”Det finns praktiskt taget inget utrymme för förbättringar inom radiofrekvensteknik. Enkla lösningar slut"
Den 26 november 2018 klockan 22:53 Moskva-tid gjorde NASA det igen - InSight-sonden landade framgångsrikt på ytan av Mars efter att ha gått in i atmosfären, nedstigning och landningsmanövrar, som senare döptes till "sex och en halv minuts skräck" .” En passande beskrivning, eftersom NASA-ingenjörer inte omedelbart kunde veta om rymdsonden lyckats landa på planetens yta på grund av en kommunikationsförsening på cirka 8,1 minuter mellan jorden och Mars. Under det här fönstret kunde InSight inte lita på sina mer moderna och kraftfulla antenner – allt berodde på gammaldags UHF-kommunikation (en metod som länge använts i allt från TV-sändningar och walkie-talkies till Bluetooth-enheter).
Som ett resultat av detta sändes kritiska data om InSights status på radiovågor med en frekvens på 401,586 MHz till två satelliter -, WALL-E och EVE, som sedan överförde data med 8 Kbps till 70-metersantenner placerade på jorden. Cubesatsarna avfyrades på samma raket som InSight, och de följde med den på dess resa till Mars för att observera landningen och omedelbart överföra data hem. Andra Mars-banor, t.ex. (MRS), befann sig i en besvärlig position och kunde först inte utbyta meddelanden med landaren i realtid. För att inte säga att hela landningen berodde på två experimentella CubeSats vardera storleken på en resväska, men MRS skulle bara kunna överföra data från InSight efter en ännu längre väntan.
InSight-landningen testade faktiskt hela NASA:s kommunikationsarkitektur, Mars Network. InSight-landarens signal som sänds till de kretsande satelliterna skulle ha nått jorden ändå, även om satelliterna hade misslyckats. WALL-E och EVE behövde överföra information direkt, och de gjorde det. Om dessa CubeSats inte hade fungerat av någon anledning var MRS redo att spela sin roll. Var och en fungerade som en nod på ett internetliknande nätverk och dirigerade datapaket genom olika terminaler bestående av olika utrustning. Idag är den mest effektiva av dem MRS, som kan överföra data med hastigheter på upp till 6 Mbit/s (och detta är det nuvarande rekordet för interplanetära uppdrag). Men NASA har varit tvungen att arbeta med mycket lägre hastigheter tidigare – och kommer att behöva mycket snabbare dataöverföring i framtiden.
Precis som din Internetleverantör tillåter NASA Internetanvändare kommunikation med rymdskepp i realtid.
Deep space kommunikationsnätverk
När NASA:s närvaro i rymden ökade, dök det hela tiden upp förbättrade kommunikationssystem för att täcka mer och mer rymden: först i låg omloppsbana om jorden, sedan i geosynkron bana och månen, och snart gick kommunikationen djupare ut i rymden. Allt började med en rå bärbar radiomottagare som användes för att ta emot telemetri från Explorer 1, den första satellit som framgångsrikt lanserades av amerikanerna 1958, vid amerikanska militärbaser i Nigeria, Singapore och Kalifornien. Sakta men säkert utvecklades denna grund till dagens avancerade meddelandesystem.
Douglas Abraham, chef för Strategic and Systems Foresight Division i NASA:s Interplanetary Network Directorate, lyfter fram tre oberoende utvecklade nätverk för att överföra meddelanden i rymden. Near Earth Network opererar med rymdfarkoster i låg omloppsbana om jorden. "Det är en samling antenner, mestadels 9 till 12 meter. Det finns några större, 15 till 18 meter", säger Abraham. Sedan, ovanför jordens geosynkrona omloppsbana, finns det flera spårnings- och datareläsatelliter (TDRS). "De kan titta ner på satelliter i låg omloppsbana om jorden och kommunicera med dem, och sedan överföra denna information via TDRS till marken", förklarar Abraham. "Detta satellitdataöverföringssystem kallas NASA Space Network."
Men inte ens TDRS räckte för att kommunicera med rymdfarkosten, som gick långt bortom månens bana, till andra planeter. ”Så vi var tvungna att skapa ett nätverk som täcker hela solsystemet. Och det här är Deep Space Network [DSN], säger Abraham. Mars-nätverket är en förlängning .
