“แทบจะไม่มีที่ไหนเลยที่จะปรับปรุงเทคโนโลยีที่ทำงานด้วยความถี่วิทยุ ทางออกที่ง่าย จบ"
ในวันที่ 26 พฤศจิกายน 2018 เวลา 22:53 น. ตามเวลามอสโก NASA ทำสำเร็จอีกครั้ง ยานสำรวจ InSight ลงจอดบนพื้นผิวดาวอังคารได้สำเร็จหลังจากกลับเข้ามาใหม่ ร่อนลง และลงจอด ซึ่งต่อมาได้รับการขนานนามว่า "หกนาทีครึ่งแห่งความสยดสยอง" คำอธิบายที่เหมาะสม เนื่องจากวิศวกรของ NASA ไม่สามารถรู้ได้ทันทีว่ายานสำรวจอวกาศลงจอดบนพื้นผิวของดาวเคราะห์ได้สำเร็จหรือไม่ เนื่องจากความล่าช้าในการสื่อสารระหว่างโลกและดาวอังคารซึ่งอยู่ที่ประมาณ 8,1 นาที ในช่วงกรอบเวลานี้ InSight ไม่สามารถพึ่งพาเสาอากาศที่ทันสมัยและทรงพลังกว่านี้ได้ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับการสื่อสาร UHF แบบเก่า (วิธีนี้ใช้กันมานานแล้วในทุกสิ่งตั้งแต่การออกอากาศทางทีวีและเครื่องส่งรับวิทยุไปจนถึงอุปกรณ์ Bluetooh)
เป็นผลให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับสถานะของ InSight ถูกส่งบนคลื่นวิทยุที่มีความถี่ 401,586 MHz ไปยังดาวเทียมสองดวง -, WALL-E และ EVE ซึ่งส่งข้อมูลด้วยความเร็ว 8 Kbps ไปยังเสาอากาศสูง 70 เมตรที่อยู่บนพื้นโลก Cubesats เปิดตัวด้วยจรวดแบบเดียวกับ InSight และร่วมเดินทางไปดาวอังคารเพื่อสังเกตการลงจอดและส่งข้อมูลกลับบ้านทันที ยานดาวอังคารอื่น ๆ ที่โคจรอยู่เช่น (MRS) อยู่ในสถานะที่ไม่สบายใจและไม่สามารถส่งข้อความแบบเรียลไทม์กับคนงานลงจอดได้ในตอนแรก ไม่ต้องบอกว่าการลงจอดทั้งหมดขึ้นอยู่กับ Cubesat ขนาดกระเป๋าเดินทางทดลองสองตัวแต่ละตัว แต่ MRS จะสามารถส่งข้อมูลจาก InSight ได้หลังจากรอนานขึ้นเท่านั้น
การลงจอด InSight เป็นการทดสอบสถาปัตยกรรมการสื่อสารทั้งหมดของ NASA ซึ่งก็คือ "the Mars Network" สัญญาณจากยานลงจอด InSight ที่ส่งไปยังดาวเทียมที่โคจรอยู่ จะมาถึงโลกอยู่แล้ว แม้ว่าดาวเทียมจะล้มเหลวก็ตาม WALL-E และ EVE จำเป็นสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลในทันที และพวกเขาก็ทำได้ หาก Cubsats เหล่านี้ไม่ทำงานด้วยเหตุผลบางอย่าง MRS ก็พร้อมที่จะเล่นบทบาทของพวกเขา แต่ละโหนดทำหน้าที่เป็นโหนดบนเครือข่ายอินเทอร์เน็ต โดยกำหนดเส้นทางแพ็กเก็ตข้อมูลผ่านเทอร์มินัลต่างๆ ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ต่างๆ วันนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือ MRS ซึ่งสามารถส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงถึง 6 Mbps (และนี่คือบันทึกปัจจุบันสำหรับภารกิจระหว่างดาวเคราะห์) อย่างไรก็ตาม NASA ต้องทำงานด้วยความเร็วที่ช้าลงมากในอดีต และจะต้องมีการถ่ายโอนข้อมูลที่เร็วขึ้นมากในอนาคต
เช่นเดียวกับ ISP ของคุณ NASA อนุญาตให้ผู้ใช้อินเทอร์เน็ตทำได้ การสื่อสารกับยานอวกาศแบบเรียลไทม์
เครือข่ายห้วงอวกาศ
