गहिरो अन्तरिक्षमा कल गर्दै: कसरी नासाले अन्तरग्रहीय संचारलाई गति दिन्छ

"रेडियो फ्रिक्वेन्सीमा काम गर्ने प्रविधिमा सुधार गर्न लगभग कतै छैन। सजिलो समाधान अन्त्य"

नोभेम्बर 26, 2018 मा मस्को समयको 22:53 बजे, NASA फेरि सफल भयो - इनसाइट प्रोब पुन: प्रवेश, अवतरण र अवतरण युद्धाभ्यास पछि मंगल ग्रहको सतहमा सफलतापूर्वक अवतरण गरियो, जसलाई पछि "छह र आधा मिनेटको डरलाग्दो" भनियो। एक उपयुक्त विवरण, किनकि नासाका इन्जिनियरहरूले तुरुन्तै थाहा पाउन सकेनन् कि स्पेस प्रोब सफलतापूर्वक ग्रहको सतहमा अवतरण भएको थियो, पृथ्वी र मंगल ग्रह बीचको सञ्चारमा समय ढिलाइको कारण, जुन लगभग 8,1 मिनेट थियो। यस विन्डोको समयमा, इनसाइटले यसको थप आधुनिक र शक्तिशाली एन्टेनाहरूमा भर पर्न सकेन - सबै कुरा पुरानो जमानाको UHF संचारमा निर्भर हुन्छ (यो विधि लामो समयदेखि टिभी प्रसारणहरू र वाकी-टकीहरू देखि ब्लुटुह उपकरणहरूमा सबै कुरामा प्रयोग गरिएको छ)।

नतिजाको रूपमा, इनसाइटको अवस्थाको महत्वपूर्ण डेटा रेडियो तरंगहरूमा 401,586 मेगाहर्ट्जको फ्रिक्वेन्सीसँग दुईवटा उपग्रहहरूमा पठाइयो।क्युब्सटा, WALL-E र EVE, जसले पृथ्वीमा अवस्थित 8-मीटर एन्टेनाहरूमा 70 Kbps को गतिमा डाटा प्रसारण गर्यो। क्युबस्याटहरू इनसाइटको रूपमा एउटै रकेटमा प्रक्षेपण गरिएको थियो, र तिनीहरूले मंगल ग्रहको यात्रामा अवतरण अवलोकन गर्न र तुरुन्तै घर फिर्ता डाटा पठाउनको लागि साथ दिए। अन्य मंगल ग्रहको परिक्रमा गर्ने जहाजहरू, जस्तै मार्टियन टोही उपग्रह (MRS), एक असहज स्थितिमा थिए र सुरुमा ल्यान्डरसँग वास्तविक-समय सन्देशहरू प्रदान गर्न सकेनन्। सम्पूर्ण अवतरण प्रत्येक दुई प्रयोगात्मक सुटकेस आकारको क्युबस्याटमा निर्भर थियो भन्ने होइन, तर MRS ले अझै लामो प्रतीक्षा पछि InSight बाट डाटा प्रसारण गर्न सक्षम हुनेछ।

इनसाइट अवतरणले वास्तवमा नासाको सम्पूर्ण सञ्चार वास्तुकला, "मार्स नेटवर्क" लाई परीक्षणमा राख्यो। इनसाइट ल्यान्डरको संकेत, परिक्रमा गर्ने उपग्रहहरूमा पठाइने, उपग्रहहरू असफल भए पनि, जसरी पनि पृथ्वीमा पुग्ने थियो। तत्काल जानकारी स्थानान्तरणको लागि WALL-E र EVE आवश्यक थियो, र तिनीहरूले गरे। यदि यी Cubsats कुनै कारणले काम गरेनन् भने, MRS आफ्नो भूमिका खेल्न तयार थियो। तिनीहरूमध्ये प्रत्येकले इन्टरनेट-जस्तो नेटवर्कमा नोडको रूपमा काम गर्यो, विभिन्न उपकरणहरू मिलेर बनेको विभिन्न टर्मिनलहरू मार्फत डेटा प्याकेटहरू राउट गर्दै। आज, ती मध्ये सबैभन्दा कुशल MRS हो, 6 Mbps सम्मको गतिमा डाटा प्रसारण गर्न सक्षम छ (र यो अन्तरग्रहीय मिसनहरूको लागि हालको रेकर्ड हो)। यद्यपि, NASA ले विगतमा धेरै सुस्त गतिमा काम गर्नुपरेको छ - र भविष्यमा धेरै छिटो डाटा स्थानान्तरण चाहिन्छ।

तपाईंको ISP जस्तै, NASA ले इन्टरनेट प्रयोगकर्ताहरूलाई अनुमति दिन्छ चेक आउट गर्नुहोस् वास्तविक समयमा अन्तरिक्ष यान संग संचार।

डीप स्पेस नेटवर्क

अन्तरिक्षमा NASA को बढ्दो उपस्थितिको साथ, सुधारिएको संचार प्रणालीहरू लगातार देखा पर्दै छन्, अधिक र अधिक ठाउँ कभर गर्दै: पहिले यो कम पृथ्वीको कक्षा थियो, त्यसपछि भू-सिंक्रोनस कक्षा र चन्द्रमा, र चाँडै संचारहरू अन्तरिक्षमा गहिरो गयो। यो सबै एक कच्चा ह्यान्डहेल्ड रेडियोबाट सुरु भएको थियो जसले नाइजेरिया, सिंगापुर र क्यालिफोर्नियामा अमेरिकी सैन्य अड्डाहरू एक्सप्लोरर 1 बाट टेलीमेट्री प्राप्त गर्न प्रयोग गर्‍यो, जुन 1958 मा अमेरिकीहरूले सफलतापूर्वक प्रक्षेपण गरेको पहिलो उपग्रह हो। बिस्तारै तर निश्चित रूपमा, यो आधार आजको उन्नत सन्देश प्रणालीहरूमा विकसित भएको छ।