Med tanke på dess längd och layout är DSN det mest komplexa av de listade systemen. I huvudsak är detta en uppsättning stora antenner, från 34 till 70 m i diameter. Var och en av de tre DSN-platserna driver flera 34-metersantenner och en 70-metersantenn. En plats ligger i Goldstone (Kalifornien), en annan nära Madrid (Spanien) och den tredje i Canberra (Australien). Dessa platser är belägna cirka 120 grader från varandra runt om i världen och ger XNUMX-timmars täckning till alla rymdfarkoster utanför geosynkron bana.
34-metersantenner är huvudutrustningen för DSN, och det finns två typer: gamla högeffektiva antenner och relativt nya vågledarantenner. Skillnaden är att en styrvågsantenn har fem precisions-RF-speglar som reflekterar signaler ner i ett rör till ett underjordiskt kontrollrum, där elektroniken som analyserar dessa signaler är bättre skyddad från alla störningskällor. 34-metersantennerna, som fungerar individuellt eller i grupper om 2-3 paraboler, kan tillhandahålla de flesta av de kommunikationer som NASA behöver. Men för speciella fall när avstånden blir för långa för ens flera 34-metersantenner, använder DSN-kontroll 70-metersmonster.
"De spelar en viktig roll i flera applikationer", säger Abraham om stora antenner. Den första är när rymdfarkosten är så långt från jorden att det kommer att vara omöjligt att upprätta kommunikation med den med hjälp av en mindre skål. "Goda exempel skulle vara New Horizons-uppdraget, som redan har flugit mycket längre än Pluto, eller rymdfarkosten Voyager, som ligger utanför solsystemet. Endast 70-meters antenner kan penetrera dem och leverera deras data till jorden”, förklarar Abraham.
70-metersskålar används också när rymdfarkosten inte kan manövrera förstärkningsantennen, antingen på grund av en planerad kritisk situation som t.ex. omloppsbana eller för att något går fruktansvärt fel. Den 70 meter långa antennen användes till exempel för att säkert återföra Apollo 13 till jorden. Hon antog också Neil Armstrongs berömda linje, "Ett litet steg för en man, ett jättesteg för mänskligheten." Och än idag är DSN fortfarande det mest avancerade och känsliga kommunikationssystemet i världen. "Men av många anledningar har den redan nått sin gräns", varnar Abraham. – Det finns praktiskt taget ingenstans att förbättra tekniken som fungerar på radiofrekvenser. Enkla lösningar håller på att ta slut."
Tre markstationer med 120 graders mellanrum
DSN-plattor i Canberra
DSN-komplex i Madrid
DSN i Goldstone
Kontrollrum vid Jet Propulsion Laboratory
Radio och vad som kommer att hända efter det
Den här historien är inte ny. Historien om rymdkommunikation består av en ständig kamp för att öka frekvenser och förkorta våglängder. Explorer 1 använde 108 MHz frekvenser. NASA introducerade sedan större antenner med bättre förstärkning som stödde frekvenser i L-bandet, 1 till 2 GHz. Sedan var det S-bandets tur, med frekvenser från 2 till 4 GHz, och sedan gick byrån över till X-bandet, med frekvenser på 7-11,2 GHz.
Idag genomgår rymdkommunikationssystem återigen förändringar - de går nu över till 26-40 GHz-området, Ka-bandet. "Anledningen till denna trend är att ju kortare våglängder och ju högre frekvenser, desto snabbare kan dataöverföringshastigheterna uppnås", säger Abraham.
Det finns skäl till optimism, med tanke på att historiskt sett har kommunikationstakten vid NASA varit ganska hög. En forskningsartikel från 2014 från Jet Propulsion Laboratory tillhandahåller följande genomströmningsdata för jämförelse: Om vi använde Explorer 1:s kommunikationsteknik för att överföra ett typiskt iPhone-foto från Jupiter till jorden, skulle det ta 460 gånger längre tid än det nuvarande universum. För Pioneers 2 och 4 från 1960-talet skulle det ha tagit 633 000 år. Mariner 9 från 1971 skulle ha gjort det på 55 timmar. Idag kommer det att ta MRS tre minuter.