ด้วยการปรากฏตัวของ NASA ในอวกาศที่เพิ่มขึ้น ระบบการสื่อสารที่ได้รับการปรับปรุงจึงปรากฏขึ้นอย่างต่อเนื่อง ครอบคลุมพื้นที่มากขึ้นเรื่อยๆ อันดับแรกคือวงโคจรของโลกในระดับต่ำ จากนั้นวงโคจรแบบจีโอซิงโครนัสกับดวงจันทร์ และในไม่ช้า การสื่อสารก็ลึกลงไปในอวกาศ ทุกอย่างเริ่มต้นจากวิทยุพกพาที่ใช้ฐานทัพสหรัฐฯ ในไนจีเรีย สิงคโปร์ และแคลิฟอร์เนียเพื่อรับข้อมูลทางไกลจาก Explorer 1 ซึ่งเป็นดาวเทียมดวงแรกที่ชาวอเมริกันปล่อยได้สำเร็จในปี 1958 ช้าแต่แน่นอน พื้นฐานนี้ได้พัฒนาไปสู่ระบบการส่งข้อความขั้นสูงในปัจจุบัน
Douglas Abraham หัวหน้าฝ่ายกลยุทธ์และระบบพยากรณ์ที่ Interplanetary Network Directorate ของ NASA เน้นย้ำถึงสามเครือข่ายที่พัฒนาขึ้นอย่างอิสระสำหรับการส่งข้อความในอวกาศ เครือข่ายโลกใกล้ทำงานร่วมกับยานอวกาศในวงโคจรระดับต่ำของโลก “เป็นชุดเสาอากาศ ส่วนใหญ่สูง 9 ม. ถึง 12 ม. มีเสาอากาศขนาดใหญ่ไม่กี่แห่ง 15 ม. ถึง 18 ม.” อับราฮัมกล่าว จากนั้น เหนือวงโคจรธรณีซิงโครนัสของโลก มีดาวเทียมติดตามและข้อมูล (TDRS) หลายดวง “พวกเขาสามารถมองลงไปที่ดาวเทียมในวงโคจรระดับต่ำของโลกและสื่อสารกับพวกเขา จากนั้นส่งข้อมูลนี้ผ่าน TDRS ไปยังภาคพื้นดิน” อับราฮัมอธิบาย “ระบบการส่งข้อมูลผ่านดาวเทียมนี้เรียกว่าเครือข่ายอวกาศของ NASA”
แต่แม้แต่ TDRS ก็ยังไม่เพียงพอที่จะสื่อสารกับยานอวกาศที่ไปไกลกว่าวงโคจรของดวงจันทร์ไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น “เราจึงต้องสร้างเครือข่ายที่ครอบคลุมระบบสุริยะทั้งหมด และนี่คือเครือข่ายห้วงอวกาศ DSN” อับราฮัมกล่าว เครือข่ายดาวอังคารเป็นส่วนเสริม .
ด้วยขอบเขตและแผน DSN เป็นระบบที่ซับซ้อนที่สุดในรายการ ในความเป็นจริงนี่คือชุดเสาอากาศขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 34 ถึง 70 ม. ไซต์ DSN ทั้งสามแห่งแต่ละแห่งมีเสาอากาศ 34 เมตรหลายเสาและเสาอากาศ 70 เมตรหนึ่งเสา ไซต์หนึ่งตั้งอยู่ในโกลด์สโตน (แคลิฟอร์เนีย) อีกแห่งใกล้กับมาดริด (สเปน) และแห่งที่สามอยู่ในแคนเบอร์รา (ออสเตรเลีย) ไซต์เหล่านี้ตั้งอยู่ห่างกันประมาณ 120 องศาทั่วโลก และให้ความคุ้มครองตลอด XNUMX ชั่วโมงทุกวันสำหรับยานอวกาศทุกลำที่อยู่นอกวงโคจรธรณีซิงโครนัส
เสาอากาศ 34 ม. เป็นอุปกรณ์หลักของ DSN และมีสองแบบ: เสาอากาศแบบเก่าที่มีประสิทธิภาพสูงและเสาอากาศท่อนำคลื่นที่ค่อนข้างใหม่ ข้อแตกต่างคือเสาอากาศท่อนำคลื่นมีกระจก RF ที่แม่นยำห้าชิ้นที่สะท้อนสัญญาณผ่านท่อไปยังห้องควบคุมใต้ดิน ซึ่งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่วิเคราะห์สัญญาณเหล่านั้นได้รับการปกป้องที่ดีกว่าจากแหล่งสัญญาณรบกวนทั้งหมด เสาอากาศยาว 34 เมตร ซึ่งทำงานแยกกันหรือเป็นกลุ่มจานละ 2-3 จาน สามารถให้การสื่อสารส่วนใหญ่ที่ NASA ต้องการได้ แต่สำหรับกรณีพิเศษที่ระยะทางยาวเกินไปสำหรับเสาอากาศ 34 ม. แม้แต่ไม่กี่เสา การจัดการ DSN จะใช้มอนสเตอร์ 70 ม.
