«Вже практично нікуди покращувати технологію, яка працює на радіочастотах. Прості рішення закінчуються»
26 листопада 2018 року о 22:53 мск у НАСА це знову вийшло – зонд InSight здійснив успішну посадку на поверхню Марса після входу в атмосферу, спуску та посадкових маневрів, які пізніше про хрестили «шістьма з половиною хвилинами жаху». Відповідний опис, адже інженери НАСА не могли дізнатися відразу, чи успішно космічний зонд сів на поверхню планети через тимчасову затримку комунікацій між Землею та Марсом, що склала приблизно 8,1 хв. Під час цього вікна InSight не міг покладатися на свої сучасніші та потужніші антени – все залежало від старомодного УВЧ-зв'язку (цей метод давно використовується скрізь, від телемовлення та рацій до пристроїв Bluetooh).
У результаті критично важливі дані за станом InSight були передані на радіохвилях частотою 401,586 МГц на два супутники., WALL-E і EVE, що передали дані на швидкості 8 Кбіт/с на 70-метрові антени, розташовані на Землі. Кубсати були запущені на тій же ракеті, що й InSight, і вони супроводжували його в подорожі до Марса, щоб спостерігати за посадкою та одразу передати дані додому. Інші орбітальні марсіанські кораблі, наприклад, (МРС), знаходилися в незручному становищі і не могли спочатку забезпечити обмін повідомленнями з посадковим модулем в реальному часі. Не сказати, щоб вся посадка залежала від двох експериментальних Кубсатів розміром з валізу кожен, але МРС зміг би передати дані від InSight лише після ще тривалішого очікування.
Посадка InSight насправді випробувала всю архітектуру комунікацій НАСА, «Марсіанську мережу» [the Mars Network]. Сигнал посадкового модуля InSight, переданий на орбітальні супутники, у будь-якому випадку досяг Землі, навіть якби супутники відмовили. WALL-E та EVE були потрібні для миттєвої передачі інформації, і вони з цим впоралися. Якби ці Кубсати не спрацювали з якихось причин, їхня роль готова була зіграти МРС. Кожен із них працював як вузл в мережі, схожій на інтернет, спрямовуючи пакети даних через різні термінали, що складаються з різного обладнання. На сьогодні найефективнішим є МРС, здатний передавати дані на швидкості до 6 Мбіт/с (і це поточний рекорд для міжпланетних місій). Однак НАСА доводилося працювати з меншими швидкостями в минулому – а в майбутньому йому знадобиться набагато швидша передача даних.
Як і ваш інтернет-провайдер, НАСА дозволяє користувачам інтернету зв'язок із космічними кораблями у реальному часі.
Мережа далекого космічного зв'язку
Зі збільшенням присутності НАСА в космосі постійно з'являються покращені системи передачі повідомлень, що покривають все більший простір: спочатку це була низька орбіта навколоземна, потім геосинхронна орбіта і Місяць, а незабаром комунікації пішли глибше в космос. Все почалося з грубого портативного радіо, за допомогою якого на військових базах США в Нігерії, Сінгапурі та Каліфорнії приймали телеметрію з Explorer 1, першого супутника, успішно запущеного американцями в 1958-му. Повільно, але вірно, цей базис розвинувся в передові системи передачі повідомлень.
Дуглас Абрахам, голова відділу стратегічного та системного прогнозування у Дирекції міжпланетної мережі НАСА, підкреслює три незалежно розроблені мережі для передачі повідомлень у космосі. Near Earth Network (мережа ближнього зв'язку) працює з космічними апаратами на низькій навколоземній орбіті. "Це набір антен, в основному від 9 до 12 м. Є кілька великих, 15-18 м", - говорить Абрахам. Потім вище геосинхронної орбіти Землі знаходяться кілька супутників відстеження і передачі даних (TDRS). «Вони можуть дивитись зверху вниз на супутники на низькій навколоземній орбіті та спілкуватися з ними, а потім цю інформацію передають через TDRS на землю, – пояснює Абрахам. – Цю супутникову систему передачі даних називають космічною мережею НАСА».
Але навіть і TDRS не вистачило для зв'язку з космічним кораблем, що вирушив далеко за орбіту Місяця, до інших планет. Тому нам довелося створити мережу, що покриває всю Сонячну систему. І це Мережа далекого космічного зв'язку» [Deep Space Network, DSN], - говорить Абрахам. Марсіанська мережа є розширенням .
