"Det er nesten ingen steder å forbedre teknologien som fungerer på radiofrekvenser. Enkle løsninger slutt"
Den 26. november 2018 klokken 22:53 Moskva-tid lyktes NASA igjen – InSight-sonden landet vellykket på overflaten av Mars etter reentry, nedstigning og landingsmanøvrer, som senere ble kalt «seks og et halvt minutts skrekk». En passende beskrivelse, fordi NASA-ingeniører ikke umiddelbart kunne vite om romsonden hadde landet på overflaten av planeten, på grunn av tidsforsinkelsen i kommunikasjonen mellom Jorden og Mars, som var omtrent 8,1 minutter. I løpet av dette vinduet kunne ikke InSight stole på sine mer moderne og kraftige antenner – alt var avhengig av gammeldags UHF-kommunikasjon (denne metoden har lenge vært brukt i alt fra TV-sendinger og walkie-talkies til Bluetooh-enheter).
Som et resultat ble kritiske data om tilstanden til InSight overført på radiobølger med en frekvens på 401,586 MHz til to satellitter -, WALL-E og EVE, som deretter sendte data med en hastighet på 8 Kbps til 70-meters antenner plassert på jorden. Cubesatsene ble skutt opp på samme rakett som InSight, og de fulgte den på reisen til Mars for å observere landingen og sende data hjem umiddelbart. Andre Mars-skip i bane, som f.eks (MRS), var i en ubehagelig posisjon og kunne først ikke gi sanntidsmeldinger med landeren. For ikke å si at hele landingen var avhengig av to eksperimentelle koffert-størrelse Cubesats hver, men MRS ville bare kunne overføre data fra InSight etter en enda lengre ventetid.
InSight-landingen satte faktisk hele NASAs kommunikasjonsarkitektur, «the Mars Network», på prøve. Signalet fra InSight-landeren, sendt til satellitter i bane, ville uansett ha nådd jorden, selv om satellittene sviktet. WALL-E og EVE var nødvendig for umiddelbar informasjonsoverføring, og de klarte det. Hvis disse Cubsatsene av en eller annen grunn ikke fungerte, var MRS klar til å spille sin rolle. Hver av dem fungerte som en node på et Internett-lignende nettverk, og dirigerte datapakker gjennom forskjellige terminaler som består av forskjellig utstyr. I dag er den mest effektive av dem MRS, som er i stand til å overføre data med hastigheter på opptil 6 Mbps (og dette er den nåværende rekorden for interplanetære oppdrag). NASA har imidlertid måttet operere med mye lavere hastigheter tidligere – og vil trenge mye raskere dataoverføring i fremtiden.
I likhet med Internett-leverandøren din tillater NASA Internett-brukere kommunikasjon med romfartøy i sanntid.
Deep Space Network
Med den økende tilstedeværelsen av NASA i verdensrommet dukker det stadig opp forbedrede kommunikasjonssystemer som dekker mer og mer plass: først var det lav jordbane, deretter geosynkron bane og månen, og snart gikk kommunikasjonen dypere ut i verdensrommet. Det hele startet med en rå håndholdt radio som brukte amerikanske militærbaser i Nigeria, Singapore og California for å motta telemetri fra Explorer 1, den første satellitten som ble lansert av amerikanerne i 1958. Sakte men sikkert har dette grunnlaget utviklet seg til dagens avanserte meldingssystemer.
Douglas Abraham, leder for strategisk og systemprognoser ved NASAs interplanetære nettverksdirektorat, fremhever tre uavhengig utviklede nettverk for meldingsutveksling i verdensrommet. Near Earth Network opererer med romfartøyer i lav jordbane. "Det er et sett med antenner, for det meste 9m til 12m. Det er noen få store, 15m til 18m," sier Abraham. Deretter, over jordens geosynkrone bane, er det flere sporings- og datasatellitter (TDRS). "De kan se ned på satellitter i lav jordbane og kommunisere med dem, og deretter overføre denne informasjonen via TDRS til bakken," forklarer Abraham. "Dette satellittdataoverføringssystemet kalles NASAs romnettverk."
