“Não há quase nenhum lugar para melhorar a tecnologia que funciona em frequências de rádio. Fim das Soluções Fáceis"
Em 26 de novembro de 2018, às 22h53, horário de Moscou, a NASA teve sucesso novamente - a sonda InSight pousou com sucesso na superfície de Marte após manobras de reentrada, descida e pouso, que mais tarde foram apelidadas de "seis minutos e meio de horror". Uma descrição adequada, porque os engenheiros da NASA não puderam saber imediatamente se a sonda espacial havia pousado com sucesso na superfície do planeta, devido ao atraso nas comunicações entre a Terra e Marte, que foi de aproximadamente 8,1 minutos. Durante esta janela, o InSight não podia contar com suas antenas mais modernas e poderosas - tudo dependia das comunicações UHF antiquadas (esse método é usado há muito tempo em tudo, desde transmissões de TV e walkie-talkies até dispositivos Bluetooh).
Como resultado, dados críticos sobre o estado do InSight foram transmitidos em ondas de rádio com frequência de 401,586 MHz para dois satélites -, WALL-E e EVE, que transmitiram dados a uma velocidade de 8 Kbps para antenas de 70 metros localizadas na Terra. Os Cubesats foram lançados no mesmo foguete do InSight e o acompanharam em sua jornada a Marte para observar o pouso e transmitir dados de volta para casa imediatamente. Outras naves marcianas em órbita, como (MRS), estavam em uma posição desconfortável e não puderam, a princípio, enviar mensagens em tempo real ao módulo de pouso. Não quer dizer que todo o pouso dependesse de dois Cubesats experimentais do tamanho de uma mala cada, mas o MRS só seria capaz de transmitir dados do InSight depois de uma espera ainda maior.
O pouso do InSight realmente colocou toda a arquitetura de comunicações da NASA, "a Rede Mars", à prova. O sinal da sonda InSight, transmitido aos satélites em órbita, teria chegado à Terra de qualquer maneira, mesmo que os satélites falhassem. WALL-E e EVE eram necessários para a transferência instantânea de informações, e eles fizeram isso. Se esses Cubsats não funcionassem por algum motivo, a MRS estava pronta para desempenhar seu papel. Cada um deles agia como um nó em uma rede semelhante à Internet, roteando pacotes de dados por diferentes terminais compostos por diferentes equipamentos. Hoje, o mais eficiente deles é o MRS, capaz de transmitir dados em velocidades de até 6 Mbps (e este é o atual recorde de missões interplanetárias). No entanto, a NASA teve que operar em velocidades muito mais lentas no passado - e precisará de transferência de dados muito mais rápida no futuro.
Como seu ISP, a NASA permite que os usuários da Internet comunicação com naves espaciais em tempo real.
Rede Espacial Profunda
Com a presença crescente da NASA no espaço, sistemas de comunicação aprimorados estão aparecendo constantemente, cobrindo cada vez mais espaço: primeiro era a órbita baixa da Terra, depois a órbita geossíncrona e a Lua, e logo as comunicações foram mais profundas no espaço. Tudo começou com um rádio portátil tosco que usava bases militares americanas na Nigéria, Cingapura e Califórnia para receber telemetria do Explorer 1, o primeiro satélite lançado com sucesso pelos americanos em 1958. Lenta mas seguramente, essa base evoluiu para os sistemas de mensagens avançados de hoje.
Douglas Abraham, chefe de previsão estratégica e de sistemas do Interplanetary Network Directorate da NASA, destaca três redes desenvolvidas independentemente para mensagens no espaço. A Near Earth Network opera com espaçonaves em órbita baixa da Terra. "É um conjunto de antenas, a maioria de 9m a 12m. Há algumas grandes, de 15m a 18m", diz Abraham. Então, acima da órbita geossíncrona da Terra, existem vários satélites de rastreamento e dados (TDRS). “Eles podem olhar para os satélites em órbita baixa da Terra e se comunicar com eles, e então transmitir essas informações via TDRS para o solo”, explica Abraham. “Este sistema de transmissão de dados por satélite é chamado de rede espacial da NASA.”
