„Практично нема места за побољшање технологије радио фреквенција. Крај једноставних решења"
26. новембра 2018. у 22:53 по московском времену, НАСА је то поново урадила – сонда ИнСигхт успешно је слетела на површину Марса након уласка у атмосферу, спуштања и слетања, који су касније крштени као „шест и по минута ужаса .” Одговарајући опис, пошто НАСА-ини инжењери нису могли одмах да знају да ли је свемирска сонда успешно слетела на површину планете због кашњења комуникације од приближно 8,1 минута између Земље и Марса. Током овог периода, ИнСигхт се није могао ослонити на своје модерније и моћније антене – све је зависило од старомодних УХФ комуникација (метод који се дуго користио у свему, од емитовања телевизије и воки-токија до блуетоох уређаја).
Као резултат тога, критични подаци о статусу ИнСигхт-а пренети су на радио таласима фреквенције од 401,586 МХз на два сателита -, ВАЛЛ-Е и ЕВЕ, који су затим преносили податке брзином од 8 Кбпс до 70-метарских антена које се налазе на Земљи. Кубесати су лансирани на истој ракети као ИнСигхт, а пратили су је на њеном путовању на Марс да би посматрали слетање и одмах пренели податке кући. Други орбитери Марса, нпр. (МРС), били су у незгодној позицији и у почетку нису могли да размењују поруке са лендером у реалном времену. Да не кажем да је читаво слетање зависило од два експериментална ЦубеСата сваки величине кофера, али МРС би могао да преноси податке са ИнСигхт-а тек након још дужег чекања.
ИнСигхт слетање је заправо тестирало целокупну НАСА-ину комуникациону архитектуру, Марс Нетворк. Сигнал ИнСигхт лендера пренет сателитима у орбити ионако би стигао до Земље, чак и да су сателити отказали. ВАЛЛ-Е и ЕВЕ су морали да одмах пренесу информације, и они су то урадили. Да ови ЦубеСатс нису радили из неког разлога, МРС је била спремна да одигра своју улогу. Сваки од њих је радио као чвор на мрежи сличној Интернету, усмеравајући пакете података кроз различите терминале који се састоје од различите опреме. Данас је најефикаснији од њих МРС, способан да преноси податке брзином до 6 Мбит/с (и ово је тренутни рекорд за међупланетарне мисије). Али НАСА је морала да ради много споријим брзинама у прошлости - и биће јој потребан много бржи пренос података у будућности.
Баш као и ваш Интернет провајдер, НАСА дозвољава корисницима Интернета комуникација са свемирским бродовима у реалном времену.
Комуникациона мрежа дубоког свемира
Како се НАСА-ино присуство у свемиру повећавало, континуирано су се појављивали побољшани комуникациони системи који су покривали све више и више простора: прво у ниској орбити Земље, затим у геосинхроној орбити и Месецу, а убрзо су комуникације отишле дубље у свемир. Све је почело са сировим преносивим радио пријемником који је коришћен за пријем телеметрије са Експлорера 1, првог сателита који су Американци успешно лансирали 1958. у америчким војним базама у Нигерији, Сингапуру и Калифорнији. Полако али сигурно, ова основа је еволуирала у данашње напредне системе за размену порука.
Даглас Абрахам, шеф Одељења за стратешко и системско предвиђање у НАСА-иној Дирекцији за међупланетарне мреже, истиче три независно развијене мреже за пренос порука у свемиру. Мрежа близу Земље ради са свемирским бродовима у ниској Земљиној орбити. "То је скуп антена, углавном од 9 до 12 метара. Има неколико већих, од 15 до 18 метара", каже Абрахам. Затим, изнад Земљине геосинхроне орбите, постоји неколико сателита за праћење и пренос података (ТДРС). „Они могу да гледају у сателите у ниској Земљиној орбити и комуницирају са њима, а затим пренесу ове информације преко ТДРС-а на земљу“, објашњава Абрахам. „Овај сателитски систем за пренос података се зове НАСА свемирска мрежа.