Men selv TDRS var ikke nok til å kommunisere med et romfartøy som gikk langt utenfor Månens bane til andre planeter. "Så vi måtte lage et nettverk som dekker hele solsystemet. Og dette er Deep Space Network, DSN, sier Abraham. Martian Network er en utvidelse .
Gitt omfanget og planene, er DSN det mest komplekse av de listede systemene. Faktisk er dette et sett med store antenner, fra 34 til 70 m i diameter. Hver av de tre DSN-stedene har flere 34m-antenner og en 70m-antenne. Ett sted ligger i Goldstone (California), et annet nær Madrid (Spania), og det tredje i Canberra (Australia). Disse stedene ligger omtrent 120 grader fra hverandre rundt om på kloden, og gir XNUMX/XNUMX dekning for alle romfartøyer utenfor geosynkron bane.
34m antenner er DSNs kjerneutstyr og kommer i to varianter: gamle høyeffektive antenner og relativt nye bølgelederantenner. Forskjellen er at bølgelederantennen har fem presise RF-speil som reflekterer signalene ned et rør til et underjordisk kontrollrom, hvor elektronikken som analyserer disse signalene er bedre beskyttet mot alle kilder til interferens. 34-meters-antennene, som fungerer individuelt eller i grupper på 2-3 retter, kan gi det meste av kommunikasjonen NASA trenger. Men for spesielle tilfeller der avstandene blir for lange for selv noen få 34m-antenner, bruker DSN-ledelsen 70m-monstre.
"De spiller en viktig rolle i flere tilfeller," sier Abraham om store antenner. Den første er når romfartøyet er så langt fra jorden at det vil være umulig å etablere kommunikasjon med det ved hjelp av en mindre tallerken. "Gode eksempler vil være New Horizons-oppdraget, som allerede har fløyet langt utenfor Pluto, eller Voyager-romfartøyet, som er utenfor solsystemet. Bare 70 meter lange antenner er i stand til å komme gjennom dem og levere dataene deres til jorden, forklarer Abraham.
70-metersskålene brukes også når romfartøyet ikke er i stand til å betjene boosterantennen, enten på grunn av en planlagt kritisk situasjon som for eksempel baneinngang, eller fordi noe går veldig galt. Den 70 meter lange antennen ble for eksempel brukt til å returnere Apollo 13 trygt til jorden. Hun adopterte også Neil Armstrongs berømte linje, "Et lite skritt for mennesket, et gigantisk skritt for menneskeheten." Og selv i dag er DSN fortsatt det mest avanserte og sensitive kommunikasjonssystemet i verden. "Men av mange grunner har den allerede nådd sin grense," advarer Abraham. "Det er nesten ingen steder å forbedre teknologi som fungerer på radiofrekvenser. Enkle løsninger tar slutt."
Tre bakkestasjoner 120 grader fra hverandre
DSN-plater i Canberra
DSN-kompleks i Madrid
DSN i Goldstone
Kontrollrom ved Jet Propulsion Laboratory
Radio og hva som kommer etter den
Denne historien er ikke ny. Historien om romkommunikasjon består av en konstant kamp for å øke frekvenser og forkorte bølgelengder. Explorer 1 brukte frekvenser på 108 MHz. NASA introduserte deretter større antenner med bedre fortjeneste som støttet frekvenser fra L-båndet, fra 1 til 2 GHz. Så kom turen til S-båndet, med frekvenser fra 2 til 4 GHz, og så gikk byrået over til X-båndet, med frekvenser på 7-11,2 GHz.
I dag gjennomgår romkommunikasjonssystemer igjen endringer – nå går de over til 26-40 GHz-båndet, Ka-båndet. "Årsaken til denne trenden er at jo kortere bølgelengder og jo høyere frekvenser, jo flere datahastigheter kan du få," sier Abraham.
Det er grunner til optimisme, gitt at hastigheten på kommunikasjonsutviklingen ved NASA historisk sett har vært ganske høy. En forskningsartikkel fra 2014 fra Jet Propulsion Laboratory siterer følgende gjennomstrømningsdata for sammenligning: Hvis vi brukte Explorer 1s kommunikasjonsteknologier for å overføre et typisk iPhone-bilde fra Jupiter til Jorden, ville det ta 460 ganger lengre tid enn universets nåværende alder. Pionerer 2 og 4 fra 1960-tallet ville tatt 633 000 år. Mariner 9 fra 1971 ville ha klart det på 55 timer. I dag vil det ta MPC tre minutter.