Mas mesmo o TDRS não foi suficiente para se comunicar com uma espaçonave que foi muito além da órbita da Lua para outros planetas. “Então tivemos que criar uma rede cobrindo todo o sistema solar. E esta é a Deep Space Network, DSN”, diz Abraham. A Rede Marciana é uma extensão .
Dada a extensão e os planos, o DSN é o mais complexo dos sistemas listados. Na verdade, trata-se de um conjunto de grandes antenas, de 34 a 70 m de diâmetro. Cada um dos três sites DSN tem várias antenas de 34m e uma antena de 70m. Um site está localizado em Goldstone (Califórnia), outro perto de Madrid (Espanha) e o terceiro em Camberra (Austrália). Esses locais estão localizados a aproximadamente 120 graus de distância ao redor do globo e fornecem cobertura XNUMX horas por dia, XNUMX dias por semana para todas as espaçonaves fora da órbita geossíncrona.
As antenas de 34 m são o equipamento principal da DSN e vêm em duas variedades: antenas antigas de alta eficiência e relativamente novas antenas de guia de onda. A diferença é que a antena de guia de onda possui cinco espelhos de RF precisos que refletem os sinais por um tubo até uma sala de controle subterrânea, onde os componentes eletrônicos que analisam esses sinais estão mais protegidos de todas as fontes de interferência. As antenas de 34 metros, trabalhando individualmente ou em grupos de 2 a 3 antenas, podem fornecer a maior parte da comunicação necessária à NASA. Mas para casos especiais em que as distâncias se tornam muito longas mesmo para algumas antenas de 34m, o gerenciamento DSN usa monstros de 70m.
“Elas desempenham um papel importante em vários casos”, diz Abraham sobre grandes antenas. A primeira é quando a espaçonave estiver tão longe da Terra que será impossível estabelecer comunicação com ela usando um prato menor. “Bons exemplos seriam a missão New Horizons, que já voou muito além de Plutão, ou a espaçonave Voyager, que está fora do sistema solar. Apenas antenas de 70 metros conseguem chegar até eles e entregar seus dados à Terra”, explica Abraham.
Os pratos de 70 metros também são usados quando a espaçonave não consegue operar a antena auxiliar, seja devido a uma situação crítica planejada, como entrada orbital, ou porque algo deu muito errado. A antena de 70 metros, por exemplo, foi usada para devolver a Apollo 13 à Terra com segurança. Ela também adotou a famosa frase de Neil Armstrong: "Um pequeno passo para o homem, um passo gigante para a humanidade". E ainda hoje, o DSN continua sendo o sistema de comunicação mais avançado e sensível do mundo. “Mas, por muitos motivos, já chegou ao seu limite”, adverte Abraham. “Não há quase nenhum lugar para melhorar a tecnologia que funciona em frequências de rádio. Soluções simples estão se esgotando."
Três estações terrestres separadas por 120 graus
Placas DSN em Camberra
Complexo DSN em Madri
DSN em Goldstone
Sala de controle no Laboratório de Propulsão a Jato
Rádio e o que vem depois
Esta história não é nova. A história das comunicações no espaço profundo consiste em uma luta constante para aumentar as frequências e diminuir os comprimentos de onda. O Explorer 1 usou frequências de 108 MHz. A NASA então introduziu antenas maiores e com melhor ganho que suportavam frequências da banda L, de 1 a 2 GHz. Depois chegou a vez da banda S, com frequências de 2 a 4 GHz, e depois a agência mudou para a banda X, com frequências de 7 a 11,2 GHz.
Hoje, os sistemas de comunicação espacial estão novamente passando por mudanças - agora eles estão se movendo para a banda de 26-40 GHz, a banda Ka. “A razão para essa tendência é que quanto mais curtos os comprimentos de onda e mais altas as frequências, mais taxas de dados você pode obter”, diz Abraham.