“พวกมันมีบทบาทสำคัญในหลายๆ กรณี” อับราฮัมกล่าวถึงเสาอากาศขนาดใหญ่ ประการแรกคือเมื่อยานอวกาศอยู่ไกลจากโลกมากจนไม่สามารถสื่อสารกับมันได้โดยใช้จานขนาดเล็ก “ตัวอย่างที่ดีคือภารกิจนิวฮอไรซันส์ ซึ่งบินไปไกลเกินกว่าดาวพลูโตแล้ว หรือยานอวกาศโวเอเจอร์ซึ่งอยู่นอกระบบสุริยะ มีเพียงเสาอากาศขนาด 70 เมตรเท่านั้นที่สามารถผ่านเข้ามาและส่งข้อมูลมายังโลกได้” อับราฮัมอธิบาย
จานขนาด 70 เมตรยังใช้เมื่อยานอวกาศไม่สามารถใช้งานเสาอากาศเสริมได้ ไม่ว่าจะเนื่องจากสถานการณ์วิกฤตที่วางแผนไว้ เช่น การเข้าสู่วงโคจร หรือเพราะมีบางอย่างผิดพลาด ตัวอย่างเช่น เสาอากาศยาว 70 เมตรถูกใช้เพื่อส่งอพอลโล 13 กลับสู่พื้นโลกอย่างปลอดภัย เธอยังได้นำเอาคำพูดที่โด่งดังของนีล อาร์มสตรอง ที่ว่า "ก้าวเล็กๆ ของมนุษย์ ก้าวที่ยิ่งใหญ่ของมนุษยชาติ" และแม้กระทั่งทุกวันนี้ DSN ยังคงเป็นระบบการสื่อสารที่ทันสมัยและละเอียดอ่อนที่สุดในโลก “แต่ด้วยเหตุผลหลายประการ มันมาถึงขีดจำกัดแล้ว” อับราฮัมเตือน “แทบจะไม่มีที่ไหนเลยที่จะปรับปรุงเทคโนโลยีที่ทำงานด้วยความถี่วิทยุ วิธีแก้ปัญหาง่ายๆ กำลังจะหมดลง"
สถานีภาคพื้นดินสามสถานีห่างกัน 120 องศา
จาน DSN ในแคนเบอร์รา
DSN คอมเพล็กซ์ในมาดริด
DSN ในโกลด์สโตน
ห้องควบคุมที่ Jet Propulsion Laboratory
วิทยุและสิ่งที่ตามมา
เรื่องนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ ประวัติศาสตร์ของการสื่อสารในห้วงอวกาศประกอบด้วยการต่อสู้อย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มความถี่และลดความยาวคลื่น Explorer 1 ใช้ความถี่ 108 MHz จากนั้น NASA ได้เปิดตัวเสาอากาศที่ใหญ่ขึ้นและรับได้ดีขึ้นซึ่งรองรับความถี่จาก L-band ตั้งแต่ 1 ถึง 2 GHz จากนั้นก็ถึงคราวของ S-band ที่มีความถี่ตั้งแต่ 2 ถึง 4 GHz จากนั้นหน่วยงานก็เปลี่ยนไปใช้ X-band ที่มีความถี่ 7-11,2 GHz
วันนี้ ระบบการสื่อสารในอวกาศกำลังมีการเปลี่ยนแปลงอีกครั้ง - ตอนนี้พวกเขากำลังย้ายไปที่ย่านความถี่ 26-40 GHz หรือ Ka-band “สาเหตุของแนวโน้มนี้คือยิ่งความยาวคลื่นสั้นลงและความถี่ยิ่งสูง คุณก็ยิ่งได้รับอัตราข้อมูลมากขึ้นเท่านั้น” Abraham กล่าว
มีเหตุผลสำหรับการมองโลกในแง่ดี เนื่องจากในอดีตความเร็วของการพัฒนาการสื่อสารที่ NASA นั้นค่อนข้างสูง เอกสารการวิจัยปี 2014 จาก Jet Propulsion Laboratory อ้างอิงข้อมูลปริมาณงานต่อไปนี้สำหรับการเปรียบเทียบ: หากเราใช้เทคโนโลยีการสื่อสารของ Explorer 1 เพื่อถ่ายโอนภาพถ่าย iPhone ทั่วไปจากดาวพฤหัสบดีมายังโลก มันจะใช้เวลานานกว่าจักรวาลอายุปัจจุบันถึง 460 เท่า ผู้บุกเบิก 2 และ 4 จากทศวรรษที่ 1960 จะใช้เวลา 633 ปี Mariner 000 จากปี 9 จะทำสำเร็จภายใน 1971 ชั่วโมง วันนี้กนง.จะใช้เวลาสามนาที
แน่นอนว่าปัญหาเดียวคือจำนวนข้อมูลที่ยานอวกาศได้รับนั้นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วพอๆ กัน หากไม่เร็วกว่าการเติบโตของความสามารถในการส่งข้อมูล กว่า 40 ปีของการดำเนินงาน Voyagers 1 และ 2 มีข้อมูล 5 TB ดาวเทียม NISAR Earth Science ซึ่งมีกำหนดเปิดตัวในปี 2020 จะผลิตข้อมูลได้ 85 TB ต่อเดือน และถ้าดาวเทียมของโลกสามารถทำเช่นนี้ได้ การถ่ายโอนข้อมูลปริมาณดังกล่าวระหว่างดาวเคราะห์ก็เป็นเรื่องที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แม้แต่ MRS ที่ค่อนข้างเร็วก็ยังส่งข้อมูล 85 TB มายังโลกเป็นเวลา 20 ปี