डगलस अब्राहम, नासाको इन्टरप्लेनेटरी नेटवर्क डाइरेक्टरेटमा रणनीतिक र प्रणाली पूर्वानुमान प्रमुख, अन्तरिक्षमा सन्देश प्रवाहका लागि तीन स्वतन्त्र रूपमा विकसित नेटवर्कहरू हाइलाइट गर्दछ। नियर अर्थ नेटवर्कले कम पृथ्वीको कक्षामा अन्तरिक्ष यानसँग काम गर्छ। "यो एन्टेनाहरूको सेट हो, प्रायः 9m देखि 12m। त्यहाँ केही ठूलाहरू छन्, 15m देखि 18m," अब्राहम भन्छन्। त्यसपछि, पृथ्वीको जियोसिंक्रोनस कक्षा माथि, त्यहाँ धेरै ट्र्याकिङ र डाटा उपग्रहहरू (TDRS) छन्। "तिनीहरूले पृथ्वीको तल्लो कक्षामा रहेका उपग्रहहरूलाई तल हेर्न सक्छन् र तिनीहरूसँग सञ्चार गर्न सक्छन्, र त्यसपछि यो जानकारी TDRS मार्फत जमीनमा पठाउन सक्छन्," अब्राहम बताउँछन्। "यो स्याटेलाइट डाटा ट्रान्समिशन सिस्टमलाई नासा स्पेस नेटवर्क भनिन्छ।"

तर TDRS पनि चन्द्रमाको कक्षाभन्दा बाहिर अन्य ग्रहहरूमा गएको अन्तरिक्ष यानसँग सञ्चार गर्न पर्याप्त थिएन। “त्यसैले हामीले सम्पूर्ण सौर्यमण्डललाई कभर गर्ने नेटवर्क बनाउनुपर्‍यो। र यो डीप स्पेस नेटवर्क हो, DSN, "अब्राहम भन्छन्। मार्टियन नेटवर्क एक विस्तार हो DSN.

हद र योजनाहरू दिएर, DSN सूचीबद्ध प्रणालीहरूको सबैभन्दा जटिल हो। वास्तवमा, यो ठूला एन्टेनाहरूको सेट हो, व्यासमा 34 देखि 70 मिटरसम्म। प्रत्येक तीन DSN साइटहरूमा धेरै 34m एन्टेना र एउटा 70m एन्टेना छ। एउटा साइट गोल्डस्टोन (क्यालिफोर्निया) मा, अर्को म्याड्रिड (स्पेन) नजिकै र तेस्रो क्यानबेरा (अष्ट्रेलिया) मा अवस्थित छ। यी साइटहरू विश्वभरि लगभग 120 डिग्री टाढा अवस्थित छन्, र भू-सिंक्रोनस कक्षा बाहिर सबै अन्तरिक्ष यानहरूको लागि XNUMX/XNUMX कभरेज प्रदान गर्दछ।

34m एन्टेनाहरू DSN को मुख्य उपकरणहरू हुन् र दुई प्रकारमा आउँछन्: पुरानो उच्च दक्षता एन्टेना र अपेक्षाकृत नयाँ वेभगाइड एन्टेना। भिन्नता यो हो कि वेभगाइड एन्टेनामा पाँचवटा सटीक RF मिररहरू छन् जसले पाइप तल भूमिगत नियन्त्रण कोठामा संकेतहरू प्रतिबिम्बित गर्दछ, जहाँ ती संकेतहरूको विश्लेषण गर्ने इलेक्ट्रोनिक्सहरू हस्तक्षेपका सबै स्रोतहरूबाट राम्रोसँग सुरक्षित हुन्छन्। 34-मीटर एन्टेना, व्यक्तिगत रूपमा वा 2-3 भाँडाहरूको समूहमा काम गर्ने, नासा द्वारा आवश्यक धेरै संचार प्रदान गर्न सक्छ। तर केही ३४ मिटर एन्टेनाका लागि पनि दूरी धेरै लामो हुने विशेष अवस्थामा, DSN व्यवस्थापनले ७० मिटर राक्षसहरू प्रयोग गर्दछ।

"तिनीहरूले धेरै केसहरूमा महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छन्," अब्राहमले ठूला एन्टेनाहरूको बारेमा भने। पहिलो हो जब अन्तरिक्ष यान पृथ्वीबाट यति टाढा छ कि यो सानो डिश प्रयोग गरेर संचार स्थापित गर्न असम्भव हुनेछ। "राम्रो उदाहरणहरू न्यू होराइजन्स मिसन हुनेछन्, जुन पहिले नै प्लुटोभन्दा धेरै टाढा उडेको छ, वा सौर्यमण्डल बाहिर रहेको भ्वाएजर अन्तरिक्ष यान। केवल 70-मीटर एन्टेनाहरू तिनीहरूसम्म पुग्न र तिनीहरूको डाटा पृथ्वीमा पुर्‍याउन सक्षम छन्, ”अब्राहम बताउँछन्।