Det enda problemet är naturligtvis att mängden data som tas emot av rymdfarkoster växer lika snabbt som, om inte snabbare, än tillväxten av dess överföringskapacitet. Under de 40 år som de har varit i drift producerade Voyagers 1 och 2 5 TB information. NISAR Earth Science-satelliten, planerad att lanseras 2020, kommer att producera 85 TB data per månad. Och om jordens satelliter är ganska kapabla till detta, är det en helt annan historia att överföra en sådan mängd data mellan planeter. Även en relativt snabb MRS kommer att överföra 85 TB data till jorden i 20 år.
"De förväntade datahastigheterna för Mars-utforskning i slutet av 2020-talet och början av 2030-talet kommer att vara 150 Mbps eller högre, så låt oss räkna ut," säger Abraham. – Om en rymdfarkost av MRS-klass på det maximala avståndet från oss till Mars kan skicka ungefär 1 Mbit/s till en 70-meters antenn på jorden, då för att organisera kommunikation med en hastighet av 150 Mbit/s en array på 150 70-meter antenner kommer att krävas. Ja, naturligtvis, vi kan komma på smarta sätt att minska denna absurda mängd lite, men problemet finns uppenbarligen: att organisera interplanetär kommunikation med en hastighet av 150 Mbps är extremt svårt. Dessutom håller vi på att få slut på tillåtna frekvenser.”
Som Abraham demonstrerar, som arbetar i S-band eller X-band, kommer ett enda 25 Mbps-uppdrag att uppta hela det tillgängliga spektrumet. Det finns mer utrymme i Ka-bandet, men bara två Mars-satelliter med en genomströmning på 150 Mbit/s kommer att uppta hela spektrumet. Enkelt uttryckt kommer det interplanetära internet att kräva mer än bara radioapparater för att fungera – det kommer att förlita sig på lasrar.
Framväxten av optisk kommunikation
Lasrar låter futuristiska, men idén om optisk kommunikation kan spåras tillbaka till ett patent inlämnat av Alexander Graham Bell på 1880-talet. Bell utvecklade ett system där solljus, fokuserat på en mycket smal stråle, riktades mot ett reflekterande membran som vibrerades av ljud. Vibrationerna orsakade variationer i ljuset som passerade genom linsen in i den råa fotodetektorn. Förändringar i fotodetektorns motstånd ändrade strömmen som passerade genom telefonen.
Systemet var instabilt, volymen var mycket låg och Bell övergav så småningom idén. Men nästan 100 år senare, beväpnade med lasrar och fiberoptik, har NASA-ingenjörer återvänt till detta gamla koncept.
"Vi kände till begränsningarna för radiofrekvenssystem, så vid JPL i slutet av 1970-talet, början av 1980-talet, började vi diskutera möjligheten att sända meddelanden från rymden med hjälp av rymdlasrar," sa Abraham. För att bättre förstå vad som är och inte är möjligt inom optisk kommunikation i djup rymden, lanserade laboratoriet en fyraårig studie av DSRSS (Deep Space Relay Satellite System) i slutet av 1980-talet. Studien var tvungen att svara på kritiska frågor: hur är det med väder- och siktproblem (radiovågor kan trots allt lätt passera genom moln, medan lasrar inte kan)? Vad händer om vinkeln Sol-Jord-sonden blir för spetsig? Kan en detektor på jorden skilja en svag optisk signal från solljus? Och slutligen, hur mycket kommer allt detta att kosta och kommer det att vara värt det? "Vi letar fortfarande efter svar på dessa frågor", erkänner Abraham. "Men svaren stödjer alltmer möjligheten till optisk dataöverföring."
DSRSS föreslog att en punkt ovanför jordens atmosfär skulle vara bäst lämpad för optisk kommunikation och radiokommunikation. Det uppgavs att det optiska kommunikationssystemet som installerats på orbitalstationen skulle prestera bättre än någon markbaserad arkitektur, inklusive de ikoniska 70-metersantennerna. I låg omloppsbana om jorden var det planerat att placera ut en 10-meters skål och sedan höja den till geosynkron. Men kostnaden för ett sådant system – som bestod av en satellit med en parabol, en bärraket och fem användarterminaler – var oöverkomliga. Dessutom inkluderade studien inte ens kostnaden för det nödvändiga hjälpsystemet som skulle träda i drift i händelse av ett satellitfel.
