच कळू शकले नाही. या विंडोदरम्यान, इनसाइट त्याच्या अधिक आधुनिक आणि शक्तिशाली अँटेनावर अवलंबून राहू शकत नाही - सर्व काही जुन्या पद्धतीच्या UHF संप्रेषणांवर अवलंबून असते (ब्रॉडकास्ट टेलिव्हिजन आणि वॉकी-टॉकीपासून ते ब्लूटूह उपकरणांपर्यंत सर्व गोष्टींमध्ये वापरलेली पद्धत).

परिणामी, इनसाइटच्या स्थितीवरील गंभीर डेटा रेडिओ लहरींवर 401,586 मेगाहर्ट्झच्या वारंवारतेसह दोन उपग्रहांवर प्रसारित केला गेला -क्यूबसॅट, WALL-E आणि EVE, ज्याने नंतर पृथ्वीवर स्थित 8-मीटर अँटेना 70 Kbps वर डेटा प्रसारित केला. इनसाइट सारख्याच रॉकेटवर क्यूबसॅट्स लाँच करण्यात आले होते आणि ते मंगळाच्या प्रवासात लँडिंगचे निरीक्षण करण्यासाठी आणि त्वरित डेटा घरी पाठवण्यासाठी सोबत होते. इतर मंगळ परिक्रमा, उदा. मंगळ टोही उपग्रह (MRS), एक अस्ताव्यस्त स्थितीत होते आणि रिअल टाइममध्ये लँडरसह प्रथम संदेशांची देवाणघेवाण करू शकत नव्हते. असे म्हणायचे नाही की संपूर्ण लँडिंग दोन प्रायोगिक क्यूबसॅट्सवर प्रत्येकी सूटकेसच्या आकारावर अवलंबून होती, परंतु MRS अधिक प्रतीक्षा केल्यानंतर केवळ इनसाइटवरून डेटा प्रसारित करण्यास सक्षम असेल.

इनसाइट लँडिंगने प्रत्यक्षात नासाच्या संपूर्ण कम्युनिकेशन आर्किटेक्चरची, मार्स नेटवर्कची चाचणी केली. परिभ्रमण उपग्रहांना प्रसारित केलेले इनसाइट लँडरचे सिग्नल पृथ्वीवर कसेही पोहोचले असते, जरी उपग्रह अयशस्वी झाले असते. WALL-E आणि EVE ला माहिती त्वरित प्रसारित करणे आवश्यक होते आणि त्यांनी ते केले. जर या क्यूबसॅट्सने काही कारणास्तव काम केले नसते तर MRS त्यांची भूमिका बजावण्यास तयार होते. प्रत्येक इंटरनेट सारख्या नेटवर्कवर एक नोड म्हणून ऑपरेट केले, भिन्न उपकरणे असलेल्या वेगवेगळ्या टर्मिनल्सद्वारे डेटा पॅकेट्स राउटिंग केले. आज, त्यापैकी सर्वात प्रभावी MRS आहे, जे 6 Mbit/s पर्यंतच्या वेगाने डेटा प्रसारित करण्यास सक्षम आहे (आणि आंतरग्रहीय मोहिमांचा हा सध्याचा रेकॉर्ड आहे). पण NASA ला भूतकाळात खूप कमी वेगाने काम करावे लागले होते - आणि भविष्यात खूप वेगवान डेटा ट्रान्सफरची आवश्यकता असेल.

तुमच्या इंटरनेट सेवा प्रदात्याप्रमाणेच, नासा इंटरनेट वापरकर्त्यांना परवानगी देतो पहा रिअल टाइममध्ये स्पेसशिपशी संवाद.

डीप स्पेस कम्युनिकेशन नेटवर्क

अंतराळात NASA ची उपस्थिती वाढत असताना, अधिकाधिक जागा कव्हर करण्यासाठी सुधारित संप्रेषण प्रणाली सतत उदयास आली: प्रथम पृथ्वीच्या कमी कक्षेत, नंतर भू-समकालिक कक्षेत आणि चंद्रामध्ये आणि लवकरच संप्रेषणे अंतराळात खोलवर गेली. हे सर्व एका क्रूड पोर्टेबल रेडिओ रिसीव्हरसह सुरू झाले ज्याचा वापर एक्सप्लोरर 1 कडून टेलीमेट्री प्राप्त करण्यासाठी केला गेला, 1958 मध्ये अमेरिकन लोकांनी नायजेरिया, सिंगापूर आणि कॅलिफोर्निया येथील लष्करी तळांवर यशस्वीरित्या प्रक्षेपित केलेला पहिला उपग्रह. हळुहळू पण निश्चितपणे, हा आधार आजच्या प्रगत संदेशन प्रणालींमध्ये विकसित झाला.