70-मिटर भाँडाहरू पनि प्रयोग गरिन्छ जब अन्तरिक्ष यानले बूस्टर एन्टेना सञ्चालन गर्न असमर्थ हुन्छ, या त एक योजनाबद्ध महत्वपूर्ण अवस्था जस्तै कक्षीय प्रवेशको कारणले, वा केहि धेरै गलत भएको कारणले। ७० मिटर एन्टेना, उदाहरणका लागि, एपोलो १३ लाई सुरक्षित रूपमा पृथ्वीमा फर्काउन प्रयोग गरिएको थियो। उनले नील आर्मस्ट्रङको प्रसिद्ध पङ्क्ति पनि अपनाइन्, "मानिसको लागि सानो कदम, मानव जातिको लागि एक विशाल कदम।" र आज पनि, DSN संसारको सबैभन्दा उन्नत र संवेदनशील संचार प्रणाली बनेको छ। "तर धेरै कारणहरूले गर्दा, यो पहिले नै यसको सीमामा पुगेको छ," अब्राहम चेतावनी दिन्छन्। "रेडियो फ्रिक्वेन्सीहरूमा काम गर्ने प्रविधि सुधार गर्न लगभग कतै छैन। सरल समाधानहरू सकिँदैछन्।"

तीन ग्राउन्ड स्टेशनहरू 120 डिग्री टाढा

क्यानबेरामा DSN प्लेटहरू

म्याड्रिड मा DSN कम्प्लेक्स

गोल्डस्टोनमा DSN

जेट प्रोपल्सन प्रयोगशालामा नियन्त्रण कक्ष

रेडियो र यसको पछि के आउँछ

यो कथा नयाँ होइन । गहिरो अन्तरिक्ष संचारको इतिहासले फ्रिक्वेन्सी बढाउन र तरंगदैर्ध्य छोटो बनाउनको लागि निरन्तर संघर्ष समावेश गर्दछ। एक्सप्लोरर १ ले १०८ मेगाहर्ट्जको फ्रिक्वेन्सी प्रयोग गर्यो। त्यसपछि NASA ले 1 देखि 108 GHz सम्म L-ब्यान्डबाट फ्रिक्वेन्सीहरूलाई समर्थन गर्ने ठूला, राम्रो-प्राप्त एन्टेनाहरू प्रस्तुत गर्‍यो। त्यसपछि एस-ब्यान्डको पालो आयो, 1 देखि 2 गीगाहर्जको फ्रिक्वेन्सीको साथ, र त्यसपछि एजेन्सीले 2-4 GHz को फ्रिक्वेन्सीको साथ X-ब्यान्डमा स्विच गर्यो।

आज, अन्तरिक्ष संचार प्रणालीहरू फेरि परिवर्तन हुँदैछ - अब तिनीहरू 26-40 GHz ब्यान्ड, का-ब्यान्डमा सर्दै छन्। अब्राहम भन्छन्, "यस प्रवृत्तिको कारण यो हो कि तरंग लम्बाइ जति छोटो हुन्छ र फ्रिक्वेन्सीहरू जति बढी हुन्छ, त्यति नै डाटा दरहरू प्राप्त गर्न सकिन्छ," अब्राहम भन्छन्।

आशावादी हुनुका कारणहरू छन्, जुन ऐतिहासिक रूपमा नासामा सञ्चार विकासको गति निकै उच्च रहेको छ। जेट प्रोपल्सन प्रयोगशालाको 2014 अनुसन्धान पत्रले तुलनाको लागि निम्न थ्रुपुट डेटालाई उद्धृत गर्दछ: यदि हामीले बृहस्पतिबाट पृथ्वीमा विशिष्ट आईफोन फोटो स्थानान्तरण गर्न एक्सप्लोरर 1 को सञ्चार प्रविधिहरू प्रयोग गर्यौं भने, यसले वर्तमान युगको ब्रह्माण्डको तुलनामा 460 गुणा बढी समय लिनेछ। 2 देखि अग्रगामी 4 र 1960 ले 633 वर्ष लिने थियो। 000 देखि मरिनर 9 ले यो 1971 घण्टामा गरेको थियो। आज MPC तीन मिनेट लाग्नेछ।

एकमात्र समस्या, निस्सन्देह, यो हो कि अन्तरिक्ष यान द्वारा प्राप्त डाटा को मात्रा मात्र छिटो बढ्दै छ, यदि प्रसारण क्षमताहरु मा वृद्धि भन्दा छिटो छैन। 40 वर्ष भन्दा बढीको सञ्चालनमा, Voyagers 1 र 2 ले 5 TB जानकारी उत्पादन गर्यो। 2020 मा प्रक्षेपणको लागि निर्धारित निसार पृथ्वी विज्ञान उपग्रहले प्रति महिना 85 TB डाटा उत्पादन गर्नेछ। र यदि पृथ्वीका उपग्रहहरू यो गर्न सक्षम छन् भने, ग्रहहरू बीच डाटाको यस्तो मात्रा स्थानान्तरण एक पूर्ण फरक कथा हो। एक अपेक्षाकृत छिटो MRS ले पनि 85 TB डाटा पृथ्वीमा 20 वर्ष सम्म प्रसारण गर्नेछ।