För detta system började laboratoriet titta på markarkitekturen som beskrivs i laboratoriets Ground Based Advanced Technology Study (GBATS) rapport, utförd ungefär samtidigt som DRSS. De som arbetar med GBATS kom med två alternativa förslag. Den första är installationen av sex stationer med 10-metersantenner och meterlånga reservantenner placerade 60 graders isär längs hela ekvatorn. Stationerna måste byggas på bergstoppar, där vädret var klart minst 66 % av dagarna om året. Således kommer 2-3 stationer alltid att vara synliga för alla rymdfarkoster, och de kommer att ha olika väder. Det andra alternativet är nio stationer, grupperade i grupper om tre och placerade 120 grader från varandra. Stationerna inom varje grupp borde ha varit placerade 200 km från varandra så att de var i direkt sikt, men i olika väderceller.
Båda GBATS-arkitekturerna var billigare än rymdmetoden, men de hade också problem. För det första, eftersom signalerna var tvungna att färdas genom jordens atmosfär, skulle mottagningen dagtid vara mycket sämre än nattemottagningen på grund av den upplysta himlen. Trots det smarta arrangemanget kommer optiska markstationer att vara beroende av vädret. En rymdfarkost som riktar en laser mot en markstation kommer så småningom att behöva anpassa sig till dåliga väderförhållanden och återupprätta kommunikation med en annan station som inte är skymd av moln.
Men oavsett problemen lade DSRSS- och GBATS-projekten den teoretiska grunden för optiska system för rymdkommunikation och den moderna utvecklingen av ingenjörer vid NASA. Allt som återstod var att bygga ett sådant system och demonstrera dess prestanda. Lyckligtvis var detta bara några månader bort.
Projektimplementering
Vid den tiden hade optisk dataöverföring i rymden redan ägt rum. Det första experimentet genomfördes 1992, när Galileo-sonden var på väg mot Jupiter och vände sin högupplösta kamera mot jorden för att framgångsrikt ta emot en uppsättning laserpulser som skickades från 60-cm-teleskopet vid Taffelbergsobservatoriet och från 1,5 m. USAF Starfire Optical Telescope Range i New Mexico. I detta ögonblick var Galileo 1,4 miljoner km från jorden, men båda laserstrålarna träffade kameran.
De japanska och europeiska rymdorganisationerna har också kunnat etablera optisk kommunikation mellan markstationer och satelliter i jordens omloppsbana. De kunde sedan upprätta en 50 Mbps-anslutning mellan de två satelliterna. För flera år sedan etablerade ett tyskt team en 5,6 Gbps koherent optisk dubbelriktad länk mellan NFIRE-satelliten i jordens omloppsbana och en markstation på Teneriffa, Spanien. Men alla dessa fall var förknippade med låg omloppsbana runt jorden.
Den allra första optiska länken som förbinder en markstation och en rymdfarkost i omloppsbana nära en annan planet i solsystemet etablerades i januari 2013. Den svartvita bilden på 152 x 200 pixlar av Mona Lisa överfördes från nästa generations satellitlaseravståndsstation vid NASA:s Goddard Space Flight Center till Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) med 300 bps. Kommunikationen var enkelriktad. LRO skickade tillbaka bilden den fick från jorden via vanlig radiokommunikation. Bilden behövde lite mjukvarufelkorrigering, men även utan denna kodning var den lätt att känna igen. Och vid den tiden var lanseringen av ett kraftfullare system till månen redan planerad.
Från Lunar Reconnaissance Orbiter-projektet 2013: För att rensa information från överföringsfel som introducerats av jordens atmosfär (vänster), använde forskare vid Goddard Space Flight Center Reed-Solomon felkorrigering (höger), som används flitigt i CD- och DVD-skivor. Vanliga fel inkluderar saknade pixlar (vita) och falska signaler (svarta). En vit rand indikerar en kort paus i överföringen.