Али чак ни ТДРС није био довољан да комуницира са свемирским бродом, који је отишао далеко изван орбите Месеца, на друге планете. „Тако да смо морали да створимо мрежу која покрива цео соларни систем. А ово је Мрежа дубоког свемира [ДСН], каже Абрахам. Марсова мрежа је проширење .
С обзиром на његову дужину и распоред, ДСН је најкомплекснији од наведених система. У суштини, ово је сет великих антена, од 34 до 70 м у пречнику. Свака од три ДСН локације има неколико антена од 34 метра и једну антену од 70 метара. Једна локација се налази у Голдстону (Калифорнија), друга у близини Мадрида (Шпанија), а трећа у Канбери (Аустралија). Ове локације се налазе на удаљености од око 120 степени широм света и обезбеђују XNUMX-часовну покривеност за све свемирске летелице ван геосинхроне орбите.
Антене од 34 метра су главна опрема ДСН-а, а постоје два типа: старе антене високе ефикасности и релативно нове антене таласовода. Разлика је у томе што антена за вођење таласа има пет прецизних РФ огледала која рефлектују сигнале низ цев до подземне контролне собе, где је електроника која анализира те сигнале боље заштићена од свих извора сметњи. Антене од 34 метра, које раде појединачно или у групама од 2-3 антене, могу да обезбеде већину комуникација које су потребне НАСА-и. Али за посебне случајеве када раздаљине постану превелике чак и за више антена од 34 метра, ДСН контрола користи чудовишта од 70 метара.
„Оне играју важну улогу у неколико апликација“, каже Абрахам о великим антенама. Први је када је летелица толико удаљена од Земље да ће бити немогуће успоставити комуникацију са њом помоћу мање антене. „Добар пример би била мисија Нев Хоризонс, која је већ летела много даље од Плутона, или свемирска летелица Воиагер, која се налази изван Сунчевог система. Само 70-метарске антене могу продрети у њих и доставити њихове податке на Земљу“, објашњава Абрахам.
Посуде од 70 метара се такође користе када летелица не може да управља антеном за појачавање, било због планиране критичне ситуације као што је улазак у орбиту, или због тога што нешто пође по злу. Антена од 70 метара, на пример, коришћена је за безбедно враћање Апола 13 на Земљу. Такође је усвојила чувену реченицу Нила Армстронга „Један мали корак за човека, један џиновски корак за човечанство“. Чак и данас, ДСН остаје најнапреднији и најосјетљивији комуникациони систем на свету. „Али из много разлога то је већ достигло своју границу“, упозорава Абрахам. – Технологију која ради на радио-фреквенцијама практично нема где да се унапреди. Једноставна решења су на измаку."
Три земаљске станице удаљене 120 степени
ДСН таблице у Канбери
ДСН комплекс у Мадриду
ДСН у Голдстону
Контролна соба у Лабораторији за млазни погон
Радио и шта ће бити после њега
Ова прича није нова. Историја комуникација дубоког свемира састоји се од сталне борбе за повећање фреквенција и скраћење таласних дужина. Екплорер 1 је користио фреквенције од 108 МХз. НАСА је тада представила веће антене са бољим појачањем које су подржавале фреквенције у Л-опсегу, од 1 до 2 ГХз. Затим је на ред дошао С-опсег, са фреквенцијама од 2 до 4 ГХз, а онда је агенција прешла на Кс-опсег, са фреквенцијама од 7-11,2 ГХз.
Данас системи свемирских комуникација поново пролазе кроз промене – сада прелазе на опсег 26-40 ГХз, Ка-опсег. „Разлог за овај тренд је тај што што су таласне дужине краће и што су фреквенције веће, брже се могу постићи брзине преноса података“, каже Абрахам.
Постоје разлози за оптимизам, с обзиром да је историјски темпо комуникација у НАСА-и био прилично брз. Истраживачки рад из Лабораторије за млазни погон из 2014. пружа следеће податке о пропусности за поређење: Ако бисмо користили комуникационе технологије Експлорера 1 за пренос типичне фотографије иПхоне-а са Јупитера на Земљу, требало би 460 пута дуже од тренутног Универзума. За пионире 2 и 4 из 1960-их било би потребно 633 година. Маринер 000 из 9. године би то урадио за 1971 сати. Данас ће МРС-у требати три минута.