अब्राहम भन्छन्, "२०२० को अन्त्य र २०३० को शुरुमा मंगल ग्रहको अन्वेषणको अनुमानित डाटा ट्रान्सफर दर १५० Mbps वा त्योभन्दा बढी हुनेछ, त्यसैले गणित गरौं," अब्राहम भन्छन्। – यदि हामीबाट मंगल ग्रहसम्मको अधिकतम दूरीमा रहेको MPC-वर्गको अन्तरिक्ष यानले पृथ्वीमा रहेको ७० मिटरको एन्टेनामा करिब १ एमबीपीएस पठाउन सक्छ भने १५० एमबीपीएसको गतिमा सञ्चार स्थापना गर्न १५० ७० मिटर एन्टेनाको एर्रे आवश्यक पर्दछ। । हो, निस्सन्देह, हामी यो बेतुका रकमलाई अलिकति कम गर्न चतुर तरिकाहरू ल्याउन सक्छौं, तर समस्या स्पष्ट रूपमा अवस्थित छ: 2020 Mbps को गतिमा अन्तरग्रहीय संचार व्यवस्थित गर्न अत्यन्तै गाह्रो छ। थप रूपमा, हामी अनुमति दिइएको फ्रिक्वेन्सीको स्पेक्ट्रम बाहिर चलिरहेका छौं। ”

अब्राहमले प्रदर्शन गरे जस्तै, S वा X ब्यान्डमा सञ्चालन गर्दै, 25 Mbps क्षमताको एकल मिसनले सम्पूर्ण उपलब्ध स्पेक्ट्रम ओगटेको छ। Ka-band मा धेरै ठाउँ छ, तर 150 Mbps को ब्यान्डविथ संग मंगल ग्रह को केवल दुई उपग्रहहरु सम्पूर्ण स्पेक्ट्रम ओगटेको छ। सरल भाषामा भन्नुपर्दा, अन्तरग्रहीय इन्टरनेटलाई सञ्चालन गर्नको लागि रेडियो मात्र भन्दा बढी चाहिन्छ - यो लेजरहरूमा निर्भर हुनेछ।

अप्टिकल संचार को आगमन

लेजरहरू भविष्यवादी सुनिन्छ, तर अप्टिकल सञ्चारको विचारलाई 1880 मा अलेक्ज्याण्डर ग्राहम बेलले दायर गरेको पेटेन्टमा पत्ता लगाउन सकिन्छ। बेलले एउटा प्रणाली विकास गर्‍यो जसमा सूर्यको प्रकाश, धेरै साँघुरो किरणमा केन्द्रित, ध्वनिका कारण कम्पन हुने रिफ्लेक्टिव डायाफ्राममा निर्देशित हुन्छ। कम्पनहरूले लेन्सबाट कच्चा फोटोडेटेक्टरमा जाने प्रकाशमा भिन्नताहरू निम्त्यायो। फोटोडेटेक्टरको प्रतिरोधमा परिवर्तनहरूले फोनको माध्यमबाट प्रवाहलाई परिवर्तन गर्यो।

प्रणाली अस्थिर थियो, भोल्युम धेरै कम थियो, र बेलले अन्ततः यो विचार त्याग्यो। तर लगभग 100 वर्ष पछि, लेजर र फाइबर अप्टिक्सले सशस्त्र, नासाका इन्जिनियरहरू पुरानो अवधारणामा फर्केका छन्।

"हामी आरएफ प्रणालीहरूको सीमितताहरू बारे सचेत थियौं, त्यसैले 1970 को दशकको अन्तमा, 1980 को शुरुमा, JPL ले स्पेस लेजरहरू प्रयोग गरेर गहिरो अन्तरिक्षबाट सन्देशहरू प्रसारण गर्ने सम्भावनाको बारेमा छलफल गर्न थाल्यो," अब्राहमले भने। गहिरो अन्तरिक्ष अप्टिकल संचारमा के सम्भव छ र के सम्भव छैन भनेर राम्रोसँग बुझ्नको लागि, प्रयोगशालाले 1980 को दशकको अन्त्यमा चार वर्षको अध्ययन, डीप स्पेस रिले स्याटेलाइट प्रणाली (डीएसआरएसएस) लाई कमिसन गर्‍यो। अध्ययनले महत्त्वपूर्ण प्रश्नहरूको जवाफ दिनु पर्ने थियो: मौसम र दृश्यता समस्याहरूको बारेमा के हो (के हो भने, रेडियो तरंगहरू सजिलै बादलहरूबाट जान सक्छन्, जबकि लेजरहरूले सक्दैनन्)? के हुन्छ यदि सूर्य-पृथ्वी-प्रोब कोण धेरै तीखो हुन्छ? के पृथ्वीमा डिटेक्टरले सूर्यको किरणबाट कमजोर अप्टिकल सिग्नल छुट्याउन सक्छ? र अन्तमा, यो सबै लागत कति हुनेछ र यो लायक हुनेछ? “हामी अझै यी प्रश्नहरूको जवाफ खोजिरहेका छौं,” अब्राहम स्वीकार्छन्। "यद्यपि, प्रतिक्रियाहरूले अप्टिकल डाटा प्रसारणको सम्भावनालाई बढ्दो रूपमा पुष्टि गर्दैछ।"

DSRSS ले सुझाव दियो कि पृथ्वीको वायुमण्डल माथिको बिन्दु अप्टिकल र रेडियो संचारको लागि उत्तम उपयुक्त हुनेछ। यो दावी गरिएको थियो कि ओर्बिटल स्टेशनमा स्थापित अप्टिकल संचार प्रणालीले प्रतिष्ठित 70 मिटर एन्टेना सहित कुनै पनि स्थलीय वास्तुकला भन्दा राम्रो काम गर्नेछ। यसले पृथ्वीको नजिकको कक्षामा १० मिटरको डिश तैनाथ गर्ने थियो, र त्यसपछि यसलाई भू-सिंक्रोनसमा उठाउने थियो। यद्यपि, यस्तो प्रणालीको लागत - एक डिश, एक प्रक्षेपण रकेट र पाँच प्रयोगकर्ता टर्मिनलहरू सहितको उपग्रह - निषेधित थियो। यसबाहेक, अध्ययनले स्याटेलाइट असफल भएमा सञ्चालनमा आउने आवश्यक सहायक प्रणालीको लागतसमेत समावेश गरेको छैन।