डग्लस अब्राहम, NASA च्या इंटरप्लॅनेटरी नेटवर्क डायरेक्टरेटमधील स्ट्रॅटेजिक आणि सिस्टम्स फोरसाइट डिव्हिजनचे प्रमुख, अंतराळात संदेश प्रसारित करण्यासाठी तीन स्वतंत्रपणे विकसित नेटवर्क हायलाइट करतात. निअर अर्थ नेटवर्क कमी पृथ्वीच्या कक्षेत अवकाशयानासह कार्य करते. "हा अँटेनाचा संग्रह आहे, बहुतेक 9 ते 12 मीटर. त्यात काही मोठे आहेत, 15 ते 18 मीटर," अब्राहम म्हणतात. त्यानंतर, पृथ्वीच्या जिओसिंक्रोनस कक्षाच्या वर, अनेक ट्रॅकिंग आणि डेटा रिले उपग्रह (TDRS) आहेत. "ते कमी पृथ्वीच्या कक्षेतील उपग्रहांकडे पाहू शकतात आणि त्यांच्याशी संवाद साधू शकतात आणि नंतर ही माहिती TDRS द्वारे जमिनीवर प्रसारित करू शकतात," अब्राहम स्पष्ट करतात. "या उपग्रह डेटा ट्रान्समिशन सिस्टमला नासा स्पेस नेटवर्क म्हणतात."

परंतु चंद्राच्या कक्षेच्या पलीकडे जाऊन इतर ग्रहांशी संपर्क साधण्यासाठी TDRS देखील पुरेसे नव्हते. “म्हणून आम्हाला संपूर्ण सौरमाला कव्हर करणारे नेटवर्क तयार करावे लागले. आणि हे डीप स्पेस नेटवर्क [DSN] आहे, अब्राहम म्हणतात. मार्स नेटवर्क एक विस्तार आहे डीएसएन.

त्याची लांबी आणि मांडणी पाहता, DSN सूचीबद्ध प्रणालींपैकी सर्वात जटिल आहे. मूलत:, हा 34 ते 70 मीटर व्यासाचा मोठ्या अँटेनाचा संच आहे. तीनपैकी प्रत्येक DSN साइट अनेक 34-मीटर अँटेना आणि एक 70-मीटर अँटेना चालवते. एक साइट गोल्डस्टोन (कॅलिफोर्निया), दुसरी माद्रिद (स्पेन) जवळ आणि तिसरी कॅनबेरा (ऑस्ट्रेलिया) येथे आहे. या साइट्स जगभरात सुमारे 120 अंशांच्या अंतरावर आहेत आणि भू-समकालिक कक्षेच्या बाहेरील सर्व अंतराळ यानाला XNUMX-तास कव्हरेज प्रदान करतात.

34-मीटर अँटेना ही DSN चे मुख्य उपकरणे आहेत आणि दोन प्रकार आहेत: जुने उच्च कार्यक्षम अँटेना आणि तुलनेने नवीन वेव्हगाइड अँटेना. फरक असा आहे की मार्गदर्शक वेव्ह अँटेनामध्ये पाच अचूक RF मिरर असतात जे पाईपच्या खाली भूमिगत नियंत्रण कक्षाकडे सिग्नल प्रतिबिंबित करतात, जेथे त्या सिग्नलचे विश्लेषण करणारे इलेक्ट्रॉनिक्स हस्तक्षेपाच्या सर्व स्रोतांपासून अधिक चांगले संरक्षित असतात. 34-मीटरचे अँटेना, वैयक्तिकरित्या किंवा 2-3 डिशच्या गटात कार्यरत, नासाला आवश्यक असलेले बहुतेक संप्रेषण प्रदान करू शकतात. परंतु विशेष प्रकरणांसाठी जेव्हा अंतर एकापेक्षा जास्त 34-मीटर अँटेनासाठी खूप लांब होते, तेव्हा DSN नियंत्रण 70-मीटर मॉन्स्टर वापरते.

“ते अनेक ऍप्लिकेशन्समध्ये महत्त्वाची भूमिका बजावतात,” अब्राहम मोठ्या अँटेनाबद्दल सांगतात. पहिले म्हणजे जेव्हा अंतराळयान पृथ्वीपासून इतके दूर असेल की लहान डिश वापरून त्याच्याशी संवाद स्थापित करणे अशक्य होईल. “नवीन होरायझन्स मिशन ही चांगली उदाहरणे असतील, जी आधीच प्लुटोपेक्षा खूप पुढे गेली आहे किंवा व्हॉयेजर स्पेसक्राफ्ट, जे सौर यंत्रणेच्या बाहेर आहे. फक्त 70-मीटरचे अँटेना त्यांच्यात प्रवेश करू शकतात आणि त्यांचा डेटा पृथ्वीवर पोहोचवू शकतात,” अब्राहम स्पष्ट करतात.

जेव्हा अवकाशयान बूस्टिंग अँटेना ऑपरेट करू शकत नाही तेव्हा 70-मीटरच्या डिशचा वापर केला जातो, एकतर ऑर्बिटल एंट्रीसारख्या नियोजित गंभीर परिस्थितीमुळे किंवा काहीतरी भयंकर चुकीचे झाल्यामुळे. 70-मीटर अँटेना, उदाहरणार्थ, अपोलो 13 पृथ्वीवर सुरक्षितपणे परत करण्यासाठी वापरला गेला. तिने नील आर्मस्ट्राँगची प्रसिद्ध ओळ देखील स्वीकारली, "एखाद्या माणसासाठी एक लहान पाऊल, मानवजातीसाठी एक मोठे पाऊल." आणि आजही, DSN ही जगातील सर्वात प्रगत आणि संवेदनशील संप्रेषण प्रणाली आहे. “पण बर्‍याच कारणांमुळे ते आधीच मर्यादेपर्यंत पोहोचले आहे,” अब्राहम चेतावणी देतो. - रेडिओ फ्रिक्वेन्सीवर चालणारे तंत्रज्ञान सुधारण्यासाठी व्यावहारिकदृष्ट्या कोठेही नाही. साधे उपाय संपले आहेत."