Једини проблем је, наравно, што количина података које примају свемирске летелице расте једнако брзо, ако не и брже од раста његових способности преноса. Током 40 година рада, Воиагерс 1 и 2 произвели су 5 ТБ информација. Сателит НИСАР Еартх Сциенце, који је планиран за лансирање 2020. године, производиће 85 ТБ података месечно. А ако су Земљини сателити сасвим способни за ово, преношење такве количине података између планета је сасвим друга прича. Чак и релативно брз МРС преносиће 85 ТБ података на Земљу током 20 година.
„Очекивана брзина података за истраживање Марса у касним 2020-им и почетком 2030-их биће 150 Мбпс или више, па хајде да урадимо математику“, каже Абрахам. – Ако свемирска летелица класе МРС на максималној удаљености од нас до Марса може да пошаље приближно 1 Мбит/с до 70 метара антене на Земљи, онда да организује комуникацију брзином од 150 Мбит/с низ од 150 70 метара биће потребне антене. Да, наравно, можемо смислити паметне начине да мало смањимо ову апсурдну количину, али проблем очигледно постоји: организовање међупланетарне комуникације брзином од 150 Мбпс је изузетно тешко. Осим тога, понестаје нам дозвољених фреквенција.”
Као што Абрахам показује, радећи у С-опсегу или Кс-опсегу, једна мисија од 25 Мбпс ће заузети цео расположиви спектар. У Ка-опсегу има више простора, али ће само два Марсова сателита са пропусношћу од 150 Мбит/с заузети цео спектар. Једноставно речено, међупланетарни интернет ће захтевати више од само радија за рад – ослањаће се на ласере.
Појава оптичких комуникација
Ласери звуче футуристички, али идеја оптичких комуникација може се пратити до патента који је пријавио Алекандер Грахам Белл 1880-их. Белл је развио систем у којем је сунчева светлост, фокусирана на веома уски сноп, била усмерена на рефлектујућу дијафрагму која је вибрирала звуцима. Вибрације су изазвале варијације у светлости која пролази кроз сочиво у сирови фотодетектор. Промене у отпору фотодетектора промениле су струју која пролази кроз телефон.
Систем је био нестабилан, јачина звука је била веома мала, а Бел је на крају одустао од идеје. Али скоро 100 година касније, наоружани ласерима и оптичким влакнима, НАСА инжењери су се вратили овом старом концепту.
„Знали смо ограничења радио-фреквентних система, па смо у ЈПЛ-у касних 1970-их, раних 1980-их, почели да разговарамо о могућности преноса порука из дубоког свемира помоћу свемирских ласера“, рекао је Абрахам. Да би боље разумели шта је, а шта није могуће у оптичким комуникацијама у дубоком свемиру, лабораторија је покренула четворогодишњу студију Дееп Спаце Релаи Сателлите Систем (ДСРСС) касних 1980-их. Студија је морала да одговори на критична питања: шта је са временским приликама и проблемима са видљивошћу (на крају крајева, радио таласи могу лако да прођу кроз облаке, док ласери не могу)? Шта ако угао сонде Сунце-Земља постане превише оштар? Може ли детектор на Земљи разликовати слаб оптички сигнал од сунчеве светлости? И на крају, колико ће све ово коштати и да ли ће се исплатити? „Још увек тражимо одговоре на ова питања“, признаје Абрахам. "Међутим, одговори све више подржавају могућност оптичког преноса података."
ДСРСС је сугерисао да би тачка која се налази изнад Земљине атмосфере била најпогоднија за оптичке и радио комуникације. Речено је да ће оптички комуникациони систем инсталиран на орбиталној станици бити бољи од било које земаљске архитектуре, укључујући и култне антене од 70 метара. У ниској орбити око Земље планирано је да се постави тањир од 10 метара, а затим да се подигне на геосинхрони. Међутим, цена таквог система — који се састоји од сателита са антеном, лансирне ракете и пет корисничких терминала — била је превисока. Штавише, студија није укључила чак ни трошкове неопходног помоћног система који би ступио у функцију у случају квара сателита.