यस प्रणालीको रूपमा, प्रयोगशालाले DRSS को रूपमा प्रयोगशालामा गरिएको ग्राउन्ड बेस्ड एडभान्स टेक्नोलोजी स्टडी (GBATS) मा वर्णन गरिएको ग्राउन्ड आर्किटेक्चर हेर्न थाल्यो। GBATS मा काम गर्ने मानिसहरू दुई वैकल्पिक प्रस्तावहरू लिएर आए। पहिलो 10-मीटर एन्टेना र मिटर स्पेयर एन्टेनाहरू सहित छ वटा स्टेशनहरूको स्थापना हो, भूमध्य रेखा वरिपरि एक अर्काबाट 60 डिग्री टाढा अवस्थित छ। स्टेशनहरू पहाड चुचुराहरूमा निर्माण गर्नुपर्थ्यो, जहाँ कम्तिमा 66% वर्षका दिनहरू स्पष्ट थिए। यसरी, 2-3 स्टेशनहरू सधैं कुनै पनि स्पेसक्राफ्टमा देखिनेछन्, र तिनीहरूको मौसम फरक हुनेछ। दोस्रो विकल्प नौ स्टेशनहरू, तीन समूहमा समूहबद्ध, र एक अर्काबाट 120 डिग्री स्थित छ। प्रत्येक समूह भित्र स्टेशनहरू 200 किलोमिटर टाढा अवस्थित हुनुपर्छ ताकि तिनीहरू दृष्टिको रेखामा छन्, तर फरक मौसम कक्षहरूमा।

दुबै GBATS आर्किटेक्चरहरू अन्तरिक्ष दृष्टिकोण भन्दा सस्तो थिए, तर तिनीहरूमा पनि समस्याहरू थिए। पहिलो, किनकि संकेतहरू पृथ्वीको वायुमण्डलबाट गुजर्नु परेको थियो, दिनको स्वागत उज्यालो आकाशको कारण रातको रिसेप्शन भन्दा धेरै खराब हुनेछ। चतुर व्यवस्था भए पनि, जमिनमा आधारित अप्टिकल स्टेशनहरू मौसममा निर्भर हुनेछन्। ग्राउन्ड स्टेसनमा लेजरलाई लक्षित गर्ने अन्तरिक्ष यानले अन्ततः खराब मौसमको अवस्थालाई अनुकूल बनाउनु पर्छ र बादलले अस्पष्ट नभएको अर्को स्टेशनसँग सञ्चार पुन: स्थापना गर्नुपर्नेछ।

यद्यपि, समस्याहरूको वास्ता नगरी, DSRSS र GBATS परियोजनाहरूले गहिरो अन्तरिक्ष अप्टिकल प्रणाली र NASA मा इन्जिनियरहरूको आधुनिक विकासको लागि सैद्धान्तिक आधार तयार पारे। यो यस्तो प्रणाली निर्माण गर्न र यसको कार्यसम्पादन देखाउन मात्र रह्यो। सौभाग्य देखि, त्यो केहि महिना मात्र टाढा थियो।

परियोजना कार्यान्वयन

त्यतिबेलासम्म, अन्तरिक्षमा अप्टिकल डाटा ट्रान्समिसन भइसकेको थियो। पहिलो परीक्षण 1992 मा गरिएको थियो जब ग्यालिलियो प्रोब बृहस्पतितर्फ जाँदै थियो र 60 सेमी टेबल माउन्टेन अब्जर्भेटरी टेलिस्कोप र 1,5 मिटर USAF स्टारफायर अप्टिकल टेलिस्कोपबाट सफलतापूर्वक लेजर पल्सको सेट प्राप्त गर्न पृथ्वीतर्फ आफ्नो उच्च-रिजोल्युसन क्यामेरा घुमायो। न्यू मेक्सिको मा। त्यो क्षण, ग्यालिलियो पृथ्वीबाट 1,4 मिलियन किलोमिटर टाढा थियो, तर दुवै लेजर किरणहरूले उनको क्यामेरामा ठोके।

जापानी र युरोपेली अन्तरिक्ष एजेन्सीहरूले पनि पृथ्वीको कक्षामा ग्राउन्ड स्टेशनहरू र उपग्रहहरू बीच अप्टिकल संचार स्थापित गर्न सक्षम भएका छन्। त्यसपछि तिनीहरू दुई उपग्रहहरू बीच 50 Mbps जडान स्थापित गर्न सक्षम भए। केही वर्ष पहिले, एक जर्मन टोलीले पृथ्वीको कक्षामा रहेको NFIRE उपग्रह र स्पेनको टेनेरिफमा रहेको ग्राउन्ड स्टेशनको बीचमा 5,6 Gbps सुसंगत द्वि-दिशात्मक अप्टिकल लिंक स्थापना गर्‍यो। तर यी सबै केसहरू पृथ्वीको नजिकको कक्षासँग सम्बन्धित थिए।