120 अंश अंतरावर तीन ग्राउंड स्टेशन

कॅनबेरा मध्ये DSN प्लेट्स

माद्रिदमधील DSN कॉम्प्लेक्स

गोल्डस्टोन मध्ये DSN

जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाळेतील नियंत्रण कक्ष

रेडिओ आणि त्यानंतर काय होईल

ही कथा नवीन नाही. खोल अंतराळ संप्रेषणाचा इतिहास फ्रिक्वेन्सी वाढवण्यासाठी आणि तरंगलांबी कमी करण्यासाठी सतत संघर्ष करत असतो. एक्सप्लोरर 1 ने 108 मेगाहर्ट्झ फ्रिक्वेन्सी वापरली. नंतर NASA ने L-band, 1 ते 2 GHz मधील फ्रिक्वेन्सीला सपोर्ट करणारे मोठे, अधिक चांगले-प्राप्त करणारे अँटेना सादर केले. मग 2 ते 4 गीगाहर्ट्झच्या फ्रिक्वेन्सीसह एस-बँडची पाळी आली आणि नंतर एजन्सी 7-11,2 गीगाहर्ट्झच्या फ्रिक्वेन्सीसह एक्स-बँडवर स्विच केली.

आज, स्पेस कम्युनिकेशन सिस्टममध्ये पुन्हा बदल होत आहेत - ते आता 26-40 GHz श्रेणी, Ka-band वर ​​जात आहेत. अब्राहम म्हणतात, “या प्रवृत्तीचे कारण म्हणजे तरंगलांबी जितकी कमी आणि फ्रिक्वेन्सी जितकी जास्त तितक्या वेगाने डेटा ट्रान्सफर रेट साध्य करता येईल.

आशावादाची कारणे आहेत, कारण ऐतिहासिकदृष्ट्या NASA मधील संप्रेषणाची गती खूपच वेगवान आहे. जेट प्रोपल्शन लॅबोरेटरीचा 2014 चा शोधनिबंध तुलनेसाठी खालील थ्रूपुट डेटा प्रदान करतो: जर आम्‍ही ज्युपिटर वरून पृथ्वीवर ठराविक iPhone फोटो प्रसारित करण्‍यासाठी Explorer 1 चे संप्रेषण तंत्रज्ञान वापरले, तर यास सध्याच्या युगापेक्षा 460 पट जास्त वेळ लागेल. 2 पासून पायोनियर्स 4 आणि 1960 साठी, यास 633 वर्षे लागली असती. 000 पासून मरिनर 9 ने ते 1971 तासांत केले असते. आज MRS ला तीन मिनिटे लागतील.

एकमात्र समस्या, अर्थातच, ही आहे की अंतराळ यानाद्वारे प्राप्त झालेल्या डेटाचे प्रमाण त्याच्या प्रसारण क्षमतेच्या वाढीपेक्षा वेगाने वाढत आहे. 40 वर्षांच्या ऑपरेशनमध्ये, व्हॉयेजर्स 1 आणि 2 ने 5 टीबी माहिती तयार केली. 2020 मध्ये प्रक्षेपित होणारा NISAR अर्थ सायन्स उपग्रह दरमहा 85 TB डेटा तयार करेल. आणि जर पृथ्वीचे उपग्रह यासाठी सक्षम असतील तर, ग्रहांमधील डेटाचा इतका खंड हस्तांतरित करणे ही पूर्णपणे वेगळी कथा आहे. तुलनेने वेगवान MRS सुद्धा 85 TB डेटा पृथ्वीवर 20 वर्षांपर्यंत प्रसारित करेल.

अब्राहम म्हणतात, “२०२० च्या उत्तरार्धात आणि २०३० च्या सुरुवातीस मंगळाच्या शोधासाठी अपेक्षित डेटा दर 2020 Mbps किंवा त्याहून अधिक असतील. - जर आपल्यापासून मंगळाच्या जास्तीत जास्त अंतरावर असलेले एमआरएस-क्लास अंतराळयान पृथ्वीवरील ७०-मीटरच्या अँटेनाला अंदाजे १ Mbit/s पाठवू शकत असेल, तर 2030 Mbit/s च्या वेगाने संप्रेषण आयोजित करण्यासाठी 150 1-मीटरच्या अॅरेमध्ये. अँटेना आवश्यक असतील. होय, अर्थातच, ही मूर्ख रक्कम थोडीशी कमी करण्यासाठी आम्ही हुशार मार्ग शोधू शकतो, परंतु समस्या स्पष्टपणे अस्तित्वात आहे: 70 एमबीपीएस वेगाने आंतरग्रहीय संप्रेषण आयोजित करणे अत्यंत कठीण आहे. याव्यतिरिक्त, आमच्याकडे परवानगी असलेल्या फ्रिक्वेन्सी संपत आहेत.”