За овај систем, Лабораторија је почела да разматра приземну архитектуру описану у Лабораторијиној студији о напредној технологији заснованој на земљи (ГБАТС), спроведеној отприлике у исто време када и ДРСС. Људи који раде на ГБАТС-у изнели су два алтернативна предлога. Први је постављање шест станица са 10-метарским антенама и метарским резервним антенама које се налазе на удаљености од 60 степени дуж целог екватора. Станице су морале бити изграђене на планинским врховима, где је време било ведро најмање 66% дана у години. Дакле, 2-3 станице ће увек бити видљиве било којој летелици, и имаће другачије време. Друга опција је девет станица, груписаних у групе од по три, које се налазе 120 степени једна од друге. Станице у оквиру сваке групе требало је да буду лоциране 200 км једна од друге како би биле у директној видљивости, али у различитим временским ћелијама.
Обе ГБАТС архитектуре су биле јефтиније од свемирског приступа, али су такође имале проблема. Прво, пошто су сигнали морали да путују кроз Земљину атмосферу, дневни пријем би био много гори од ноћног због осветљеног неба. Упркос паметном распореду, оптичке земаљске станице ће зависити од временских прилика. Свемирска летелица која усмерава ласер на земаљску станицу ће на крају морати да се прилагоди лошим временским условима и поново успостави комуникацију са другом станицом која није заклоњена облацима.
Међутим, без обзира на проблеме, пројекти ДСРСС и ГБАТС поставили су теоријске основе за оптичке системе за комуникације дубоког свемира и савремени развој инжењера у НАСА-и. Остало је само да се изгради такав систем и демонстрира његове перформансе. Срећом, ово је било за само неколико месеци.
Реализација пројекта
У то време, оптички пренос података у свемиру је већ био извршен. Први експеримент је изведен 1992. године, када је сонда Галилео кренула ка Јупитеру и окренула своју камеру високе резолуције ка Земљи како би успешно примила сет ласерских импулса послатих са телескопа од 60 цм у опсерваторији Табле Моунтаин и са 1,5 м Домет оптичког телескопа УСАФ Старфире у Новом Мексику. У овом тренутку, Галилео је био 1,4 милиона км од Земље, али су оба ласерска зрака погодила његову камеру.
Јапанске и Европске свемирске агенције су такође успеле да успоставе оптичку комуникацију између земаљских станица и сателита у Земљиној орбити. Тада су успели да успоставе везу од 50 Мбпс између два сателита. Пре неколико година, немачки тим је успоставио кохерентну оптичку двосмерну везу од 5,6 Гбпс између сателита НФИРЕ у Земљиној орбити и земаљске станице на Тенерифима у Шпанији. Али сви ови случајеви су били повезани са ниском орбитом Земље.
Прва оптичка веза која повезује земаљску станицу и свемирски брод у орбити у близини друге планете у Сунчевом систему успостављена је у јануару 2013. Црно-бела слика Мона Лизе од 152 к 200 пиксела пренета је са сателитске ласерске станице следеће генерације у НАСА-ином центру за свемирске летове Годард на Лунар Рецоннаиссанце Орбитер (ЛРО) брзином од 300 бпс. Комуникација је била једносмерна. ЛРО је послао слику коју је примио са Земље назад путем редовних радио комуникација. Слику је било потребно мало софтверске корекције грешака, али чак и без овог кодирања било је лако препознати. А у то време је већ било планирано лансирање моћнијег система на Месец.
Из пројекта Лунар Рецоннаиссанце Орбитер из 2013.: Да би очистили информације од грешака у преносу које је унела Земљина атмосфера (лево), научници из Годард центра за свемирске летове користили су Реед-Соломон корекцију грешака (десно), која се широко користи на ЦД-овима и ДВД-овима. Уобичајене грешке укључују недостајуће пикселе (беле) и лажне сигнале (црне). Бела трака означава кратку паузу у преносу.