Враховуючи протяжність та плани, DSN є найскладнішою з перерахованих систем. По суті це набір великих антен, від 34 до 70 м в діаметрі. На кожному з трьох майданчиків DSN працюють кілька 34-метрових антен та одна 70-метрова. Один майданчик знаходиться в Голдстоуні (Каліфорнія), інший поряд з Мадридом (Іспанія), а третій у Канберрі (Австралія). Ці майданчики розташовані приблизно на 120 градусів по всій земній кулі, і забезпечують цілодобове покриття для всіх космічних кораблів за межами геосинхронної орбіти.
34-метрові антени – основне обладнання DSN, та їх буває два види: старі антени високої ефективності та відносно нові хвилеводні. Різниця в тому, що у хвилеводної антени є п'ять точних радіочастотних дзеркал, що відображають сигнали по трубі в операторську, де знаходиться під землею, де електроніка, що аналізує ці сигнали, краще захищена від усіх джерел перешкод. 34-метрові антени, працюючи окремо або групами з 2-3 тарілок, можуть забезпечити більшу частину необхідного зв'язку НАСА. Але для особливих випадків, коли відстані стають занадто великими навіть для кількох 34-метрових антен, керування DSN використовує 70-метрових монстрів.
"Вони відіграють важливу роль у кількох випадках", - говорить Абрахам про великі антени. Перший - коли космічний корабель знаходиться так далеко від Землі, що встановити з ним зв'язок за допомогою меншої тарілки буде неможливо. «Добрими прикладами будуть місія „Нові горизонти“, що відлетіла вже набагато далі за Плутон, або космічний корабель „Вояджер“, що знаходиться за межами Сонячної системи. Тільки 70-метрові антени здатні пробитися до них і доставити їх дані на Землю», – пояснює Абрахам.
70-метрові тарілки також використовуються, коли космічний корабель не може працювати з антеною, що посилює, або через заплановану критичну ситуацію типу виходу на орбіту, або через те, що щось йде зовсім не так. 70-метрову антену, наприклад, використовували для безпечного повернення Аполло-13 Землю. Вона також прийняла знамениту фразу Ніла Армстронга "Маленький крок для людини, гігантський крок для людства". І навіть сьогодні DSN залишається найпередовішою та найчутливішою системою зв'язку у світі. «Але з багатьох причин вона вже дійшла до своєї межі, – попереджає Абрахам. – Вже практично нікуди покращувати технологію, яка працює на радіочастотах. Прості рішення закінчуються».
Три наземні станції в 120 градусах одна від одної
Тарілки DSN у Канберрі
Комплекс DSN у Мадриді
DSN у Голдстоуні
Операторська в Лабораторії реактивного руху
Радіо, і що буде після нього
Ця історія не нова. Історія далекого космічного зв'язку складається з постійної боротьби за підвищення частот та укорочування довжин хвиль. Explorer 1 використовував частоти 108 МГц. Потім НАСА впровадила великі антени з кращим посиленням, що підтримували частоти L-діапазону, від 1 до 2 ГГц. Потім настала черга S-діапазону, з частотами від 2 до 4 ГГц, а потім агентство перейшло на X-діапазон, з частотами 7-11,2 ГГц.
Сьогодні системи космічних комунікацій знову зазнають змін - зараз вони переходять на діапазон 26-40 ГГц, Ка-діапазон. «Причина цієї тенденції в тому, що чим коротша довжина хвиль і вища частота, тим більшу швидкість передачі даних можна отримати», — говорить Абрахам.
Причини оптимізму є, враховуючи, що історично швидкість розвитку комунікацій у НАСА була досить високою. Дослідницька робота від 2014 року від Лабораторії реактивного руху наводить такі дані щодо пропускної спроможності для порівняння: якби ми використовували технології зв'язку Explorer 1 для передачі типового фото з iPhone з Юпітера на Землю, то це зайняло б у 460 разів більше часу, ніж поточний вік Всесвіту. У «Піонерів» 2 та 4 із 1960-х років на це пішло б 633 000 років. Марінер-9 з 1971 року впорався б із цим за 55 годин. Сьогодні МРС на це піде три хвилини.