Det eneste problemet er selvfølgelig at mengden data som mottas av romfartøy vokser like raskt, om ikke raskere enn veksten i overføringskapasitet. Over 40 års drift produserte Voyagers 1 og 2 5 TB med informasjon. NISAR Earth Science-satellitten, planlagt oppskyting i 2020, vil produsere 85 TB data per måned. Og hvis jordens satellitter er ganske i stand til å gjøre dette, er det en helt annen historie å overføre et slikt datavolum mellom planeter. Selv en relativt rask MRS vil overføre 85 TB med data til jorden i 20 år.
"Estimerte dataoverføringshastigheter for utforskning av Mars på slutten av 2020-tallet og begynnelsen av 2030-tallet vil være 150 Mbps eller høyere, så la oss regne ut," sier Abraham. – Hvis et romfartøy av MPC-klassen på maksimal avstand fra oss til Mars kan sende omtrent 1 Mbps til en 70-meters antenne på jorden, vil det kreves en rekke 150 150-meters antenner for å etablere kommunikasjon med en hastighet på 70 Mbps . Ja, selvfølgelig, vi kan komme opp med smarte måter å redusere dette absurde beløpet på, men problemet eksisterer åpenbart: å organisere interplanetær kommunikasjon med en hastighet på 150 Mbps er ekstremt vanskelig. I tillegg går vi tom for spekteret av tillatte frekvenser.»
Som Abraham demonstrerer, som opererer på S- eller X-båndet, vil et enkelt oppdrag med en kapasitet på 25 Mbps okkupere hele det tilgjengelige spekteret. Det er mer plass i Ka-båndet, men bare to Mars-satellitter med en båndbredde på 150 Mbps vil okkupere hele spekteret. Enkelt sagt, det interplanetariske internett vil kreve mer enn bare radio for å fungere – det vil stole på lasere.
Fremkomsten av optisk kommunikasjon
Lasere høres futuristiske ut, men ideen om optisk kommunikasjon kan spores tilbake til et patent innlevert av Alexander Graham Bell på 1880-tallet. Bell utviklet et system der sollys, fokusert på en veldig smal stråle, ble rettet mot en reflekterende membran som vibrerte på grunn av lyder. Vibrasjonene forårsaket variasjoner i lyset som passerer gjennom linsen inn i den rå fotodetektoren. Endringer i motstanden til fotodetektoren endret strømmen som strømmet gjennom telefonen.
Systemet var ustabilt, volumet var veldig lavt, og Bell forlot til slutt denne ideen. Men nesten 100 år senere, bevæpnet med lasere og fiberoptikk, er NASA-ingeniører tilbake til det gamle konseptet.
"Vi visste om begrensningene til radiofrekvenssystemer, så på slutten av 1970-tallet, tidlig på 1980-tallet, ved Jet Propulsion Laboratory, begynte de å diskutere muligheten for å overføre meldinger fra det dype rommet ved hjelp av romlasere," sa Abraham. For bedre å forstå hva som er og ikke er mulig innen optisk kommunikasjon i dypt rom, bestilte laboratoriet en fireårig studie, Deep Space Relay Satellite System (DSRSS), på slutten av 1980-tallet. Studien skulle svare på kritiske spørsmål: hva med vær- og siktproblemene (radiobølger kan tross alt lett passere gjennom skyer, mens lasere ikke kan)? Hva om sol-jord-sonde-vinkelen blir for skarp? Vil en detektor på jorden skille et svakt optisk signal fra sollys? Og til slutt, hvor mye vil alt dette koste og vil det være verdt det? "Vi leter fortsatt etter svar på disse spørsmålene," erkjenner Abraham. "Men svarene bekrefter i økende grad muligheten for optisk dataoverføring."