«(ЛАДЕЕ) ушао је у лунарну орбиту 6. октобра 2013. и само недељу дана касније лансирао свој пулсни ласер за пренос података. Овог пута НАСА је покушала да организује двосмерну комуникацију брзином од 20 Мбит/с у другом правцу и рекордном брзином од 622 Мбит/с у другом правцу. Једини проблем је био кратак животни век мисије. ЛРО-ове оптичке комуникације су радиле само неколико минута. ЛАДЕЕ је размењивао податке са својим ласером 16 сати током 30 дана. Ова ситуација ће се променити лансирањем сателита Ласер Цоммуницатионс Демонстратион (ЛЦРД), заказаном за јун 2019. Његова мисија је да покаже како ће будући комуникациони системи у свемиру функционисати.
ЛЦРД се развија у НАСА-иној Лабораторији за млазни погон у сарадњи са МИТ-овом Линцолн лабораторијом. Имаће два оптичка терминала: један за комуникацију у ниској орбити Земље, други за дубоки свемир. Први ће морати да користи диференцијално фазно померање (ДПСК). Предајник ће слати ласерске импулсе на фреквенцији од 2,88 ГХз. Користећи ову технологију, сваки бит ће бити кодиран фазном разликом узастопних импулса. Моћи ће да ради при брзини од 2,88 Гбпс, али за то ће бити потребно много енергије. Детектори могу да открију само разлике између импулса у високоенергетским сигналима, тако да ДПСК одлично функционише за комуникације близу Земље, али није најбољи метод за дубоки свемир, где је складиштење енергије проблематично. Сигнал послат са Марса изгубиће енергију док стигне на Земљу, тако да ће ЛЦРД користити ефикаснију технологију звану пулсна фазна модулација да би демонстрирао оптичку комуникацију са дубоким свемиром.
НАСА инжењери припремају ЛАДЕЕ за тестирање
Инжењери су 2017. године тестирали модеме за летење у термалној вакуум комори
„То је у суштини бројање фотона“, објашњава Абрахам. – Кратак период одређен за комуникацију подељен је на неколико временских периода. Да бисте добили податке, једноставно морате да проверите да ли су се фотони сударили са детектором у сваком интервалу. Овако су подаци кодирани у ФИМ-у." То је као Морзеов код, али супер брзом брзином. Или постоји бљесак у одређеном тренутку или га нема, а порука је кодирана низом блица. „Иако је ово много спорије од ДПСК-а, још увек можемо да обезбедимо десетине или стотине Мбпс оптичких комуникација чак и са Марса“, додаје Абрахам.
Наравно, ЛЦРД пројекат нису само ова два терминала. Такође би требало да функционише као интернет чвориште у свемиру. На земљи, три станице ће радити са ЛЦРД-ом: једна у Вајт Сандсу у Новом Мексику, једна на Табле Моунтаин у Калифорнији и једна на острву Хаваји или Мауи. Идеја је да се тестира пребацивање са једне земаљске станице на другу ако се на некој од станица појави лоше време. Мисија ће такође тестирати перформансе ЛЦРД-а као предајника података. Оптички сигнал са једне од станица биће послат на сателит, а затим пренет на другу станицу - све преко оптичке везе.
Ако се подаци не могу одмах пренети, ЛЦРД ће их сачувати и пренети када се за то укаже прилика. Ако су подаци хитни или нема довољно простора у меморији, ЛЦРД ће их одмах послати преко своје Ка-банд антене. Дакле, претеча будућих сателита предајника, ЛЦРД ће бити хибридни радио-оптички систем. Ово је управо она врста јединице коју НАСА треба да постави у орбиту око Марса како би успоставила међупланетарну мрежу која ће подржати људска истраживања дубоког свемира 2030-их.