Há motivos para otimismo, visto que historicamente a velocidade de desenvolvimento da comunicação na NASA tem sido bastante alta. Um trabalho de pesquisa de 2014 do Laboratório de Propulsão a Jato cita os seguintes dados de transferência para comparação: se usássemos as tecnologias de comunicação do Explorer 1 para transferir uma foto típica do iPhone de Júpiter para a Terra, levaria 460 vezes mais tempo do que o Universo atual. Os pioneiros 2 e 4 da década de 1960 teriam levado 633 anos. A Mariner 000 de 9 teria feito isso em 1971 horas. Hoje o MPC levará três minutos.
O único problema, é claro, é que a quantidade de dados recebidos pelas espaçonaves está crescendo tão rápido, senão mais rápido do que o crescimento das capacidades de transmissão. Ao longo de 40 anos de operação, as Voyagers 1 e 2 produziram 5 TB de informação. O satélite NISAR Earth Science, com lançamento previsto para 2020, produzirá 85 TB de dados por mês. E se os satélites da Terra são capazes de fazer isso, transferir esse volume de dados entre planetas é uma história completamente diferente. Mesmo um MRS relativamente rápido transmitirá 85 TB de dados para a Terra por 20 anos.
“As taxas estimadas de transferência de dados para a exploração de Marte no final dos anos 2020 e início dos anos 2030 serão de 150 Mbps ou mais, então vamos fazer as contas”, diz Abraham. – Se uma espaçonave da classe MPC na distância máxima de nós a Marte puder enviar cerca de 1 Mbps para uma antena de 70 metros na Terra, então seria necessário um conjunto de 150 antenas de 150 metros para estabelecer comunicação a uma velocidade de 70 Mbps . Sim, claro, podemos encontrar maneiras inteligentes de reduzir um pouco essa quantidade absurda, mas o problema obviamente existe: organizar a comunicação interplanetária a uma velocidade de 150 Mbps é extremamente difícil. Além disso, estamos ficando fora do espectro de frequências permitidas.”
Como demonstra Abraham, operando na banda S ou X, uma única missão com capacidade de 25 Mbps ocupará todo o espectro disponível. Há mais espaço na banda Ka, mas apenas dois satélites de Marte com largura de banda de 150 Mbps ocuparão todo o espectro. Simplificando, a internet interplanetária exigirá mais do que apenas rádio para operar – ela dependerá de lasers.
O advento das comunicações ópticas
Lasers soam futuristas, mas a ideia de comunicações ópticas remonta a uma patente registrada por Alexander Graham Bell na década de 1880. Bell desenvolveu um sistema no qual a luz do sol, focada em um feixe muito estreito, era direcionada para um diafragma reflexivo que vibrava devido aos sons. As vibrações causaram variações na passagem de luz através da lente para o fotodetector bruto. Mudanças na resistência do fotodetector mudaram a corrente que flui pelo telefone.
O sistema estava instável, o volume muito baixo e Bell acabou abandonando a ideia. Mas quase 100 anos depois, armados com lasers e fibra ótica, os engenheiros da NASA estão de volta a esse antigo conceito.
“Estávamos cientes das limitações dos sistemas de RF, então no final dos anos 1970, início dos anos 1980, o JPL começou a discutir a possibilidade de transmitir mensagens do espaço profundo usando lasers espaciais”, disse Abraham. Para entender melhor o que é e o que não é possível nas comunicações ópticas do espaço profundo, o laboratório encomendou um estudo de quatro anos, o Deep Space Relay Satellite System (DSRSS), no final dos anos 1980. O estudo deveria responder a perguntas críticas: e os problemas de clima e visibilidade (afinal, as ondas de rádio podem passar facilmente pelas nuvens, enquanto os lasers não)? E se o ângulo da sonda Sol-Terra se tornar muito agudo? Um detector na Terra distinguirá um sinal óptico fraco da luz solar? E por fim, quanto vai custar tudo isso e valerá a pena? “Ainda estamos procurando respostas para essas perguntas”, reconhece Abraham. “No entanto, as respostas confirmam cada vez mais a possibilidade de transmissão óptica de dados.”