“อัตราการถ่ายโอนข้อมูลโดยประมาณสำหรับการสำรวจดาวอังคารในช่วงปลายปี 2020 และต้นปี 2030 จะอยู่ที่ 150 Mbps หรือสูงกว่า ดังนั้นเรามาคำนวณกัน” Abraham กล่าว – หากยานอวกาศระดับ MPC ที่ระยะทางสูงสุดจากเราถึงดาวอังคารสามารถส่งสัญญาณประมาณ 1 Mbps ไปยังเสาอากาศสูง 70 เมตรบนโลก ดังนั้นจำเป็นต้องใช้เสาอากาศขนาด 150 เมตรจำนวน 150 เสาเพื่อสร้างการสื่อสารที่ความเร็ว 70 Mbps . ใช่ แน่นอน เราสามารถหาวิธีอันชาญฉลาดในการลดปริมาณที่ไร้สาระนี้ลงได้เล็กน้อย แต่เห็นได้ชัดว่าปัญหามีอยู่จริง: การจัดระเบียบการสื่อสารระหว่างดาวเคราะห์ด้วยความเร็ว 150 Mbps นั้นยากมาก นอกจากนี้ เรากำลังหมดสเปกตรัมของความถี่ที่อนุญาต”
ดังที่ Abraham สาธิต การทำงานบนแบนด์ S หรือ X ภารกิจเดียวที่มีความจุ 25 Mbps จะครอบครองสเปกตรัมที่มีอยู่ทั้งหมด มีพื้นที่มากขึ้นใน Ka-band แต่มีเพียงสองดาวเทียมของ Mars ที่มีแบนด์วิธ 150 Mbps เท่านั้นที่จะครอบครองสเปกตรัมทั้งหมด พูดง่ายๆ ก็คือ อินเทอร์เน็ตระหว่างดาวเคราะห์จะต้องใช้มากกว่าแค่วิทยุในการทำงาน มันต้องพึ่งพาเลเซอร์
การกำเนิดของการสื่อสารด้วยแสง
เลเซอร์ฟังดูล้ำยุค แต่แนวคิดของการสื่อสารด้วยแสงสามารถย้อนไปถึงสิทธิบัตรที่ยื่นโดย Alexander Graham Bell ในปี 1880 Bell พัฒนาระบบที่แสงแดดส่องไปที่ลำแสงที่แคบมาก ส่องไปยังไดอะแฟรมสะท้อนแสงที่สั่นสะเทือนเนื่องจากเสียง การสั่นสะเทือนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแสงที่ผ่านเลนส์ไปยังตัวตรวจจับแสงแบบหยาบ การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของเครื่องตรวจจับแสงเปลี่ยนกระแสที่ไหลผ่านโทรศัพท์
ระบบไม่เสถียร ระดับเสียงเบามาก และในที่สุด Bell ก็ล้มเลิกความคิดนี้ แต่เกือบ 100 ปีต่อมา วิศวกรของ NASA กลับไปสู่แนวคิดเดิม
“เรารู้เกี่ยวกับข้อจำกัดของระบบความถี่วิทยุ ดังนั้นในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ต้นทศวรรษ 1980 ที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion พวกเขาจึงเริ่มหารือเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการส่งข้อความจากห้วงอวกาศโดยใช้เลเซอร์อวกาศ” Abraham กล่าว เพื่อทำความเข้าใจสิ่งที่เป็นไปได้และเป็นไปไม่ได้ในการสื่อสารด้วยแสงในห้วงอวกาศให้ดียิ่งขึ้น การศึกษาควรจะตอบคำถามที่สำคัญ: แล้วสภาพอากาศและปัญหาการมองเห็นล่ะ (หลังจากนั้น คลื่นวิทยุสามารถทะลุผ่านก้อนเมฆได้ง่าย ในขณะที่เลเซอร์ไม่สามารถผ่านได้) จะเกิดอะไรขึ้นหากมุมของโพรบดวงอาทิตย์-โลกแหลมเกินไป เครื่องตรวจจับบนโลกจะแยกแยะสัญญาณแสงที่อ่อนจากแสงแดดได้หรือไม่? และสุดท้ายทั้งหมดนี้ราคาเท่าไหร่และจะคุ้มไหม? “เรายังคงมองหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้” อับราฮัมยอมรับ “อย่างไรก็ตาม คำตอบยืนยันความเป็นไปได้ของการส่งข้อมูลทางแสงมากขึ้นเรื่อยๆ”