DSRSS antydet at et punkt over jordens atmosfære ville være best egnet for optisk og radiokommunikasjon. Det ble hevdet at det optiske kommunikasjonssystemet installert på orbitalstasjonen ville fungere bedre enn noen terrestrisk arkitektur, inkludert de ikoniske 70-meters antennene. Det var ment å utplassere en 10-meters skål i bane nær jorden, og deretter heve den til geosynkron. Kostnaden for et slikt system - bestående av en satellitt med en parabol, en oppskytningsrakett og fem brukerterminaler - var imidlertid uoverkommelige. Dessuten inkluderte studien ikke engang kostnadene for det nødvendige hjelpesystemet, som ville tre i drift i tilfelle en satellittfeil.
Som dette systemet begynte laboratoriet å se på bakkearkitekturen beskrevet i Ground Based Advanced Technology Study (GBATS) utført ved laboratoriet omtrent samtidig som DRSS. Personene som jobbet på GBATS kom med to alternative forslag. Den første er installasjonen av seks stasjoner med 10 meter antenner og meter reserveantenner, plassert 60 grader fra hverandre rundt ekvator. Stasjoner måtte bygges på fjelltopper, der minst 66 % av årets dager var klare. Dermed vil 2-3 stasjoner alltid være synlige for ethvert romfartøy, og de vil ha forskjellig vær. Det andre alternativet er ni stasjoner, gruppert i grupper på tre, og plassert 120 grader fra hverandre. Stasjoner innenfor hver gruppe bør plasseres 200 km fra hverandre slik at de er i sikte, men i forskjellige værceller.
Begge GBATS-arkitekturene var billigere enn plasstilnærmingen, men de hadde også problemer. For det første, fordi signalene måtte passere gjennom jordens atmosfære, ville mottak på dagtid være mye verre enn nattmottak på grunn av den opplyste himmelen. Til tross for det smarte arrangementet, vil bakkebaserte optiske stasjoner være avhengig av været. Et romfartøy som retter en laser mot en bakkestasjon vil til slutt måtte tilpasse seg dårlige værforhold og gjenopprette kommunikasjonen med en annen stasjon som ikke er skjult av skyer.
Uansett problemer, la DSRSS- og GBATS-prosjektene det teoretiske grunnlaget for optiske systemer for dypt rom og moderne utvikling av ingeniører ved NASA. Det gjensto bare å bygge et slikt system og demonstrere ytelsen. Heldigvis var det bare noen måneder unna.
Gjennomføring av prosjektet
På det tidspunktet hadde optisk dataoverføring i rommet allerede funnet sted. Den første testen ble utført i 1992 da Galileo-sonden var på vei mot Jupiter og svingte sitt høyoppløselige kamera mot Jorden for å motta et sett med laserpulser fra 60 cm Table Mountain Observatory Telescope og 1,5 m USAF Starfire Optical Telescope. i New Mexico. I det øyeblikket var Galileo 1,4 millioner km fra jorden, men begge laserstrålene traff kameraet hans.
De japanske og europeiske romfartsorganisasjonene har også vært i stand til å etablere optisk kommunikasjon mellom bakkestasjoner og satellitter i jordens bane. De var da i stand til å etablere en 50 Mbps-forbindelse mellom de to satellittene. For noen år siden etablerte et tysk team en 5,6 Gbps koherent toveis optisk kobling mellom en NFIRE-satellitt i jordbane og en bakkestasjon på Tenerife, Spania. Men alle disse tilfellene var assosiert med bane nær jorden.
Den aller første optiske forbindelsen som forbinder en bakkestasjon og et romfartøy i bane rundt en annen planet i solsystemet ble installert i januar 2013. Et svart-hvitt bilde på 152 x 200 piksler av Mona Lisa ble overført fra Next Generation Satellite Laser Range Station ved NASAs Goddard Space Flight Center til Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) med 300 bps. Kommunikasjonen var enveis. LRO sendte bildet mottatt fra jorden tilbake via konvensjonell radio. Bildet trengte litt programvarefeilretting, men selv uten denne kodingen var det lett å gjenkjenne. Og på den tiden var lanseringen av et kraftigere system til Månen allerede planlagt.
Fra Lunar Reconnaissance Orbiter-prosjektet i 2013: For å rydde opp i overføringsfeil introdusert av jordens atmosfære (til venstre), brukte forskere ved Goddard Space Flight Center Reed-Solomon feilretting (høyre), som er mye brukt i CDer og DVDer. Typiske feil inkluderer manglende piksler (hvite) og falske signaler (svarte). En hvit strek indikerer en liten pause i overføringen.