O DSRSS sugeriu que um ponto acima da atmosfera da Terra seria mais adequado para comunicações ópticas e de rádio. Alegou-se que o sistema de comunicações ópticas instalado na estação orbital funcionaria melhor do que qualquer arquitetura terrestre, incluindo as icônicas antenas de 70 metros. Ele deveria implantar um prato de 10 metros em órbita próxima à Terra e, em seguida, elevá-lo para geossíncrono. No entanto, o custo de tal sistema - composto por um satélite com uma antena parabólica, um foguete de lançamento e cinco terminais de usuário - era proibitivo. Além disso, o estudo não incluiu sequer o custo do sistema auxiliar necessário, que entraria em operação em caso de falha do satélite.
Como este sistema, o Laboratório começou a olhar para a arquitetura do solo descrita no Estudo de Tecnologia Avançada Baseada no Solo (GBATS) realizado no Laboratório na mesma época que o DRSS. As pessoas que trabalharam no GBATS apresentaram duas propostas alternativas. A primeira é a instalação de seis estações com antenas de 10 metros e antenas sobressalentes, localizadas a 60 graus entre si em torno do equador. As estações tiveram que ser construídas nos picos das montanhas, onde pelo menos 66% dos dias do ano eram claros. Assim, 2-3 estações sempre estarão visíveis para qualquer espaçonave e terão clima diferente. A segunda opção são nove estações, agrupadas em grupos de três, e localizadas a 120 graus uma da outra. As estações dentro de cada grupo devem estar localizadas a 200 km de distância, de modo que fiquem na linha de visão, mas em células meteorológicas diferentes.
Ambas as arquiteturas GBATS eram mais baratas que a abordagem espacial, mas também apresentavam problemas. Primeiro, porque os sinais tinham que passar pela atmosfera da Terra, a recepção diurna seria muito pior do que a recepção noturna devido ao céu iluminado. Apesar do arranjo inteligente, as estações ópticas terrestres dependerão do clima. Uma espaçonave mirando um laser em uma estação terrestre eventualmente terá que se adaptar às más condições climáticas e restabelecer a comunicação com outra estação que não esteja obscurecida por nuvens.
No entanto, independentemente dos problemas, os projetos DSRSS e GBATS lançaram as bases teóricas para sistemas ópticos do espaço profundo e desenvolvimentos modernos de engenheiros da NASA. Restava apenas construir tal sistema e demonstrar seu desempenho. Felizmente, faltavam apenas alguns meses.
Implementação do projeto
Naquela época, a transmissão óptica de dados no espaço já havia ocorrido. O primeiro teste foi feito em 1992, quando a sonda Galileo se dirigia para Júpiter e desviou sua câmera de alta resolução em direção à Terra para receber com sucesso um conjunto de pulsos de laser do Telescópio do Observatório de Table Mountain de 60 cm e do Telescópio Óptico Starfire da USAF de 1,5 m. no Novo México. Naquele momento, Galileu estava a 1,4 milhão de quilômetros da Terra, mas os dois feixes de laser atingiram sua câmera.
As agências espaciais japonesa e européia também conseguiram estabelecer comunicações ópticas entre estações terrestres e satélites na órbita da Terra. Eles foram então capazes de estabelecer uma conexão de 50 Mbps entre os dois satélites. Há alguns anos, uma equipe alemã estabeleceu um link óptico bidirecional coerente de 5,6 Gbps entre um satélite NFIRE na órbita da Terra e uma estação terrestre em Tenerife, na Espanha. Mas todos esses casos foram associados à órbita próxima da Terra.
O primeiro link óptico conectando uma estação terrestre e uma espaçonave em órbita ao redor de outro planeta do sistema solar foi instalado em janeiro de 2013. Uma imagem em preto e branco de 152 x 200 pixels da Mona Lisa foi transmitida da Next Generation Satellite Laser Range Station no Goddard Space Flight Center da NASA para o Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a 300 bps. A comunicação era unilateral. LRO enviou a imagem recebida da Terra de volta via rádio convencional. A imagem precisava de um pouco de correção de erro de software, mas mesmo sem essa codificação era fácil de reconhecer. E naquela época já estava planejado o lançamento de um sistema mais potente para a Lua.