सौर्यमण्डलको अर्को ग्रहको वरिपरि कक्षमा रहेको ग्राउन्ड स्टेशन र अन्तरिक्ष यानलाई जोड्ने पहिलो अप्टिकल लिङ्क जनवरी २०१३ मा स्थापित भएको थियो। मोना लिसाको 2013 x 152 पिक्सेलको कालो र सेतो छवि नासाको गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेन्टरको नेक्स्ट जेनेरेशन स्याटेलाइट लेजर दायरा स्टेसनबाट 200 bps मा लुनार रिकोनेसन्स अर्बिटर (LRO) मा प्रसारण गरिएको थियो। सञ्चार एकतर्फी थियो । LRO ले पृथ्वीबाट प्राप्त छविलाई परम्परागत रेडियो मार्फत फिर्ता पठायो। छविलाई सानो सफ्टवेयर त्रुटि सुधार चाहिन्छ, तर यो एन्कोडिङ बिना पनि यो पहिचान गर्न सजिलो थियो। र त्यस समयमा, चन्द्रमामा थप शक्तिशाली प्रणालीको प्रक्षेपण पहिले नै योजना गरिएको थियो।

2013 मा Lunar Reconnaissance Orbiter परियोजनाबाट: पृथ्वीको वायुमण्डल (बायाँ) द्वारा पेश गरिएको प्रसारण त्रुटिहरू सफा गर्न, गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेन्टरका वैज्ञानिकहरूले रीड-सोलोमन त्रुटि सुधार (दायाँ) लागू गरे, जुन CD र DVD मा धेरै प्रयोग गरिन्छ। सामान्य त्रुटिहरूमा हराएको पिक्सेल (सेतो) र गलत संकेतहरू (कालो) समावेश छन्। सेतो पट्टीले प्रसारणमा थोरै पज संकेत गर्दछ।

«चन्द्र वायुमण्डल र धुलो वातावरणको अनुसन्धानकर्ता» (LADEE) अक्टोबर 6, 2013 मा चन्द्रमाको कक्षामा प्रवेश गर्यो, र एक हप्ता पछि डाटा प्रसारणको लागि यसको स्पंदित लेजर प्रक्षेपण गर्यो। यस पटक, नासाले त्यस दिशामा 20 Mbps को गति र विपरीत दिशामा 622 Mbps को रेकर्ड गतिमा दुईतर्फी संचार व्यवस्थित गर्ने प्रयास गर्यो। एउटै समस्या मिशनको छोटो जीवनकाल थियो। अप्टिकल कम्युनिकेसन LRO ले केही मिनेट मात्र काम गर्यो। LADEE ले आफ्नो लेजरसँग कुल 16 दिनको लागि 30 घण्टासम्म सञ्चार गर्यो। लेजर कम्युनिकेसन्स डेमोन्स्ट्रेसन स्याटेलाइट (LCRD) लाई प्रक्षेपण गर्दा यो अवस्था परिवर्तन हुनुपर्दछ, जुन २०१९ को लागि निर्धारित छ। यसको कार्य अन्तरिक्षमा भविष्यको सञ्चार प्रणालीले कसरी काम गर्नेछ भनेर देखाउने हो।

LCRD नासाको जेट प्रोपल्सन प्रयोगशालामा MIT मा लिंकन प्रयोगशालासँगको सहकार्यमा विकसित भइरहेको छ। यसमा दुईवटा अप्टिकल टर्मिनलहरू हुनेछन्: एउटा तल्लो पृथ्वीको कक्षामा सञ्चारको लागि, अर्को गहिरो ठाउँको लागि। पहिले डिफरेंशियल फेज शिफ्ट किइङ (DPSK) प्रयोग गर्नुपर्नेछ। ट्रान्समिटरले 2,88 GHz को फ्रिक्वेन्सीमा लेजर पल्स पठाउनेछ। यो प्रविधि प्रयोग गरेर, प्रत्येक बिट क्रमिक पल्स को चरण भिन्नता द्वारा इन्कोड गरिनेछ। यो 2,88 Gbps मा काम गर्न सक्षम हुनेछ, तर यसको लागि धेरै पावर चाहिन्छ। डिटेक्टरहरू केवल उच्च-ऊर्जा संकेतहरूमा पल्स भिन्नताहरू पत्ता लगाउन सक्षम छन्, त्यसैले DPSK ले पृथ्वीको नजिकको सञ्चारमा राम्रो काम गर्दछ, तर यो गहिरो ठाउँको लागि उत्तम तरिका होइन, जहाँ ऊर्जा भण्डारण समस्याग्रस्त छ। मंगल ग्रहबाट पठाइएको संकेतले पृथ्वीमा पुग्नु अघि नै ऊर्जा गुमाउनेछ, त्यसैले LCRD ले गहिरो ठाउँसँग अप्टिकल संचार प्रदर्शन गर्न थप कुशल प्रविधि, पल्स-फेज मोडुलेशन प्रयोग गर्नेछ।

नासाका इन्जिनियरहरूले LADEE लाई परीक्षणको लागि तयार पार्छन्

2017 मा, इन्जिनियरहरूले थर्मल भ्याकुम चेम्बरमा उडान मोडेमहरूको परीक्षण गरे

"अनिवार्य रूपमा, यो फोटोनहरू गणना गर्दैछ," अब्राहम बताउँछन्। - सञ्चारको लागि छुट्याइएको छोटो अवधि धेरै समय खण्डहरूमा विभाजित गरिएको छ। डाटा प्राप्त गर्न, तपाईंले भर्खरै जाँच गर्न आवश्यक छ कि प्रत्येक खाली ठाउँमा फोटानहरू डिटेक्टरसँग टकराए। यसरी FIM मा डेटा इन्कोड गरिएको छ।" यो मोर्स कोड जस्तै हो, केवल सुपर-फास्ट गतिमा। कि त त्यहाँ एक निश्चित क्षणमा फ्ल्यास छ, वा त्यहाँ छैन, र सन्देश फ्ल्याशहरूको अनुक्रम द्वारा इन्कोड गरिएको छ। "यद्यपि यो DPSK भन्दा धेरै सुस्त छ, हामी अझै पनि दशौं वा सय Mbps को गतिमा मंगल ग्रहको दूरीमा अप्टिकल संचार स्थापित गर्न सक्छौं," अब्राहम थप्छन्।