Єдина проблема, звичайно, полягає в тому, що кількість даних, одержуваних космічними апаратами, зростає так само швидко, якщо не швидше за зростання можливостей їх передачі. За 40 років роботи Вояджери 1 та 2 видали 5 Тб інформації. Супутник NISAR Earth Science, що планується до запуску в 2020, видаватиме по 85 Тб даних на місяць. І якщо супутникам Землі це цілком під силу, передача такого обсягу даних між планетами – історія зовсім інша. Навіть щодо спритної МРС передаватиме 85 Тб даних на Землю 20 років.
«Очікувана швидкість передачі даних під час вивчення Марса наприкінці 2020-х і на початку 2030-х становитиме 150 Мбіт/с або вище, тож давайте підрахуємо, — каже Абрахам. – Якщо космічний корабель класу МРС на максимальній відстані від нас до Марса може відправляти приблизно 1 Мбіт/с на 70-метрову антену на Землі, то для організації зв'язку на швидкості 150 Мбіт/с буде потрібно масив зі 150 70-метрових антен. Так, звичайно, ми можемо вигадати хитромудрі способи трохи зменшити цю абсурдну кількість, але проблема, очевидно, існує: організація міжпланетного зв'язку на швидкості 150 Мбіт/с – справа надзвичайно складна. Крім того, ми закінчуємо спектр дозволених частот».
Як показує Абрахам, працюючи в діапазоні S або X, одна місія з пропускною здатністю 25 Мбіт/с займе весь доступний спектр. У Ka-діапазоні місця більше, але лише два супутники Марса з пропускною здатністю в 150 Мбіт/с займуть весь спектр. Простіше кажучи, для роботи міжпланетного інтернету знадобиться щось більше, ніж просто радіо – він покладатиметься на лазери.
Поява оптичних комунікацій
Лазери звучать футуристично, але ідею оптичних комунікацій можна відстежити до патенту, поданого Олександром Грехемом Беллом у 1880-х. Белл розробив систему, в якій сонячне світло, сфокусоване до дуже вузького пучка, прямувало на відбиваючу діафрагму, що вібрувала через звуки. Вібрації викликали варіації світла, що проходило крізь лінзу в грубий фотодетектор. Зміни опору фотодетектора змінювали струм через телефон.
Система працювала нестабільно, гучність була дуже малою, і Белл зрештою відмовився від цієї ідеї. Але, майже через 100 років, озброївшись лазерами і оптоволокном, інженери НАСА повернулися до цієї старої концепції.
«Ми знали про обмеження радіочастотних систем, тому в Лабораторії реактивного руху наприкінці 1970-х, на початку 1980-х почали обговорювати можливість передачі повідомлень з далекого космосу за допомогою космічних лазерів», — розповів Абрахам. Щоб краще зрозуміти, що можливо, а що немає в оптичних комунікаціях у глибокому космосі, лабораторія наприкінці 1980-х організувала чотирирічне дослідження «Система супутникових передавачів далекого космосу» Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). Дослідження мало відповісти на критично важливі питання: як бути з погодою та проблемами видимості (адже радіохвилі легко можуть проходити через хмари, тоді як лазери – ні)? Що, якщо кут Сонце-Земля-зонд стане надто гострим? Чи відрізнить детектор Землі слабкий оптичний сигнал від сонячного світла? І, нарешті, скільки все це коштуватиме і чи воно буде того коштувати? «Ми поки що шукаємо відповіді на ці питання, – визнає Абрахам. – Проте відповіді дедалі більше підтверджують можливість оптичної передачі».
У DSRSS припустили, що для оптичного та радіозв'язку найкраще підійде точка, розташована над атмосферою Землі. Заявлялося, що система оптичних комунікацій, встановлена на орбітальній станції, працюватиме краще за будь-яку наземну архітектуру, включаючи культові 70-метрові антени. На навколоземній орбіті передбачалося розгорнути 10-метрову тарілку, та був підняти її до геосинхронної. Однак вартість такої системи - що складається з супутника з тарілкою, ракети для запуску і п'яти терміналів користувача - була надмірною. Більше того, у дослідження навіть не закладали вартість необхідної допоміжної системи, яка б вступала в роботу у разі відмови супутника.