«» (LADEE) gikk inn i månens bane 6. oktober 2013, og bare en uke senere lanserte den sin pulserende laser for dataoverføring. Denne gangen prøvde NASA å organisere toveiskommunikasjon med en hastighet på 20 Mbps i den retningen og en rekordhastighet på 622 Mbps i motsatt retning. Det eneste problemet var den korte levetiden til oppdraget. Optisk kommunikasjon LRO virket i bare noen få minutter. LADEE kommuniserte med laseren sin i 16 timer i totalt 30 dager. Denne situasjonen bør endres når Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD) skytes opp, planlagt til juni 2019. Dens oppgave er å vise hvordan fremtidige kommunikasjonssystemer i verdensrommet vil fungere.
LCRD utvikles ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i samarbeid med Lincoln Laboratory ved MIT. Den vil ha to optiske terminaler: en for kommunikasjon i lav jordbane, den andre for dypt rom. Den første må bruke differensiell faseskiftnøkkel (DPSK). Senderen vil sende laserpulser med en frekvens på 2,88 GHz. Ved å bruke denne teknologien vil hver bit bli kodet av faseforskjellen til påfølgende pulser. Den vil kunne operere med 2,88 Gbps, men den vil kreve mye strøm. Detektorer er kun i stand til å oppdage pulsforskjeller i høyenergisignaler, så DPSK fungerer utmerket med nær-jordkommunikasjon, men det er ikke den beste metoden for dype rom, der energilagring er problematisk. Et signal som sendes fra Mars vil miste energi før det når Jorden, så LCRD vil bruke en mer effektiv teknologi, puls-fasemodulasjon, for å demonstrere optisk kommunikasjon med verdensrommet.
NASA-ingeniører forbereder LADEE for testing
I 2017 testet ingeniører flymodemer i et termisk vakuumkammer
"I hovedsak teller det fotoner," forklarer Abraham. – Den korte perioden avsatt til kommunikasjon er delt inn i flere tidssegmenter. For å få dataene trenger du bare å sjekke om fotonene ved hvert av hullene kolliderte med detektoren. Dette er hvordan dataene er kodet i FIM.» Det er som morsekode, bare i superrask hastighet. Enten er det et blink i et bestemt øyeblikk, eller så er det ikke, og meldingen er kodet av en sekvens av blink. "Selv om dette er mye tregere enn DPSK, kan vi fortsatt etablere optisk kommunikasjon med hastigheter på titalls eller hundrevis av Mbps så langt som til Mars," legger Abraham til.
Selvfølgelig handler LCRD-prosjektet ikke bare om disse to terminalene. Den skal også fungere som en Internett-node i verdensrommet. På bakken vil det være tre stasjoner som opererer LCRD: en i White Sands i New Mexico, en i Table Mountain i California, og en på øya Hawaii eller Maui. Tanken er å teste overgangen fra en bakkestasjon til en annen i tilfelle dårlig vær på en av stasjonene. Oppdraget vil også teste driften av LCRD som en datasender. Det optiske signalet fra en av stasjonene vil gå til satellitten og deretter overføres til en annen stasjon – og alt dette via optisk kommunikasjon.
Hvis det ikke er mulig å overføre dataene umiddelbart, vil LCRD lagre dem og overføre dem når det er mulig. Hvis dataene haster, eller det ikke er nok lagringsplass om bord, vil LCRD sende dem umiddelbart via Ka-båndsantennen. Så, forløperen til fremtidige sendersatellitter, LCRD vil være et hybrid radiooptisk system. Dette er akkurat den typen enhet som NASA trenger å plassere i bane rundt Mars for å organisere et interplanetært nettverk som støtter menneskelig utforskning av verdensrommet på 2030-tallet.
Å bringe Mars på nett
I løpet av det siste året har Abrahams team skrevet to artikler som beskriver fremtiden for dypromskommunikasjon, som vil bli presentert på SpaceOps-konferansen i Frankrike i mai 2019. Den ene beskriver dypromskommunikasjon generelt, den andre (““) tilbød en detaljert beskrivelse av infrastrukturen som er i stand til å tilby en Internett-lignende tjeneste for astronauter på den røde planeten.