अब्राहमने दाखवल्याप्रमाणे, एस-बँड किंवा एक्स-बँडमध्ये कार्यरत, एकल 25 एमबीपीएस मिशन संपूर्ण उपलब्ध स्पेक्ट्रम व्यापेल. का-बँडमध्ये अधिक जागा आहे, परंतु 150 Mbit/s च्या थ्रूपुटसह फक्त दोन मंगळ उपग्रह संपूर्ण स्पेक्ट्रम व्यापतील. सोप्या भाषेत सांगायचे तर, इंटरप्लॅनेटरी इंटरनेटला ऑपरेट करण्यासाठी फक्त रेडिओपेक्षा अधिक आवश्यक असेल - ते लेझरवर अवलंबून असेल.

ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्सचा उदय

लेझर भविष्यवादी वाटतात, परंतु ऑप्टिकल संप्रेषणाची कल्पना 1880 च्या दशकात अलेक्झांडर ग्रॅहम बेल यांनी दाखल केलेल्या पेटंटमध्ये शोधली जाऊ शकते. बेलने एक प्रणाली विकसित केली ज्यामध्ये सूर्यप्रकाश, एका अतिशय अरुंद बीमवर केंद्रित, एका परावर्तित डायाफ्रामवर निर्देशित केला जातो जो आवाजाने कंपन करतो. कंपनांमुळे लेन्समधून क्रूड फोटोडेटेक्टरमध्ये जाणार्‍या प्रकाशात फरक पडतो. फोटोडिटेक्टरच्या प्रतिकारातील बदलांमुळे फोनमधून जाणारा वर्तमान बदलला.

प्रणाली अस्थिर होती, आवाज खूपच कमी होता आणि बेलने अखेरीस ही कल्पना सोडून दिली. पण जवळपास 100 वर्षांनंतर, लेझर आणि फायबर ऑप्टिक्सने सशस्त्र, नासाचे अभियंते या जुन्या संकल्पनेकडे परत आले आहेत.

"आम्हाला रेडिओ फ्रिक्वेन्सी सिस्टीमच्या मर्यादा माहित होत्या, म्हणून JPL मध्ये 1970 च्या उत्तरार्धात, 1980 च्या दशकाच्या सुरुवातीला, आम्ही स्पेस लेझर वापरून खोल अंतराळातून संदेश प्रसारित करण्याच्या शक्यतेवर चर्चा करण्यास सुरुवात केली," अब्राहम म्हणाले. डीप स्पेस ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्समध्ये काय शक्य आहे आणि काय नाही हे चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी प्रयोगशाळेने 1980 च्या उत्तरार्धात चार वर्षांचा डीप स्पेस रिले सॅटेलाइट सिस्टम (डीएसआरएसएस) अभ्यास सुरू केला. अभ्यासाला गंभीर प्रश्नांची उत्तरे द्यायची होती: हवामान आणि दृश्यमानतेच्या समस्यांचे काय (अखेर, रेडिओ लहरी ढगांमधून सहज जाऊ शकतात, तर लेझर करू शकत नाहीत)? जर सूर्य-पृथ्वी-प्रोब कोन खूप तीव्र झाला तर? पृथ्वीवरील डिटेक्टर सूर्यप्रकाशापासून कमकुवत ऑप्टिकल सिग्नल वेगळे करू शकतो का? आणि शेवटी, या सर्वांची किंमत किती असेल आणि त्याची किंमत असेल? “आम्ही अजूनही या प्रश्नांची उत्तरे शोधत आहोत,” अब्राहम कबूल करतो. "तथापि, उत्तरे ऑप्टिकल डेटा ट्रान्समिशनच्या शक्यतेचे समर्थन करतात."

DSRSS ने सुचवले की पृथ्वीच्या वातावरणाच्या वर स्थित एक बिंदू ऑप्टिकल आणि रेडिओ संप्रेषणासाठी सर्वात योग्य असेल. ऑर्बिटल स्टेशनवर स्थापित केलेली ऑप्टिकल कम्युनिकेशन सिस्टीम कोणत्याही ग्राउंड-आधारित आर्किटेक्चरपेक्षा चांगली कामगिरी करेल, ज्यामध्ये आयकॉनिक 70-मीटर अँटेनांचा समावेश आहे, असे सांगण्यात आले. लो-अर्थ ऑर्बिटमध्ये, 10-मीटर डिश तैनात करण्याची आणि नंतर ती भू-सिंक्रोनसमध्ये वाढवण्याची योजना होती. तथापि, अशा प्रणालीची किंमत - एक डिश, एक प्रक्षेपण वाहन आणि पाच वापरकर्ता टर्मिनल्ससह उपग्रह असलेले - प्रतिबंधात्मक होते. शिवाय, उपग्रह निकामी झाल्यास कार्यान्वित होणार्‍या आवश्यक सहाय्यक यंत्रणेच्या खर्चाचाही या अभ्यासात समावेश नव्हता.