Do projeto Lunar Reconnaissance Orbiter em 2013: Para limpar os erros de transmissão introduzidos pela atmosfera da Terra (à esquerda), os cientistas do Goddard Space Flight Center aplicaram a correção de erros Reed-Solomon (à direita), que é muito usada em CDs e DVDs. Erros típicos incluem falta de pixels (brancos) e sinais falsos (pretos). Uma barra branca indica uma pequena pausa na transmissão.
«» (LADEE) entrou na órbita da lua em 6 de outubro de 2013 e apenas uma semana depois lançou seu laser pulsado para transmissão de dados. Desta vez, a NASA tentou organizar a comunicação bidirecional a uma velocidade de 20 Mbps nessa direção e uma velocidade recorde de 622 Mbps na direção oposta. O único problema era o curto tempo de vida da missão. A comunicação óptica LRO funcionou por apenas alguns minutos. LADEE se comunicou com seu laser por 16 horas, num total de 30 dias. Essa situação deve mudar com o lançamento do Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD), previsto para junho de 2019. Sua tarefa é mostrar como funcionarão os futuros sistemas de comunicação no espaço.
O LCRD está sendo desenvolvido no Jet Propulsion Laboratory da NASA em colaboração com o Lincoln Laboratory no MIT. Terá dois terminais ópticos: um para comunicação em órbita baixa da Terra e outro para o espaço profundo. O primeiro terá que usar chaveamento de deslocamento de fase diferencial (DPSK). O transmissor enviará pulsos de laser a uma frequência de 2,88 GHz. Usando esta tecnologia, cada bit será codificado pela diferença de fase de pulsos sucessivos. Ele poderá operar a 2,88 Gbps, mas exigirá muita energia. Os detectores só são capazes de detectar diferenças de pulso em sinais de alta energia, então o DPSK funciona muito bem com comunicações próximas à Terra, mas não é o melhor método para o espaço profundo, onde o armazenamento de energia é problemático. Um sinal enviado de Marte perderá energia antes de chegar à Terra, então o LCRD usará uma tecnologia mais eficiente, modulação de fase de pulso, para demonstrar a comunicação óptica com o espaço profundo.
Engenheiros da NASA preparam LADEE para testes
Em 2017, engenheiros testaram modems de voo em uma câmara de vácuo térmico
“Essencialmente, está contando fótons”, explica Abraham. – O curto período alocado para comunicação é dividido em vários segmentos de tempo. Para obter os dados, basta verificar se os fótons de cada uma das lacunas colidiram com o detector. É assim que os dados são codificados no FIM.” É como código Morse, só que em velocidade super rápida. Ou há um flash em determinado momento, ou não há, e a mensagem é codificada por uma sequência de flashes. “Embora seja muito mais lento que o DPSK, ainda podemos estabelecer comunicações ópticas a velocidades de dezenas ou centenas de Mbps até Marte”, acrescenta Abraham.
Claro, o projeto LCRD não é apenas sobre esses dois terminais. Ele também deve funcionar como um nó da Internet no espaço. No solo, haverá três estações operando LCRD: uma em White Sands, no Novo México, uma em Table Mountain, na Califórnia, e uma na ilha do Havaí ou Maui. A ideia é testar a troca de uma estação terrestre para outra em caso de mau tempo em uma das estações. A missão também testará a operação do LCRD como transmissor de dados. O sinal óptico de uma das estações irá para o satélite e depois será transmitido para outra estação - e tudo isso via comunicação óptica.
Se não for possível transferir os dados imediatamente, o LCRD irá armazená-los e transferi-los quando for possível. Se os dados forem urgentes ou não houver espaço de armazenamento suficiente a bordo, o LCRD os enviará imediatamente por meio de sua antena de banda Ka. Portanto, o precursor dos futuros satélites transmissores, o LCRD será um sistema rádio-óptico híbrido. Este é exatamente o tipo de unidade que a NASA precisa colocar em órbita ao redor de Marte para organizar uma rede interplanetária que apoie a exploração humana do espaço profundo na década de 2030.
Colocando Marte online
No ano passado, a equipe de Abraham escreveu dois artigos descrevendo o futuro das comunicações no espaço profundo, que serão apresentados na conferência SpaceOps na França em maio de 2019. Um descreve as comunicações no espaço profundo em geral, o outro (““) ofereceu uma descrição detalhada da infraestrutura capaz de fornecer um serviço semelhante à Internet para os astronautas do Planeta Vermelho.