अवश्य पनि, LCRD परियोजना यी दुई टर्मिनलहरूको बारेमा मात्र होइन। यसले अन्तरिक्षमा इन्टरनेट नोडको रूपमा पनि काम गर्नुपर्छ। जमिनमा, LCRD सञ्चालन गर्ने तीनवटा स्टेशनहरू हुनेछन्: एउटा न्यू मेक्सिकोको ह्वाइट स्यान्ड्समा, एउटा क्यालिफोर्नियाको टेबल माउन्टेनमा, र एउटा हवाई वा माउईको टापुमा। एउटा स्टेसनमा खराब मौसम भएमा एउटा ग्राउन्ड स्टेशनबाट अर्को स्टेसनमा स्विचओभर परीक्षण गर्ने विचार हो। मिशनले डाटा ट्रान्समिटरको रूपमा LCRD को सञ्चालनको पनि परीक्षण गर्नेछ। एउटा स्टेशनबाट अप्टिकल सिग्नल उपग्रहमा जानेछ र त्यसपछि अर्को स्टेशनमा पठाइनेछ - र यो सबै अप्टिकल संचार मार्फत।

यदि यो तुरुन्तै डाटा स्थानान्तरण गर्न सम्भव छैन भने, LCRD ले यसलाई भण्डार गर्नेछ र सम्भव हुँदा स्थानान्तरण गर्नेछ। यदि डाटा अत्यावश्यक छ, वा बोर्डमा पर्याप्त भण्डारण ठाउँ छैन भने, LCRD ले यसलाई आफ्नो का-ब्यान्ड एन्टेना मार्फत तुरुन्तै पठाउनेछ। त्यसैले, भविष्यको ट्रान्समिटर उपग्रहहरूको अग्रसर, LCRD एक हाइब्रिड रेडियो-अप्टिकल प्रणाली हुनेछ। यो ठ्याक्कै त्यस्तो प्रकारको एकाई हो जुन NASA ले २०३० को दशकमा गहिरो ठाउँको मानव अन्वेषणलाई समर्थन गर्ने अन्तरग्रहीय नेटवर्क व्यवस्थित गर्न मंगल ग्रहको वरिपरि कक्षमा राख्न आवश्यक छ।

मंगल ग्रह अनलाइन ल्याउँदै

गत वर्षमा, अब्राहमको टोलीले गहिरो अन्तरिक्ष संचारको भविष्यको वर्णन गर्ने दुईवटा कागजातहरू लेखेको छ, जुन मे २०१९ मा फ्रान्समा हुने SpaceOps सम्मेलनमा प्रस्तुत गरिनेछ। एउटाले सामान्य रूपमा गहिरो अन्तरिक्ष सञ्चारको वर्णन गर्छ, अर्को (“मानव अन्वेषणको युगको लागि मंगल ग्रह अन्तर्ग्रहीय नेटवर्क - सम्भावित समस्या र समाधानहरू") ले रातो ग्रहमा अन्तरिक्ष यात्रीहरूको लागि इन्टरनेट-जस्तो सेवा प्रदान गर्न सक्षम पूर्वाधारको विस्तृत विवरण प्रदान गर्‍यो।

अधिकतम औसत डेटा स्थानान्तरण दरहरूको अनुमान डाउनलोडको लागि 215 Mbps र अपलोडको लागि 28 Mbps थियो। मार्टियन इन्टरनेटले तीनवटा नेटवर्कहरू समावेश गर्नेछ: सतहमा अनुसन्धान क्षेत्र कभर गर्ने वाइफाइ, सतहबाट पृथ्वीमा डाटा प्रसारण गर्ने ग्रह नेटवर्क, र स्थलीय नेटवर्क, यो डाटा प्राप्त गर्न र प्रतिक्रियाहरू पठाउन जिम्मेवार तीन साइटहरू भएको गहिरो अन्तरिक्ष संचार नेटवर्क। मंगल ग्रह मा फर्किनुस्।

‘यस्तो पूर्वाधार विकास गर्दा धेरै समस्या छन् । यो 2,67 AU को मंगल ग्रहको अधिकतम दूरीमा पनि भरपर्दो र स्थिर हुनुपर्छ। उच्च सौर्य संयोजनको अवधिमा, जब मंगल ग्रह सूर्यको पछाडि लुक्छ, "अब्राहम भन्छन्। यस्तो संयोजन हरेक दुई वर्षमा हुन्छ र मंगल ग्रहसँगको सञ्चार पूर्ण रूपमा तोड्छ। "आज हामी यसलाई सामना गर्न सक्दैनौं। मंगल ग्रहमा रहेका सबै ल्यान्डिङ र अर्बिटल स्टेशनहरूले लगभग दुई हप्तासम्म पृथ्वीसँगको सम्पर्क गुमाउँछन्। अप्टिकल कम्युनिकेसनको साथ, सौर्य जडानको कारणले हुने सञ्चारको हानि अझ लामो हुनेछ, १० देखि १५ हप्ता।" रोबोटहरूको लागि, त्यस्ता खाली ठाउँहरू विशेष डरलाग्दो छैनन्। यस्तो पृथकताले तिनीहरूलाई समस्या उत्पन्न गर्दैन, किनभने तिनीहरू बोर हुँदैनन्, एक्लोपन अनुभव गर्दैनन्, उनीहरूलाई आफ्ना प्रियजनहरूलाई हेर्न आवश्यक पर्दैन। तर मानिसको लागि, यो बिल्कुल त्यस्तो छैन।