या प्रणालीसाठी, प्रयोगशाळेने प्रयोगशाळेच्या ग्राउंड बेस्ड अॅडव्हान्स्ड टेक्नॉलॉजी स्टडी (GBATS) अहवालात वर्णन केलेल्या ग्राउंड आर्किटेक्चरकडे लक्ष देणे सुरू केले, जे DRSS प्रमाणेच केले गेले. GBATS वर काम करणाऱ्या लोकांनी दोन पर्यायी प्रस्ताव आणले. पहिले म्हणजे संपूर्ण विषुववृत्तावर 10 अंशांच्या अंतरावर 60-मीटर अँटेना आणि मीटर-लांब स्पेअर अँटेना असलेली सहा स्टेशन्सची स्थापना. स्थानके पर्वत शिखरांवर बांधावी लागली, जेथे वर्षातील किमान ६६% दिवस हवामान स्वच्छ होते. अशा प्रकारे, कोणत्याही अंतराळ यानाला 66-2 स्थानके नेहमी दृश्यमान असतील आणि त्यांचे हवामान वेगळे असेल. दुसरा पर्याय म्हणजे नऊ स्टेशन्स, तीनच्या गटात क्लस्टर केलेले आणि एकमेकांपासून 3 अंशांवर स्थित आहेत. प्रत्येक गटातील स्थानके एकमेकांपासून 120 किमी अंतरावर असली पाहिजेत जेणेकरून ते थेट दृश्यमान असतील, परंतु भिन्न हवामान कक्षांमध्ये असतील.

दोन्ही जीबीएटीएस आर्किटेक्चर्स स्पेस अॅप्रोचपेक्षा स्वस्त होती, परंतु त्यांना देखील समस्या होत्या. प्रथम, सिग्नल्सना पृथ्वीच्या वातावरणातून प्रवास करावा लागत असल्याने, प्रकाशमय आकाशामुळे दिवसाचे स्वागत रात्रीच्या रिसेप्शनपेक्षा खूपच वाईट असेल. चतुर व्यवस्था असूनही, ऑप्टिकल ग्राउंड स्टेशन हवामानावर अवलंबून असतील. ग्राउंड स्टेशनवर लेसर निर्देशित करणार्‍या अंतराळयानाला शेवटी खराब हवामान परिस्थितीशी जुळवून घ्यावे लागेल आणि ढगांमुळे अस्पष्ट नसलेल्या दुसर्‍या स्थानकाशी संप्रेषण पुन्हा स्थापित करावे लागेल.

तथापि, समस्यांची पर्वा न करता, डीएसआरएसएस आणि जीबीएटीएस प्रकल्पांनी खोल अंतराळ संप्रेषणासाठी ऑप्टिकल प्रणाली आणि नासा येथील अभियंत्यांच्या आधुनिक विकासासाठी सैद्धांतिक पाया घातला. बाकी फक्त अशी व्यवस्था उभी करणे आणि तिची कार्यक्षमता दाखवणे. सुदैवाने, हे फक्त काही महिने दूर होते.

प्रकल्पाची अंमलबजावणी

तोपर्यंत, अंतराळात ऑप्टिकल डेटा ट्रान्समिशन आधीच झाले होते. पहिला प्रयोग 1992 मध्ये केला गेला, जेव्हा गॅलिलिओ प्रोब गुरूकडे जात होता आणि टेबल माउंटन वेधशाळेतील 60-सेमी दुर्बिणीतून पाठवलेला लेसर डाळींचा संच यशस्वीरीत्या प्राप्त करण्यासाठी आणि त्याचा उच्च-रिझोल्यूशन कॅमेरा पृथ्वीकडे वळवला आणि 1,5 मी. न्यू मेक्सिकोमधील USAF स्टारफायर ऑप्टिकल टेलिस्कोप रेंज. या क्षणी, गॅलिलिओ पृथ्वीपासून 1,4 दशलक्ष किमी अंतरावर होता, परंतु दोन्ही लेसर बीम त्याच्या कॅमेरावर आदळले.

जपानी आणि युरोपियन स्पेस एजन्सी देखील पृथ्वीच्या कक्षेतील ग्राउंड स्टेशन आणि उपग्रह यांच्यात ऑप्टिकल संप्रेषण स्थापित करण्यास सक्षम आहेत. त्यानंतर ते दोन उपग्रहांमध्ये 50 एमबीपीएस कनेक्शन स्थापित करण्यात सक्षम झाले. बर्‍याच वर्षांपूर्वी, एका जर्मन टीमने पृथ्वीच्या कक्षेतील NFIRE उपग्रह आणि स्पेनमधील टेनेरिफ येथील ग्राउंड स्टेशन दरम्यान 5,6 Gbps सुसंगत ऑप्टिकल द्विदिशात्मक दुवा स्थापित केला. परंतु ही सर्व प्रकरणे लो-अर्थ ऑर्बिटशी संबंधित होती.