Довођење Марса на мрежу
Током прошле године, Абрахамов тим је написао два рада који описују будућност комуникација дубоког свемира, који ће бити представљени на СпацеОпс конференцији у Француској у мају 2019. Један описује комуникације у дубоком свемиру уопште, други (“") нуди детаљан опис инфраструктуре која може да пружи услугу налик Интернету за астронауте на Црвеној планети.
Процене највеће просечне брзине преноса података биле су око 215 Мбит/с за преузимање и 28 Мбит/с за отпремање. Марсов Интернет ће се састојати од три мреже: ВиФи која покрива подручје истраживања површине, планетарне мреже која преноси податке са површине на Земљу и земаљске мреже, комуникационе мреже дубоког свемира са три локације одговорне за пријем ових података и слање одговора назад на Марс.
„Када се развија таква инфраструктура, има много проблема. Мора бити поуздан и стабилан, чак и на максималној удаљености до Марса од 2,67 АЈ. током периода соларне супериорне коњункције, када се Марс крије иза Сунца“, каже Абрахам. Таква коњункција се дешава сваке две године и потпуно ремети комуникацију са Марсом. „Данас не можемо да се носимо са овим. Све слетне и орбиталне станице које се налазе на Марсу једноставно изгубе контакт са Земљом на око две недеље. Са оптичким комуникацијама, губици у комуникацији због соларне повезаности биће још дужи, 10 до 15 недеља. За роботе такве празнине нису посебно страшне. Таква изолација им не прави проблеме, јер им није досадно, не доживљавају усамљеност и немају потребу да виђају своје вољене. Али за људе је потпуно другачије.
„Због тога теоретски дозвољавамо пуштање у рад два орбитална предајника постављена у кружну екваторијалну орбиту 17300 км изнад површине Марса“, наставља Абрахам. Према студији, требало би да буду тешки од 1500 кг сваки, и да имају на броду сет терминала који раде у Кс-опсезима, Ка-опсезима и оптичком опсегу, а напајају их соларни панели снаге 20-30 кВ. Они морају подржавати мрежни протокол отпоран на кашњење—у суштини ТЦП/ИП, дизајниран да се носи са дугим кашњењима која ће се неизбежно појавити у међупланетарним мрежама. Орбиталне станице које учествују у мрежи морају бити у стању да комуницирају са астронаутима и возилима на површини планете, са земаљским станицама и међусобно.
„Ово унакрсно спајање је веома важно јер смањује број антена потребних за пренос података брзином од 250 Мбпс“, каже Абрахам. Његов тим процењује да би за пријем података од 250 Мбпс са једног од орбиталних предајника био потребан низ од шест 34-метарских антена. То значи да ће НАСА морати да изгради три додатне антене на локацијама за комуникацију у дубоком свемиру, али за њихову изградњу су потребне године и изузетно су скупе. „Али мислимо да би две орбиталне станице могле да деле податке и шаљу их истовремено брзином од 125 Мбпс, при чему један предајник шаље једну половину пакета података, а други други“, каже Абрахам. Чак и данас, 34-метарске комуникацијске антене у дубоком свемиру могу истовремено да примају податке од четири различите свемирске летелице одједном, што резултира потребом за три антене да би обавиле задатак. „Примање два преноса од 125 Мбпс са истог подручја неба захтева исти број антена као и пријем једног преноса“, објашњава Абрахам. „Више антена је потребно само ако требате да комуницирате већим брзинама.“
Да би се позабавио проблемом соларне коњукције, Абрахамов тим је предложио лансирање сателита предајника на Л4/Л5 тачке орбите Сунце-Марс/Сунце-Земља. Затим, током периода коњукције, могао би се користити за пренос података око Сунца, уместо за слање сигнала кроз њега. Нажалост, током овог периода брзина ће пасти на 100 Кбпс. Једноставно речено, радиће, али је срање.
У међувремену, будући астронаути на Марсу ће морати да чекају нешто више од три минута да добију фотографију мачића, не рачунајући кашњења која би могла да буду и до 40 минута. Срећом, пре него што нас амбиције човечанства одведу још даље од Црвене планете, међупланетарни Интернет ће већ добро функционисати већину времена.
Извор: ввв.хабр.цом