"त्यसैले, हामी सैद्धान्तिक रूपमा मंगल ग्रहको सतह माथि 17300 किमी माथि गोलाकार भूमध्यरेखीय कक्षमा राखिएका दुईवटा कक्षीय ट्रान्समिटरहरूलाई कमिसन गर्न अनुमति दिन्छौं," अब्राहम जारी राख्छन्। अध्ययनका अनुसार तिनीहरूको तौल प्रत्येक 1500 किलोग्राम हुनुपर्छ, एक्स-ब्यान्ड, का-ब्यान्ड र अप्टिकल ब्यान्डमा सञ्चालित टर्मिनलहरूको सेट बोक्नुपर्छ, र 20-30 किलोवाट क्षमताको सौर्य प्यानलहरूद्वारा संचालित हुनुपर्छ। तिनीहरूले ढिलाइ सहनशील नेटवर्क प्रोटोकललाई समर्थन गर्नुपर्छ - अनिवार्य रूपमा TCP/IP, उच्च ढिलाइहरू ह्यान्डल गर्न डिजाइन गरिएको हो जुन अन्तरग्रहीय नेटवर्कहरूले अनिवार्य रूपमा अनुभव गर्नेछ। नेटवर्कमा भाग लिने कक्षीय स्टेशनहरूले ग्रहको सतहमा अन्तरिक्ष यात्रीहरू र सवारी साधनहरू, ग्राउन्ड स्टेशनहरू र एकअर्कासँग सञ्चार गर्न सक्षम हुनुपर्दछ।

"यो क्रसस्टक धेरै महत्त्वपूर्ण छ किनभने यसले 250 Mbps मा डाटा प्रसारण गर्न आवश्यक एन्टेनाको संख्या घटाउँछ," अब्राहम भन्छन्। उनको टोलीको अनुमान छ कि परिक्रमा गर्ने ट्रान्समिटरहरू मध्ये एकबाट 250 Mbps डाटा प्राप्त गर्न छ 34-मीटर एन्टेनाको एर्रे आवश्यक पर्दछ। यसको मतलब नासाले गहिरो अन्तरिक्ष सञ्चार साइटहरूमा तीन थप एन्टेनाहरू निर्माण गर्न आवश्यक छ, तर यी निर्माण गर्न वर्षौं लाग्छ र अत्यन्त महँगो छ। "तर हामी सोच्दछौं कि दुईवटा अर्बिटल स्टेशनहरूले डेटा साझा गर्न सक्छन् र 125 Mbps को गतिमा एकै समयमा पठाउन सक्छन्, जहाँ एक ट्रान्समिटरले डाटा प्याकेटको आधा पठाउनेछ र अर्कोले अर्को पठाउनेछ," अब्राहम भन्छन्। । आज पनि, ३४ मिटर गहिरो अन्तरिक्ष संचार एन्टेनाले एकै पटकमा चार फरक अन्तरिक्ष यानबाट डाटा प्राप्त गर्न सक्छ, जसको परिणामस्वरूप कार्य पूरा गर्न तीनवटा एन्टेनाको आवश्यकता पर्दछ। "आकाशको एउटै क्षेत्रबाट दुई 34 Mbps प्रसारणहरू प्राप्त गर्न एउटै संख्यामा एन्टेनाहरू लिन्छ जुन एक प्रसारण प्राप्त गर्न लिन्छ," अब्राहम बताउँछन्। "तपाईंलाई उच्च गतिमा सञ्चार गर्न आवश्यक भएमा मात्र थप एन्टेनाहरू आवश्यक पर्दछ।"

सौर्य जडानको समस्या समाधान गर्न, अब्राहमको टोलीले सूर्य-मंगल/सूर्य-पृथ्वी कक्षाको L4/L5 बिन्दुहरूमा ट्रान्समिटर उपग्रह प्रक्षेपण गर्ने प्रस्ताव राख्यो। त्यसपछि, जडानको अवधिमा, यसको माध्यमबाट संकेतहरू पठाउनुको सट्टा सूर्यको वरिपरि डाटा प्रसारण गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। दुर्भाग्यवश, यस अवधिमा, गति 100 Kbps मा खस्नेछ। सरल शब्दमा, यसले काम गर्नेछ, तर बेकार।

यस बीचमा, मंगल ग्रहमा हुने अन्तरिक्ष यात्रीहरूले बिरालोको बच्चाको तस्बिर प्राप्त गर्न तीन मिनेट मात्र कुर्नु पर्नेछ, 40 मिनेटसम्मको ढिलाइलाई गणना नगरी। सौभाग्य देखि, मानवताको महत्वाकांक्षाले हामीलाई रातो ग्रह भन्दा पनि टाढा लैजाँदा, अन्तर्ग्रहीय इन्टरनेटले धेरैजसो समय राम्रोसँग काम गरिरहेको हुन्छ।

स्रोत: www.habr.com