«(LADEE) gick in i månbanan den 6 oktober 2013, och bara en vecka senare lanserade sin pulserande laser för att överföra data. Den här gången försökte NASA organisera tvåvägskommunikation med en hastighet på 20 Mbit/s åt andra hållet och en rekordhastighet på 622 Mbit/s åt andra hållet. Det enda problemet var uppdragets korta livslängd. LRO:s optiska kommunikation fungerade bara några minuter åt gången. LADEE utbytte data med sin laser i 16 timmar under 30 dagar. Denna situation kommer att förändras i och med lanseringen av satelliten Laser Communications Demonstration (LCRD), planerad till juni 2019. Dess uppdrag är att visa hur framtida kommunikationssystem i rymden kommer att fungera.
LCRD utvecklas vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i samarbete med MIT:s Lincoln Laboratory. Den kommer att ha två optiska terminaler: en för kommunikation i låg omloppsbana om jorden, den andra för djupa rymd. Den första måste använda Differential Phase Shift Keying (DPSK). Sändaren kommer att skicka laserpulser med en frekvens på 2,88 GHz. Med denna teknik kommer varje bit att kodas av fasskillnaden för successiva pulser. Den kommer att kunna arbeta med en hastighet av 2,88 Gbps, men detta kommer att kräva mycket kraft. Detektorer kan bara upptäcka skillnader mellan pulser i högenergisignaler, så DPSK fungerar utmärkt för kommunikation nära jorden, men det är inte den bästa metoden för djupa rymd, där lagring av energi är problematisk. En signal som skickas från Mars kommer att förlora energi när den kommer till jorden, så LCRD kommer att använda en mer effektiv teknik som kallas pulsfasmodulering för att demonstrera optisk kommunikation med rymden.
NASA-ingenjörer förbereder LADEE för testning
Under 2017 testade ingenjörer flygmodem i en termisk vakuumkammare
"Det är i huvudsak att räkna fotoner," förklarar Abraham. – Den korta perioden som avsatts för kommunikation är uppdelad i flera tidsperioder. För att få data behöver du helt enkelt kontrollera om fotonerna kolliderade med detektorn vid varje intervall. Så här kodas data i FIM.” Det är som morsekod, men i supersnabb hastighet. Antingen är det en blixt vid ett visst ögonblick eller så gör den inte det, och meddelandet kodas av en sekvens av blixtar. "Även om detta är mycket långsammare än DPSK, kan vi fortfarande tillhandahålla tiotals eller hundratals Mbps optisk kommunikation från så långt bort som Mars," tillägger Abraham.
Naturligtvis är LCRD-projektet inte bara dessa två terminaler. Den ska också fungera som ett internetnav i rymden. På marken kommer tre stationer att fungera med LCRD: en vid White Sands i New Mexico, en vid Table Mountain i Kalifornien och en på Hawaii Island eller Maui. Tanken är att testa att byta från en markstation till en annan om det blir dåligt väder på någon av stationerna. Uppdraget kommer också att testa LCRD:s prestanda som datasändare. En optisk signal från en av stationerna kommer att skickas till en satellit och sedan sändas till en annan station - allt via en optisk länk.
Om data inte kan överföras omedelbart kommer LCRD att lagra dem och överföra dem när tillfälle ges. Om data är brådskande eller om det inte finns tillräckligt med utrymme i lagringen ombord, kommer LCRD att skicka den omedelbart genom dess Ka-bandsantenn. Så, en föregångare till framtida sändarsatelliter, kommer LCRD att vara ett hybrid radiooptiskt system. Det här är exakt den typ av enhet som NASA behöver placera i omloppsbana runt Mars för att etablera ett interplanetärt nätverk som kommer att stödja mänsklig djuprymdutforskning på 2030-talet.
Att sätta Mars online
Under det senaste året har Abrahams team skrivit två artiklar som beskriver framtiden för rymdkommunikation, som kommer att presenteras på SpaceOps-konferensen i Frankrike i maj 2019. Den ena beskriver rymdkommunikation i allmänhet, den andra (“") erbjuder en detaljerad beskrivning av infrastrukturen som kan tillhandahålla en internetliknande tjänst för astronauter på den röda planeten.