As taxas de dados médias de pico foram estimadas em 215 Mbps para download e 28 Mbps para upload. A Internet marciana será composta por três redes: WiFi cobrindo a área de pesquisa na superfície, a rede planetária transmitindo dados da superfície para a Terra e a rede terrestre, uma rede de comunicações do espaço profundo com três sites responsáveis por receber esses dados e enviar respostas de volta a Marte.
“Ao desenvolver tal infraestrutura, há muitos problemas. Deve ser confiável e estável, mesmo na distância máxima de Marte de 2,67 UA. durante períodos de conjunção solar superior, quando Marte se esconde atrás do Sol”, diz Abraham. Essa conjunção ocorre a cada dois anos e interrompe completamente a comunicação com Marte. “Hoje não podemos lidar com isso. Todas as estações orbitais e de pouso que estão em Marte simplesmente perdem contato com a Terra por cerca de duas semanas. Com comunicação óptica, a perda de comunicação devido à conexão solar será ainda maior, de 10 a 15 semanas.” Para robôs, essas lacunas não são particularmente assustadoras. Tal isolamento não lhes causa problemas, porque não ficam entediados, não sentem solidão, não precisam ver seus entes queridos. Mas para os humanos, não é nada disso.
“Portanto, teoricamente permitimos o comissionamento de dois transmissores orbitais colocados em uma órbita equatorial circular 17300 km acima da superfície de Marte”, continua Abraham. Segundo o estudo, eles devem pesar 1500 kg cada, portar um conjunto de terminais que operam em banda X, banda Ka e banda ótica e ser alimentados por painéis solares com capacidade de 20 a 30 kW. Eles devem suportar o protocolo de rede tolerante a atrasos - essencialmente TCP/IP, projetado para lidar com os altos atrasos que as redes interplanetárias inevitavelmente experimentarão. As estações orbitais participantes da rede devem ser capazes de se comunicar com astronautas e veículos na superfície do planeta, com estações terrestres e entre si.
“Esse crosstalk é muito importante porque reduz o número de antenas necessárias para transmitir dados a 250 Mbps”, diz Abraham. Sua equipe estima que seria necessário um conjunto de seis antenas de 250 metros para receber dados de 34 Mbps de um dos transmissores em órbita. Isso significa que a NASA precisará construir três antenas adicionais nos locais de comunicação do espaço profundo, mas elas levam anos para serem construídas e são extremamente caras. “Mas pensamos que duas estações orbitais podem compartilhar dados entre si e enviar ao mesmo tempo a uma velocidade de 125 Mbps, onde um transmissor enviará metade do pacote de dados e o outro enviará a outra”, diz Abraham . Ainda hoje, as antenas de comunicações espaciais de 34 metros de profundidade podem receber simultaneamente dados de quatro espaçonaves diferentes ao mesmo tempo, resultando na necessidade de três antenas para concluir a tarefa. “É preciso o mesmo número de antenas para receber duas transmissões de 125 Mbps da mesma área do céu do que para receber uma transmissão”, explica Abraham. “São necessárias mais antenas apenas se você precisar se comunicar em uma velocidade maior.”
Para lidar com o problema da conectividade solar, a equipe de Abraham propôs o lançamento de um satélite transmissor para os pontos L4/L5 da órbita Sol-Marte/Sol-Terra. Então, durante os períodos de conexão, ele pode ser usado para transmitir dados ao redor do Sol, em vez de enviar sinais por ele. Infelizmente, durante esse período, a velocidade cairá para 100 Kbps. Simplificando, vai funcionar, mas é uma merda.
Enquanto isso, aspirantes a astronautas em Marte terão que esperar pouco mais de três minutos para receber a foto de um gatinho, sem contar os atrasos que podem chegar a 40 minutos. Felizmente, quando as ambições da humanidade nos levarem ainda mais longe do que o Planeta Vermelho, a internet interplanetária já estará funcionando muito bem na maior parte do tempo.
Fonte: habr.com