सूर्यमालेतील दुसर्‍या ग्रहाजवळील ग्राउंड स्टेशन आणि अवकाशयानाला जोडणारा पहिला ऑप्टिकल लिंक जानेवारी २०१३ मध्ये स्थापित झाला. मोना लिसाची 2013 x 152 पिक्सेल कृष्णधवल प्रतिमा NASA च्या गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटरमधील नेक्स्ट जनरेशन सॅटेलाइट लेझर रेंजिंग स्टेशनवरून 200 bps वेगाने लूनर रिकॉनिसन्स ऑर्बिटर (LRO) मध्ये प्रसारित करण्यात आली. संवाद एकतर्फी होता. LRO ने नियमित रेडिओ संप्रेषणाद्वारे पृथ्वीवरून प्राप्त केलेली प्रतिमा परत पाठवली. प्रतिमेला थोडेसे सॉफ्टवेअर त्रुटी सुधारणे आवश्यक होते, परंतु या कोडिंगशिवाय देखील ते ओळखणे सोपे होते. आणि त्या वेळी, चंद्रावर अधिक शक्तिशाली प्रणालीचे प्रक्षेपण आधीच नियोजित होते.

2013 चा Lunar Reconnaissance Orbiter प्रकल्प: पृथ्वीच्या वातावरणाद्वारे (डावीकडे) प्रक्षेपण त्रुटींची माहिती साफ करण्यासाठी, गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटरमधील शास्त्रज्ञांनी रीड-सोलोमन त्रुटी सुधारणे (उजवीकडे) वापरली, जी CD आणि DVD मध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते. सामान्य त्रुटींमध्ये गहाळ पिक्सेल (पांढरे) आणि खोटे सिग्नल (काळे) यांचा समावेश होतो. एक पांढरा पट्टा प्रसारामध्ये एक लहान विराम दर्शवतो.

«चंद्राचे वातावरण आणि धूळ वातावरणाचा संशोधक(LADEE) ने 6 ऑक्टोबर 2013 रोजी चंद्राच्या कक्षेत प्रवेश केला आणि फक्त एका आठवड्यानंतर डेटा प्रसारित करण्यासाठी त्याचे स्पंदित लेसर लाँच केले. यावेळी, NASA ने दुसऱ्या दिशेने 20 Mbit/s च्या वेगाने आणि दुसऱ्या दिशेने 622 Mbit/s च्या विक्रमी गतीने दुतर्फा संप्रेषण आयोजित करण्याचा प्रयत्न केला. एकमेव समस्या मिशनचे लहान आयुष्य होते. LRO चे ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्स एका वेळी फक्त काही मिनिटांसाठी काम करत होते. LADEE ने 16 दिवसांमध्‍ये 30 तासांच्‍या लेसरसह डेटाची देवाणघेवाण केली. लेझर कम्युनिकेशन्स प्रात्यक्षिक (LCRD) उपग्रहाच्या प्रक्षेपणामुळे ही परिस्थिती बदलणार आहे, जून 2019 मध्ये नियोजित आहे. अंतराळातील भविष्यातील दळणवळण प्रणाली कशी कार्य करेल हे दर्शविणे हे त्याचे ध्येय आहे.

LCRD हे MIT च्या लिंकन प्रयोगशाळेच्या संयोगाने नासाच्या जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाळेत विकसित केले जात आहे. यात दोन ऑप्टिकल टर्मिनल असतील: एक लो-अर्थ ऑर्बिटमध्ये संप्रेषणासाठी, दुसरा खोल जागेसाठी. प्रथम डिफरेंशियल फेज शिफ्ट कीइंग (DPSK) वापरावे लागेल. ट्रान्समीटर 2,88 GHz च्या वारंवारतेने लेसर डाळी पाठवेल. या तंत्रज्ञानाचा वापर करून, प्रत्येक बिट सलग डाळींच्या फेज फरकाने एन्कोड केले जाईल. हे 2,88 Gbps च्या वेगाने कार्य करण्यास सक्षम असेल, परंतु यासाठी खूप शक्ती लागेल. डिटेक्टर केवळ उच्च-ऊर्जा सिग्नल्समधील नाडीतील फरक ओळखू शकतात, म्हणून DPSK पृथ्वीच्या जवळच्या संप्रेषणासाठी उत्तम कार्य करते, परंतु खोल जागेसाठी ही सर्वोत्तम पद्धत नाही, जिथे ऊर्जा साठवणे समस्याप्रधान आहे. मंगळावरून पाठवलेला सिग्नल पृथ्वीवर येईपर्यंत ऊर्जा गमावेल, म्हणून LCRD खोल जागेसह ऑप्टिकल संप्रेषण प्रदर्शित करण्यासाठी पल्स फेज मॉड्युलेशन नावाचे अधिक कार्यक्षम तंत्रज्ञान वापरेल.

नासाचे अभियंते LADEE चाचणीसाठी तयार करतात

2017 मध्ये, अभियंत्यांनी थर्मल व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये फ्लाइट मॉडेमची चाचणी केली

"हे मूलत: फोटॉन मोजत आहे," अब्राहम स्पष्ट करतात. - संप्रेषणासाठी वाटप केलेला अल्प कालावधी अनेक कालखंडांमध्ये विभागलेला आहे. डेटा प्राप्त करण्यासाठी, प्रत्येक अंतराने फोटॉन्स डिटेक्टरशी टक्कर झाले की नाही हे तपासणे आवश्यक आहे. FIM मध्ये डेटा अशा प्रकारे एन्कोड केला जातो.” हे मोर्स कोडसारखे आहे, परंतु अति-जलद गतीने. एकतर ठराविक क्षणी फ्लॅश असतो किंवा नसतो आणि संदेश फ्लॅशच्या क्रमाने एन्कोड केलेला असतो. "जरी ही DPSK पेक्षा खूपच धीमी आहे, तरीही आम्ही मंगळाच्या दूरवरून दहापट किंवा शेकडो Mbps ऑप्टिकल संप्रेषण प्रदान करू शकतो," अब्राहम पुढे म्हणाले.