DSRSS แนะนำว่าจุดเหนือชั้นบรรยากาศของโลกจะเหมาะที่สุดสำหรับการสื่อสารด้วยแสงและวิทยุ มีการอ้างว่าระบบสื่อสารด้วยแสงที่ติดตั้งบนสถานีโคจรจะทำงานได้ดีกว่าสถาปัตยกรรมบนบกใดๆ รวมถึงเสาอากาศยาว 70 เมตรอันเป็นสัญลักษณ์ มันควรจะติดตั้งจานขนาด 10 เมตรในวงโคจรใกล้โลก แล้วจึงเพิ่มเป็นจีโอซิงโครนัส อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายของระบบดังกล่าวซึ่งประกอบด้วยดาวเทียมพร้อมจาน จรวดส่ง และเทอร์มินัลผู้ใช้ห้าเครื่องนั้นเป็นสิ่งที่ห้ามปราม ยิ่งกว่านั้น การศึกษาไม่ได้รวมค่าใช้จ่ายของระบบเสริมที่จำเป็น ซึ่งจะเริ่มใช้งานในกรณีที่ดาวเทียมขัดข้อง
เมื่อใช้ระบบนี้ ห้องแล็บเริ่มมองหาสถาปัตยกรรมภาคพื้นดินที่อธิบายไว้ในการศึกษาเทคโนโลยีขั้นสูงภาคพื้นดิน (GBATS) ซึ่งดำเนินการที่ห้องแล็บในช่วงเวลาเดียวกับ DRSS คนที่ทำงานใน GBATS ได้เสนอข้อเสนอทางเลือกสองข้อ ประการแรกคือการติดตั้งสถานี 10 แห่งที่มีเสาอากาศ 60 เมตรและเสาอากาศสำรองแบบเมตร ซึ่งอยู่ห่างกัน 66 องศารอบเส้นศูนย์สูตร ต้องสร้างสถานีบนยอดเขา ซึ่งอย่างน้อย 2% ของวันที่อากาศปลอดโปร่ง ดังนั้นยานอวกาศทุกลำจะมองเห็น 3-120 สถานีเสมอและจะมีสภาพอากาศที่แตกต่างกัน ตัวเลือกที่สองคือสถานีเก้าแห่งซึ่งจัดกลุ่มเป็นกลุ่มละสามแห่งและอยู่ห่างจากกัน 200 องศา สถานีภายในแต่ละกลุ่มควรอยู่ห่างกัน XNUMX กม. เพื่อให้อยู่ในแนวสายตา แต่อยู่ในเซลล์สภาพอากาศที่แตกต่างกัน
สถาปัตยกรรม GBATS ทั้งสองมีราคาถูกกว่าวิธีอวกาศ แต่ก็มีปัญหาเช่นกัน ประการแรก เนื่องจากสัญญาณต้องผ่านชั้นบรรยากาศของโลก การรับสัญญาณในเวลากลางวันจะแย่กว่าการรับสัญญาณในเวลากลางคืนเนื่องจากท้องฟ้ามีแสงสว่าง แม้จะมีการจัดเรียงที่ชาญฉลาด แต่สถานีออปติกภาคพื้นดินจะขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ ในที่สุดยานอวกาศที่เล็งเลเซอร์ไปที่สถานีภาคพื้นดินจะต้องปรับตัวให้เข้ากับสภาพอากาศเลวร้ายและสร้างการสื่อสารใหม่กับสถานีอื่นที่ไม่มีเมฆบดบัง
อย่างไรก็ตาม โดยไม่คำนึงถึงปัญหา โครงการ DSRSS และ GBATS ได้วางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับระบบออปติกในห้วงอวกาศและการพัฒนาสมัยใหม่ของวิศวกรที่ NASA มันยังคงเป็นเพียงการสร้างระบบดังกล่าวและแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพเท่านั้น โชคดีที่มันอยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่เดือน
การดำเนินโครงการ
เมื่อถึงเวลานั้น การส่งข้อมูลด้วยแสงในอวกาศได้เกิดขึ้นแล้ว การทดสอบครั้งแรกเกิดขึ้นในปี 1992 เมื่อยานสำรวจกาลิเลโอกำลังมุ่งหน้าไปยังดาวพฤหัสบดีและหันกล้องความละเอียดสูงเข้าหาโลกเพื่อรับชุดพัลส์เลเซอร์จากกล้องโทรทรรศน์ Table Mountain Observatory ขนาด 60 ซม. และกล้องโทรทรรศน์แสง Starfire ของ USAF 1,5 ม. ในนิวเม็กซิโก ในขณะนั้น กาลิเลโออยู่ห่างจากโลก 1,4 ล้านกิโลเมตร แต่ลำแสงเลเซอร์ทั้งสองกระทบกับกล้องของเขา
องค์การอวกาศของญี่ปุ่นและยุโรปยังสามารถสร้างการสื่อสารด้วยแสงระหว่างสถานีภาคพื้นดินและดาวเทียมในวงโคจรของโลก จากนั้นพวกเขาก็สามารถสร้างการเชื่อมต่อ 50 Mbps ระหว่างดาวเทียมทั้งสองดวงได้ ไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทีมงานชาวเยอรมันได้สร้างการเชื่อมโยงออปติคัลแบบสองทิศทางที่สอดคล้องกันความเร็ว 5,6 Gbps ระหว่างดาวเทียม NFIRE ในวงโคจรของโลกและสถานีภาคพื้นดินในเมืองเตเนริเฟ ประเทศสเปน แต่กรณีเหล่านี้ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับวงโคจรใกล้โลก