Як цю систему фахівці з Лабораторії почали дивитися на наземну архітектуру, описану в аналітичному звіті «Дослідження передових наземних технологій», проведеному в Лабораторії приблизно в той же час, що і DRSS. Люди, які працювали над GBATS, висунули дві альтернативні пропозиції. Перше – встановлення шести станцій з 10-метровими антенами та метровими запасними антенами, розташованими через 60 градусів один від одного по всьому екватору. Станції потрібно було будувати на гірських вершинах, там, де щонайменше 66% днів на рік стоїть ясна погода. Таким чином, 2-3 станції завжди будуть видно будь-якому космічному кораблю, і на них буде різна погода. Другий варіант - дев'ять станцій, що купуються гурпами по три, і розташовані через 120 градусів один від одного. Станції всередині кожної групи варто було розташовувати в 200 км один від одного, щоб вони знаходилися в прямій видимості, але в різних осередках.
Обидві архітектури GBATS були дешевшими за космічний підхід, але й у них були проблеми. По-перше, оскільки сигналам потрібно було пройти крізь атмосферу Землі, прийом у денний час буде набагато гіршим, ніж у нічний, через освітлене небо. Незважаючи на хитромудре розташування, наземні оптичні станції залежатимуть від погоди. Космічному апарату, що спрямовує лазер на наземну станцію, в результаті доведеться адаптуватися до поганих погодних умов і наново налагоджувати зв'язок з іншою станцією, яку не закривають хмари.
Проте, незалежно від проблем, проекти DSRSS та GBATS заклали теоретичний фундамент для оптичних систем далекого космічного зв'язку та сучасних розробок інженерів у НАСА. Залишалося лише побудувати таку систему та продемонструвати її працездатність. На щастя, до цього залишалося лише кілька місяців.
Реалізація проекту
На той час оптична передача даних у космосі вже мала місце. Перший досвід провели в 1992 році, коли зонд Галілео прямував до Юпітера, і резвернув свою камеру високого дозволу до Землі, щоб успішно отримати набір лазерних імпульсів, відправлених з 60 см телескопа обсерваторії Тейбл-Маунтін і з 1,5 м телескопа USAF Starfire Range у Нью-Мексико. У цей момент Галілео знаходився в 1,4 млн км від Землі, проте обидва лазерні промені потрапили в його камеру.
Японське та Європейське космічні агенції також змогли встановити оптичний зв'язок між наземними станціями та супутниками на орбіті Землі. Потім вони змогли встановити з'єднання швидкості 50 Мбіт/с між двома супутниками. Декілька років тому німецька команда встановила когерентний оптичний двонаправлений зв'язок на 5,6 Гбіт/с між супутником NFIRE, що знаходився на навколоземній орбіті, і наземною станцією в Тенеріфе (Іспанія). Але ці випадки пов'язані з навколоземної орбітою.
Найперший оптичний зв'язок, що з'єднав наземну станцію і космічний корабель на орбіті біля іншої планети Сонячної системи, було встановлено в січні 2013 року. Чорно-біле зображення Мони Лізи розміром 152х200 пікселів було передано зі Станції далекомірних супутникових лазерів наступного покоління, що знаходиться в Центрі космічних польотів Годдарда в НАСА на Місячний розвідувальний орбітальний апарат (LRO) на швидкості 300 біт. Зв'язок був одностороннім. LRO відправила отримане із Землі зображення назад по звичайному радіозв'язку. Зображення знадобилося невелика програмна корекція помилок, проте і без цього кодування його було легко впізнати. І на той момент уже було заплановано запуск потужнішої системи до Місяця.
З проекту «Місячного розвідувального орбітального апарату» у 2013 році: щоб очистити інформацію від помилок передачі, що вносяться атмосферою Землі (ліворуч), вчені з Центру космічних польотів Годдарда застосували корекцію помилок Ріда-Соломона (праворуч), яка активно використовується в CD та DVD. Серед типових помилок – пропущені пікселі (білі) та хибні сигнали (чорні). Біла смужка позначає невелику паузу передачі.