अर्थात, एलसीआरडी प्रकल्प केवळ या दोन टर्मिनल्सचा नाही. हे अंतराळात इंटरनेट हब म्हणून देखील कार्य केले पाहिजे. जमिनीवर, तीन स्थानके LCRD सह कार्य करतील: एक न्यू मेक्सिकोमधील व्हाईट सँड्स येथे, एक कॅलिफोर्नियामधील टेबल माउंटन येथे आणि एक हवाई बेट किंवा माउई येथे. एखाद्या स्थानकावर खराब हवामान आल्यास एका ग्राउंड स्टेशनवरून दुस-या स्टेशनवर स्विच करण्याची चाचणी करण्याचा विचार आहे. मिशन डेटा ट्रान्समीटर म्हणून LCRD च्या कार्यक्षमतेची चाचणी देखील करेल. एका स्टेशनवरून एक ऑप्टिकल सिग्नल उपग्रहाला पाठवला जाईल आणि नंतर दुसर्या स्टेशनवर प्रसारित केला जाईल - सर्व काही ऑप्टिकल लिंकद्वारे.

जर डेटा ताबडतोब हस्तांतरित केला जाऊ शकत नसेल, तर LCRD तो संग्रहित करेल आणि जेव्हा संधी येईल तेव्हा ते हस्तांतरित करेल. जर डेटा अत्यावश्यक असेल किंवा ऑनबोर्ड स्टोरेजमध्ये पुरेशी जागा नसेल, तर LCRD त्याच्या का-बँड अँटेनाद्वारे त्वरित पाठवेल. तर, भविष्यातील ट्रान्समीटर उपग्रहांचा एक अग्रदूत, LCRD ही एक संकरित रेडिओ-ऑप्टिकल प्रणाली असेल. 2030 च्या दशकात मानवी खोल अंतराळ संशोधनास समर्थन देणारे इंटरप्लॅनेटरी नेटवर्क स्थापित करण्यासाठी NASA ला मंगळाच्या कक्षेत नेमके असेच युनिट ठेवणे आवश्यक आहे.

मंगळ ऑनलाइन आणत आहे

गेल्या वर्षभरात, अब्राहमच्या टीमने सखोल अंतराळ संप्रेषणाच्या भविष्याचे वर्णन करणारे दोन पेपर लिहिले आहेत, जे मे 2019 मध्ये फ्रान्समधील SpaceOps परिषदेत सादर केले जातील. एक सर्वसाधारणपणे खोल अंतराळ संप्रेषणाचे वर्णन करतो, दुसरा (“मानवी शोधाच्या युगासाठी मार्स इंटरप्लॅनेटरी नेटवर्क - संभाव्य समस्या आणि उपाय") लाल ग्रहावरील अंतराळवीरांसाठी इंटरनेट सारखी सेवा प्रदान करण्यास सक्षम असलेल्या पायाभूत सुविधांचे तपशीलवार वर्णन देते.

कमाल सरासरी डेटा ट्रान्सफर स्पीडचा अंदाज डाऊनलोड करण्यासाठी सुमारे 215 Mbit/s आणि अपलोड करण्यासाठी 28 Mbit/s होता. मार्स इंटरनेटमध्ये तीन नेटवर्क असतील: वायफाय ज्यामध्ये पृष्ठभागाच्या अन्वेषण क्षेत्राचा समावेश आहे, एक ग्रहीय नेटवर्क जे पृष्ठभागावरून पृथ्वीवर डेटा प्रसारित करते आणि पृथ्वी नेटवर्क, हा डेटा प्राप्त करण्यासाठी जबाबदार असलेल्या तीन साइट्ससह खोल अंतराळ संप्रेषण नेटवर्क आणि त्यांना परत प्रतिसाद पाठवते. मंगळ.

“अशा पायाभूत सुविधांचा विकास करताना अनेक समस्या येतात. ते 2,67 AU च्या मंगळाच्या जास्तीत जास्त अंतरावर देखील विश्वासार्ह आणि स्थिर असले पाहिजे. सौर श्रेष्ठ संयोगाच्या काळात, जेव्हा मंगळ सूर्याच्या मागे लपतो,” अब्राहम म्हणतो. असा संयोग दर दोन वर्षांनी होतो आणि मंगळाशी संवाद पूर्णपणे विस्कळीत होतो. “आज आपण याचा सामना करू शकत नाही. मंगळावरील सर्व लँडिंग आणि ऑर्बिटल स्टेशन्सचा पृथ्वीशी सुमारे दोन आठवडे संपर्क तुटतो. ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्ससह, सौर कनेक्टिव्हिटीमुळे दळणवळणाची हानी आणखी लांब, 10 ते 15 आठवडे होईल. रोबोट्ससाठी, अशा अंतर विशेषतः भयानक नाहीत. अशा अलगावमुळे त्यांना समस्या उद्भवत नाहीत, कारण त्यांना कंटाळा येत नाही, एकटेपणाचा अनुभव येत नाही आणि त्यांना त्यांच्या प्रियजनांना भेटण्याची गरज नाही. परंतु लोकांसाठी ते पूर्णपणे भिन्न आहे.