การเชื่อมโยงทางแสงครั้งแรกที่เชื่อมต่อสถานีภาคพื้นดินกับยานอวกาศในวงโคจรรอบดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะได้รับการติดตั้งในเดือนมกราคม 2013 ภาพขาวดำขนาด 152 x 200 พิกเซลของ Mona Lisa ถูกส่งจาก Next Generation Satellite Laser Range Station ที่ Goddard Space Flight Center ของ NASA ไปยัง Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) ที่ความเร็ว 300 bps การสื่อสารเป็นแบบทางเดียว LRO ส่งภาพที่ได้รับจากโลกกลับมาทางวิทยุธรรมดา รูปภาพต้องการการแก้ไขข้อผิดพลาดเล็กน้อยของซอฟต์แวร์ แต่ถึงแม้จะไม่มีการเข้ารหัสนี้ ก็ยังจดจำได้ง่าย และในเวลานั้น การเปิดตัวระบบที่ทรงพลังกว่าไปยังดวงจันทร์ได้ถูกวางแผนไว้แล้ว
จากโครงการ Lunar Reconnaissance Orbiter ในปี 2013: เพื่อล้างข้อผิดพลาดในการส่งสัญญาณที่เกิดจากชั้นบรรยากาศของโลก (ซ้าย) นักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดใช้การแก้ไขข้อผิดพลาด Reed-Solomon (ขวา) ซึ่งใช้มากในซีดีและดีวีดี ข้อผิดพลาดทั่วไป ได้แก่ พิกเซลขาดหายไป (สีขาว) และสัญญาณผิดพลาด (สีดำ) แถบสีขาวหมายถึงการหยุดชั่วคราวเล็กน้อยในการส่ง
«» (LADEE) เข้าสู่วงโคจรของดวงจันทร์เมื่อวันที่ 6 ตุลาคม 2013 และเพียงหนึ่งสัปดาห์ต่อมาก็เปิดตัวเลเซอร์พัลซิ่งสำหรับการส่งข้อมูล ครั้งนี้ NASA พยายามจัดระเบียบการสื่อสารสองทางที่ความเร็ว 20 Mbps ในทิศทางนั้นและบันทึกความเร็ว 622 Mbps ในทิศทางตรงกันข้าม ปัญหาเดียวคืออายุการใช้งานสั้นของภารกิจ การสื่อสารด้วยแสง LRO ทำงานเพียงไม่กี่นาที ลาดีสื่อสารกับเลเซอร์ของเขาเป็นเวลา 16 ชั่วโมง รวม 30 วัน สถานการณ์นี้ควรเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการเปิดตัว Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD) ซึ่งมีกำหนดการในเดือนมิถุนายน 2019 หน้าที่ของมันคือแสดงให้เห็นว่าระบบการสื่อสารในอนาคตในอวกาศจะทำงานอย่างไร
LCRD กำลังได้รับการพัฒนาที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion ของ NASA โดยความร่วมมือกับ Lincoln Laboratory ที่ MIT จะมีขั้วแสงสองขั้ว: ขั้วหนึ่งสำหรับการสื่อสารในวงโคจรต่ำของโลก และอีกขั้วหนึ่งสำหรับห้วงอวกาศ อันดับแรกจะต้องใช้การเลื่อนเฟสที่แตกต่างกัน (DPSK) เครื่องส่งสัญญาณจะส่งพัลส์เลเซอร์ที่ความถี่ 2,88 GHz การใช้เทคโนโลยีนี้ แต่ละบิตจะถูกเข้ารหัสโดยความแตกต่างของเฟสของพัลส์ที่ต่อเนื่องกัน จะสามารถทำงานได้ที่ 2,88 Gbps แต่จะต้องใช้พลังงานมาก อุปกรณ์ตรวจจับสามารถตรวจจับความแตกต่างของพัลส์ในสัญญาณพลังงานสูงเท่านั้น ดังนั้น DPSK จึงใช้งานได้ดีกับการสื่อสารใกล้โลก แต่ก็ไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุดสำหรับห้วงอวกาศ ซึ่งการจัดเก็บพลังงานเป็นปัญหา สัญญาณที่ส่งมาจากดาวอังคารจะสูญเสียพลังงานก่อนที่จะมาถึงโลก ดังนั้น LCRD จะใช้เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การปรับเฟสพัลส์ เพื่อสาธิตการสื่อสารด้วยแสงกับห้วงอวกาศ
วิศวกรของ NASA เตรียม LADEE สำหรับการทดสอบ
ในปี 2017 วิศวกรได้ทดสอบโมเด็มการบินในห้องสุญญากาศระบายความร้อน