Estimater av topp gjennomsnittlige dataoverføringshastigheter var rundt 215 Mbps for nedlasting og 28 Mbps for opplasting. Mars-internettet vil bestå av tre nettverk: WiFi som dekker forskningsområdet på overflaten, planetnettverket som overfører data fra overflaten til jorden, og det terrestriske nettverket, et kommunikasjonsnettverk for dypt rom med tre steder som er ansvarlige for å motta disse dataene og sende svar. tilbake til Mars.
«Når man utvikler en slik infrastruktur, er det mange problemer. Den må være pålitelig og stabil, selv ved maksimal avstand til Mars på 2,67 AU. i perioder med overlegen solkonjunksjon, når Mars gjemmer seg bak solen, sier Abraham. En slik konjunksjon oppstår hvert annet år og bryter kommunikasjonen med Mars fullstendig. "I dag kan vi ikke håndtere det. Alle landings- og orbitalstasjonene som er på Mars mister rett og slett kontakten med jorden i omtrent to uker. Med optisk kommunikasjon vil kommunikasjonstapet på grunn av solforbindelsen bli enda lengre, 10 til 15 uker.» For roboter er ikke slike hull spesielt skumle. Slik isolasjon gir dem ikke problemer, fordi de ikke kjeder seg, ikke opplever ensomhet, de trenger ikke å se sine kjære. Men for mennesker er det ikke sånn i det hele tatt.
"Derfor tillater vi teoretisk sett igangsetting av to orbitale sendere plassert i en sirkulær ekvatorialbane 17300 1500 km over overflaten til Mars," fortsetter Abraham. I følge studien skal de veie 20 kg hver, ha et sett med terminaler som opererer i X-båndet, Ka-båndet og optisk bånd, og drives av solcellepaneler med en kapasitet på 30-XNUMX kW. De må støtte Delay Tolerant Network Protocol – i hovedsak TCP/IP, designet for å håndtere de høye forsinkelsene som interplanetære nettverk uunngåelig vil oppleve. Orbitalstasjonene som deltar i nettverket må kunne kommunisere med astronauter og kjøretøy på planetens overflate, med bakkestasjoner og med hverandre.
"Denne krysstalen er veldig viktig fordi den reduserer antallet antenner som kreves for å overføre data med 250 Mbps," sier Abraham. Teamet hans anslår at en rekke med seks 250-meters antenner vil være nødvendig for å motta 34 Mbps data fra en av senderne i bane. Dette betyr at NASA må bygge tre ekstra antenner på deep space-kommunikasjonsstedene, men disse tar år å bygge og er ekstremt dyre. "Men vi tror at to orbitalstasjoner kan dele data seg imellom og sende dem samtidig med en hastighet på 125 Mbps, der en sender vil sende den ene halvdelen av datapakken og den andre sender den andre," sier Abraham . Selv i dag kan 34 meter dype romkommunikasjonsantenner samtidig motta data fra fire forskjellige romfartøyer samtidig, noe som resulterer i at det trengs tre antenner for å fullføre oppgaven. "Det krever samme antall antenner for å motta to 125 Mbps-sendinger fra samme område på himmelen som det tar å motta en sending," forklarer Abraham. "Flere antenner trengs bare hvis du trenger å kommunisere med høyere hastighet."
For å håndtere problemet med soltilkobling, foreslo Abrahams team å skyte opp en sendersatellitt til L4/L5-punktene i banen Sol-Mars/Sun-Jord. Deretter, i perioder med tilkobling, kan den brukes til å overføre data rundt solen, i stedet for å sende signaler gjennom den. Dessverre, i løpet av denne perioden, vil hastigheten synke til 100 Kbps. Enkelt sagt, det vil fungere, men suger.
I mellomtiden vil kommende astronauter på Mars måtte vente litt over tre minutter på å motta et bilde av en kattunge, ikke medregnet forsinkelser som kan være opptil 40 minutter. Heldigvis, når menneskehetens ambisjoner driver oss enda lenger enn den røde planeten, vil det interplanetariske internett allerede fungere ganske bra mesteparten av tiden.
Kilde: www.habr.com