“म्हणून आम्ही सैद्धांतिकदृष्ट्या मंगळाच्या पृष्ठभागापासून 17300 किमी वर गोलाकार विषुववृत्तीय कक्षेत ठेवलेल्या दोन ऑर्बिटल ट्रान्समीटर चालू करण्यास परवानगी देतो,” अब्राहम पुढे सांगतात. अभ्यासानुसार, त्यांचे वजन प्रत्येकी 1500 किलो असावे, आणि त्यांच्याकडे X-बँड, का-बँड आणि ऑप्टिकल रेंजमध्ये कार्यरत टर्मिनल्सचा संच असावा आणि 20-30 किलोवॅट क्षमतेच्या सौर पॅनेलद्वारे समर्थित असावे. त्यांनी विलंब सहनशील नेटवर्क प्रोटोकॉलला समर्थन देणे आवश्यक आहे - मूलत: TCP/IP, दीर्घ विलंब हाताळण्यासाठी डिझाइन केलेले आहे जे अपरिहार्यपणे इंटरप्लॅनेटरी नेटवर्क्समध्ये होईल. नेटवर्कमध्ये सहभागी होणारी ऑर्बिटल स्टेशन्स ग्रहाच्या पृष्ठभागावरील अंतराळवीर आणि वाहनांशी, ग्राउंड स्टेशनसह आणि एकमेकांशी संवाद साधण्यास सक्षम असणे आवश्यक आहे.

"हे क्रॉस-कप्लिंग खूप महत्वाचे आहे कारण ते 250 Mbps वर डेटा प्रसारित करण्यासाठी आवश्यक अँटेनाची संख्या कमी करते," अब्राहम म्हणतात. त्याच्या टीमचा अंदाज आहे की एका ऑर्बिटल ट्रान्समीटरमधून 250 एमबीपीएस डेटा प्राप्त करण्यासाठी सहा 34-मीटर अँटेनाची आवश्यकता असेल. याचा अर्थ असा की NASA ला खोल अंतराळ संप्रेषण साइट्सवर तीन अतिरिक्त अँटेना तयार करणे आवश्यक आहे, परंतु ते तयार करण्यासाठी अनेक वर्षे लागतात आणि ते अत्यंत महाग आहेत. "परंतु आम्हाला वाटते की दोन ऑर्बिटल स्टेशन डेटा सामायिक करू शकतात आणि एकाच वेळी 125 Mbps वर पाठवू शकतात, एका ट्रान्समीटरने डेटा पॅकेटचा अर्धा भाग पाठविला आणि दुसरा पाठविला," अब्राहम म्हणतात. आजही, 34-मीटर खोल अंतराळ संप्रेषण अँटेना एकाच वेळी चार वेगवेगळ्या अवकाशयानांकडून डेटा प्राप्त करू शकतात, परिणामी कार्य पूर्ण करण्यासाठी तीन अँटेना आवश्यक आहेत. "आकाशाच्या एकाच क्षेत्रातून दोन 125 एमबीपीएस ट्रान्समिशन प्राप्त करण्यासाठी एक ट्रान्समिशन प्राप्त करण्यासाठी समान संख्येच्या अँटेनाची आवश्यकता असते," अब्राहम स्पष्ट करतात. "आपल्याला उच्च वेगाने संप्रेषण करण्याची आवश्यकता असल्यासच अधिक अँटेना आवश्यक आहेत."

सौर संयोग समस्या हाताळण्यासाठी, अब्राहमच्या टीमने सूर्य-मंगळ/सूर्य-पृथ्वीच्या कक्षेच्या L4/L5 बिंदूंवर ट्रान्समीटर उपग्रह प्रक्षेपित करण्याचा प्रस्ताव दिला. त्यानंतर, संयोग कालावधी दरम्यान, सूर्याभोवती डेटा प्रसारित करण्यासाठी त्याचा वापर केला जाऊ शकतो, त्याद्वारे सिग्नल पाठविण्याऐवजी. दुर्दैवाने, या कालावधीत गती 100 Kbps पर्यंत घसरेल. सोप्या भाषेत सांगायचे तर ते कार्य करेल, परंतु ते उदास आहे.

यादरम्यान, मंगळावरील भविष्यातील अंतराळवीरांना मांजरीचे पिल्लूचा फोटो प्राप्त करण्यासाठी फक्त तीन मिनिटांपेक्षा जास्त प्रतीक्षा करावी लागेल, 40 मिनिटांपर्यंतचा विलंब न मोजता. सुदैवाने, मानवतेच्या महत्त्वाकांक्षा आपल्याला लाल ग्रहापेक्षाही पुढे नेण्याआधी, इंटरप्लॅनेटरी इंटरनेट बहुतेक वेळा आधीच चांगले कार्य करेल.

स्त्रोत: www.habr.com