Uppskattningar av den maximala genomsnittliga dataöverföringshastigheten var cirka 215 Mbit/s för nedladdning och 28 Mbit/s för uppladdning. Mars Internet kommer att bestå av tre nätverk: WiFi som täcker ytutforskningsområdet, ett planetnätverk som sänder data från ytan till jorden, och Earth Network, ett djuprymdkommunikationsnätverk med tre platser som ansvarar för att ta emot dessa data och skicka svar tillbaka till Mars.
”När man utvecklar en sådan infrastruktur finns det många problem. Den måste vara pålitlig och stabil, även på det maximala avståndet till Mars på 2,67 AU. under perioder av solöverlägsen konjunktion, när Mars gömmer sig bakom solen”, säger Abraham. En sådan konjunktion inträffar vartannat år och stör fullständigt kommunikationen med Mars. "I dag klarar vi inte av det här. Alla landnings- och omloppsstationer som finns på Mars tappar helt enkelt kontakten med jorden i cirka två veckor. Med optisk kommunikation kommer kommunikationsförlusterna på grund av solanslutning att bli ännu längre, 10 till 15 veckor.” För robotar är sådana luckor inte särskilt skrämmande. Sådan isolering orsakar dem inte problem, eftersom de inte blir uttråkade, inte upplever ensamhet och de behöver inte träffa sina nära och kära. Men för människor är det helt annorlunda.
"Vi tillåter därför teoretiskt sett driftsättning av två orbitala sändare placerade i en cirkulär ekvatorial bana 17300 1500 km över Mars yta", fortsätter Abraham. Enligt studien ska de väga 20 kg styck, och ha ombord en uppsättning terminaler som arbetar i X-bandet, Ka-bandet och optiskt område, och drivas av solpaneler med en effekt på 30-XNUMX kW. De måste stödja det fördröjningstoleranta nätverksprotokollet – huvudsakligen TCP/IP, designat för att hantera de långa förseningar som oundvikligen kommer att uppstå i interplanetära nätverk. Orbitalstationerna som deltar i nätverket måste kunna kommunicera med astronauter och fordon på planetens yta, med markstationer och med varandra.
"Denna korskoppling är mycket viktig eftersom den minskar antalet antenner som krävs för att överföra data med 250 Mbps", säger Abraham. Hans team uppskattar att en uppsättning av sex 250-meters antenner skulle behövas för att ta emot 34 Mbps data från en av de orbitala sändarna. Detta innebär att NASA kommer att behöva bygga ytterligare tre antenner på platser för djupa rymdkommunikation, men de tar år att bygga och är extremt dyra. "Men vi tror att två orbitalstationer kan dela data och skicka den samtidigt med 125 Mbps, där en sändare skickar ena hälften av datapaketet och den andra skickar den andra", säger Abraham. Än idag kan 34 meter djupa rymdkommunikationsantenner samtidigt ta emot data från fyra olika rymdfarkoster samtidigt, vilket resulterar i att tre antenner behövs för att utföra uppgiften. "Att ta emot två sändningar på 125 Mbps från samma område av himlen kräver samma antal antenner som att ta emot en sändning", förklarar Abraham. "Fler antenner krävs bara om du behöver kommunicera med högre hastigheter."
För att hantera problemet med solkonjunktionen föreslog Abrahams team att en sändarsatellit skulle skjutas upp till L4/L5-punkterna i omloppsbanan Sol-Mars/Sun-Jord. Sedan, under konjunktionsperioder, kan den användas för att överföra data runt solen, istället för att skicka signaler genom den. Tyvärr kommer hastigheten att sjunka till 100 Kbps under denna period. Enkelt uttryckt kommer det att fungera, men det suger.
Under tiden kommer framtida astronauter på Mars att behöva vänta drygt tre minuter för att få ett foto på kattungen, förseningar som kan vara upp till 40 minuter räknas inte bort. Lyckligtvis, innan mänsklighetens ambitioner tar oss ännu längre än den röda planeten, kommer det interplanetära Internet redan att fungera bra för det mesta.
Källa: will.com