“โดยพื้นฐานแล้ว มันนับโฟตอน” อับราฮัมอธิบาย – ช่วงเวลาสั้น ๆ ที่จัดสรรสำหรับการสื่อสารแบ่งออกเป็นหลายส่วนเวลา ในการรับข้อมูล คุณเพียงแค่ตรวจสอบว่าโฟตอนในแต่ละช่องว่างชนกับตัวตรวจจับหรือไม่ นี่คือวิธีการเข้ารหัสข้อมูลใน FIM” มันเหมือนกับรหัสมอร์ส ด้วยความเร็วที่สูงมากเท่านั้น อาจมีแสงวาบในช่วงเวลาหนึ่งหรือไม่มี และข้อความจะถูกเข้ารหัสโดยลำดับของการกะพริบ “แม้ว่าจะช้ากว่า DPSK มาก แต่เรายังคงสามารถสร้างการสื่อสารด้วยแสงด้วยความเร็วสิบหรือหลายร้อย Mbps ที่ระยะทางไกลถึงดาวอังคาร” อับราฮัมกล่าวเสริม
แน่นอนว่าโครงการ LCRD ไม่ได้เกี่ยวกับเทอร์มินัลทั้งสองนี้เท่านั้น ควรทำงานเป็นโหนดอินเทอร์เน็ตในอวกาศด้วย บนภาคพื้นดิน จะมีสถานีสามแห่งที่ให้บริการ LCRD: หนึ่งแห่งใน White Sands ในนิวเม็กซิโก หนึ่งแห่งใน Table Mountain ในแคลิฟอร์เนีย และอีกหนึ่งแห่งบนเกาะฮาวายหรือ Maui แนวคิดคือการทดสอบการเปลี่ยนจากสถานีภาคพื้นดินหนึ่งไปอีกสถานีหนึ่งในกรณีที่สภาพอากาศเลวร้ายที่สถานีใดสถานีหนึ่ง ภารกิจจะทดสอบการทำงานของ LCRD ในฐานะตัวส่งข้อมูลด้วย สัญญาณแสงจากสถานีใดสถานีหนึ่งจะส่งไปยังดาวเทียมแล้วส่งไปยังสถานีอื่น - และทั้งหมดนี้ผ่านการสื่อสารด้วยแสง
หากไม่สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้ทันที LCRD จะจัดเก็บและถ่ายโอนเมื่อทำได้ หากข้อมูลเร่งด่วนหรือมีพื้นที่จัดเก็บไม่เพียงพอบนเครื่อง LCRD จะส่งข้อมูลทันทีผ่านเสาอากาศ Ka-band ดังนั้น LCRD ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของดาวเทียมส่งสัญญาณในอนาคตจะเป็นระบบวิทยุ-ออปติกแบบไฮบริด นี่คือประเภทของหน่วยที่ NASA จำเป็นต้องวางไว้ในวงโคจรรอบดาวอังคารเพื่อจัดระเบียบเครือข่ายดาวเคราะห์ที่สนับสนุนการสำรวจห้วงอวกาศของมนุษย์ในทศวรรษที่ 2030
นำ Mars ออนไลน์
ในปีที่ผ่านมา ทีมงานของ Abraham ได้เขียนบทความ 2019 ฉบับที่อธิบายถึงอนาคตของการสื่อสารในห้วงอวกาศ ซึ่งจะนำเสนอในการประชุม SpaceOps ในฝรั่งเศสในเดือนพฤษภาคม XNUMX ฉบับหนึ่งกล่าวถึงการสื่อสารในห้วงอวกาศโดยทั่วไป ส่วนอีกฉบับ (““) เสนอคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานที่สามารถให้บริการคล้ายอินเทอร์เน็ตสำหรับนักบินอวกาศบนดาวเคราะห์สีแดง
อัตราข้อมูลเฉลี่ยสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 215 Mbps สำหรับการดาวน์โหลดและ 28 Mbps สำหรับการอัปโหลด อินเทอร์เน็ตบนดาวอังคารจะประกอบด้วยเครือข่ายสามเครือข่าย: WiFi ครอบคลุมพื้นที่การวิจัยบนพื้นผิว เครือข่ายดาวเคราะห์ที่ส่งข้อมูลจากพื้นผิวมายังโลก และเครือข่ายภาคพื้นดิน ซึ่งเป็นเครือข่ายการสื่อสารห้วงอวกาศที่มีสามไซต์รับผิดชอบในการรับข้อมูลนี้และส่งการตอบสนอง กลับไปที่ดาวอังคาร
“ในการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานเช่นนี้ มีปัญหามากมาย จะต้องมีความน่าเชื่อถือและเสถียร แม้ในระยะทางสูงสุดไปยังดาวอังคารที่ 2,67 AU ในช่วงที่มีการรวมดวงอาทิตย์ที่เหนือกว่า เมื่อดาวอังคารซ่อนตัวอยู่หลังดวงอาทิตย์” อับราฮัมกล่าว การเชื่อมต่อดังกล่าวเกิดขึ้นทุก ๆ สองปีและทำให้การสื่อสารกับดาวอังคารหยุดชะงัก “วันนี้เราไม่สามารถจัดการกับมันได้ สถานีลงจอดและสถานีโคจรทั้งหมดบนดาวอังคารขาดการติดต่อกับโลกเป็นเวลาประมาณสองสัปดาห์ ด้วยการสื่อสารด้วยแสง การสูญเสียการสื่อสารเนื่องจากการเชื่อมต่อพลังงานแสงอาทิตย์จะยาวนานยิ่งขึ้นไปอีก 10 ถึง 15 สัปดาห์” สำหรับหุ่นยนต์ ช่องว่างดังกล่าวไม่ได้น่ากลัวเป็นพิเศษ ความโดดเดี่ยวดังกล่าวไม่ได้ทำให้พวกเขามีปัญหา เพราะพวกเขาไม่เบื่อ ไม่รู้สึกเหงา ไม่จำเป็นต้องเห็นคนที่ตนรัก แต่สำหรับมนุษย์มันไม่ใช่อย่างนั้นเลย
“ดังนั้น ในทางทฤษฎีแล้ว เราอนุญาตให้ใช้งานเครื่องส่งสัญญาณการโคจร 17300 เครื่องที่วางในวงโคจรเส้นศูนย์สูตรเป็นวงกลมที่ความสูง 1500 กิโลเมตรเหนือพื้นผิวดาวอังคาร” อับราฮัมกล่าวต่อ จากการศึกษาพบว่าอุปกรณ์แต่ละชิ้นควรมีน้ำหนัก 20 กก. พกพาชุดเทอร์มินัลที่ทำงานในแถบ X-band, Ka-band และแถบออปติคัล และใช้พลังงานจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีความจุ 30-XNUMX กิโลวัตต์ พวกเขาจะต้องรองรับ Delay Tolerant Network Protocol—โดยพื้นฐานแล้วคือ TCP/IP ซึ่งออกแบบมาเพื่อจัดการกับความล่าช้าสูงที่เครือข่ายระหว่างดาวเคราะห์จะต้องประสบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ สถานีโคจรที่เข้าร่วมในเครือข่ายจะต้องสามารถสื่อสารกับนักบินอวกาศและยานพาหนะบนพื้นผิวโลก กับสถานีภาคพื้นดินและระหว่างกันได้
“ครอสทอล์คนี้มีความสำคัญมากเพราะช่วยลดจำนวนเสาอากาศที่ต้องใช้ในการส่งข้อมูลที่ความเร็ว 250 Mbps” Abraham กล่าว ทีมงานของเขาประเมินว่าจำเป็นต้องใช้เสาอากาศขนาด 250 เมตรหกชุดเพื่อรับข้อมูล 34 Mbps จากเครื่องส่งสัญญาณที่โคจรอยู่ ซึ่งหมายความว่า NASA จะต้องสร้างเสาอากาศเพิ่มเติมสามเสาที่ไซต์สื่อสารห้วงอวกาศ แต่ต้องใช้เวลาหลายปีในการสร้างและมีราคาแพงมาก “แต่เราคิดว่าสถานีวงโคจร 125 แห่งสามารถแบ่งปันข้อมูลระหว่างกันและส่งพร้อมกันด้วยความเร็ว 34 Mbps โดยที่เครื่องส่งสัญญาณเครื่องหนึ่งจะส่งแพ็กเก็ตข้อมูลครึ่งหนึ่งและอีกเครื่องจะส่งอีกเครื่องหนึ่ง” อับราฮัมกล่าว . ทุกวันนี้ เสาอากาศสื่อสารในห้วงอวกาศลึก 125 เมตรสามารถรับข้อมูลจากยานอวกาศสี่ลำที่แตกต่างกันพร้อมกันได้ ส่งผลให้ต้องใช้เสาอากาศสามเสาในการทำงานให้สำเร็จ “ต้องใช้จำนวนเสาสัญญาณเท่ากันในการรับส่งสัญญาณ XNUMX Mbps จากพื้นที่เดียวกันบนท้องฟ้า ซึ่งต้องใช้ในการรับส่งสัญญาณครั้งเดียว” Abraham อธิบาย “จำเป็นต้องใช้เสาอากาศมากขึ้นเฉพาะเมื่อคุณต้องการสื่อสารด้วยความเร็วที่สูงขึ้น”
เพื่อจัดการกับปัญหาการเชื่อมต่อพลังงานแสงอาทิตย์ ทีมงานของ Abraham ได้เสนอให้ส่งดาวเทียมส่งสัญญาณไปยังจุด L4/L5 ของวงโคจรดวงอาทิตย์-ดาวอังคาร/ดวงอาทิตย์-โลก จากนั้น ในช่วงเวลาของการเชื่อมต่อ จะสามารถใช้ส่งข้อมูลรอบดวงอาทิตย์ แทนที่จะส่งสัญญาณผ่านดวงอาทิตย์ น่าเสียดายที่ในช่วงนี้ความเร็วจะลดลงเหลือ 100 Kbps พูดง่ายๆ มันจะได้ผล แต่ห่วย
ในระหว่างนี้ ผู้ที่อยากเป็นนักบินอวกาศบนดาวอังคารจะต้องรอเพียงสามนาทีกว่าจะได้รับภาพถ่ายลูกแมว ไม่นับความล่าช้าที่อาจถึง 40 นาที โชคดีที่เมื่อถึงเวลาที่ความทะเยอทะยานของมนุษยชาติขับเคลื่อนเราไปให้ไกลกว่าดาวเคราะห์สีแดง อินเทอร์เน็ตระหว่างดาวเคราะห์จะทำงานได้ดีเกือบตลอดเวลา
ที่มา: will.com