«» (LADEE) вийшов на орбіту місяця 6 жовтня 2013 року, і лише через тиждень запустив свій імпульсний лазер для передачі даних. Цього разу в НАСА спробували організувати двосторонній зв'язок на швидкості 20 Мбіт/с на той бік та рекордну швидкість 622 Мбіт/с у зворотний. Єдиною проблемою був короткий час життя місії. Оптичний зв'язок LRO працював лише по кілька хвилин. LADEE обмінювався даними з його лазером протягом 16 годин за 30 днів. Ця ситуація має змінитися, коли буде запущено Демонстраційний супутник лазерних комунікацій (LCRD), намічений на червень 2019 року. Його завдання – показати, як працюватимуть майбутні системи зв'язку в космосі.
LCRD розробляють у Лабораторії реактивного руху НАСА спільно з Лабораторією Лінкольна в MIT. Він матиме два оптичні термінали: один для зв'язку на навколоземній орбіті, інший – для глибокого космосу. Перший повинен використовувати диференціальну фазову маніпуляцію (Differential Phase Shift Keying, DPSK). Передавач надсилатиме лазерні імпульси з частотою 2,88 ГГц. За такою технологією кожен біт кодуватиметься різницею фаз послідовних імпульсів. Вона зможе працювати зі швидкістю 2,88 Гбіт/с, але для цього буде потрібно багато енергії. Детектори здатні розпізнавати різницю між імпульсами тільки у сигналів з високою енергією, тому DPSK чудово працює з навколоземним зв'язком, але це не найкращий метод для далекого космосу, де запасати енергію проблематично. Сигнал, відправлений з Марса, втратить енергію, поки дістанеться Землі, тому для демонстрації оптичного зв'язку з далеким космосом LCRD використовуватиме більш ефективну технологію — фазово-імпульсну модуляцію.
Інженери НАСА готують LADEE до випробувань
У 2017 році інженери випробовували польотні модеми в термовакуумній камері.
«По суті, це підрахунок фотонів, – пояснює Абрахам. – Короткий період, виділений зв'язок, ділиться кілька тимчасових відрізків. Щоб отримати дані, потрібно просто перевірити, чи стикалися фотони на кожному проміжку з детектором. Так дані кодуються у ФІМ». Це схоже на абетку Морзе, тільки на надшвидку швидкість. Або певний момент є спалах, чи ні, і повідомлення кодується послідовністю спалахів. "І хоча це набагато повільніше за DPSK, ми все одно можемо організувати оптичний зв'язок зі швидкістю в десятки або сотні Мбіт/с на відстані до Марса", - додає Абрахам.
Звичайно, проект LCRD – це не лише два ці термінали. Він також має працювати як інтернет-вузол у космосі. На землі працюватимуть з LCRD три станції: одна в Уайт-Сендс у Нью-Мексико, одна на Тейбл-Маунтін у Каліфорнії, і одна на острові Гаваї або на Мауї. Ідея в тому, щоб перевірити переключення з однієї наземної станції на іншу у разі поганої погоди на одній зі станцій. Місія також перевірить роботу LCRD як передавача даних. Оптичний сигнал з однієї зі станцій відправиться на супутник і потім передасться на іншу станцію – і все це оптичний зв'язок.
Якщо відразу ж передати дані не вийде, LCRD зберігатиме їх і передасть, коли з'явиться можливість. Якщо дані будуть терміновими, або в сховищі на борту не буде достатньо місця, LCRD відправить їх одразу через свою антену Ka-діапазону. Отже, попередник майбутніх супутників-передавачів, LCRD буде гібридною радіооптичною системою. Саме такий агрегат НАСА потрібно розмістити на орбіті навколо Марса, щоб організувати міжпланетну мережу, яка підтримує дослідження далекого космосу людьми у 2030-х роках.
Виводимо Марс в онлайн
За останній рік команда Абрахама написала дві роботи, що описують майбутнє далекого космічного зв'язку, які будуть представлені на конференції SpaceOps у Франції у травні 2019 року.«) запропоновано докладний опис інфраструктури, здатної забезпечити схожий на інтернет сервіс для астронавтів на Червоній планеті.
Оцінки пікової середньої швидкості передачі вийшли близько 215 Мбіт/с на скачування і 28 Мбіт/с на закачування. Марсіанський інтернет складатиметься з трьох мереж: WiFi, що покриває область досліджень на поверхні, планетної мережі, що передає дані з поверхні на Землю, та земної мережі, мережі далекого космічного зв'язку з трьома майданчиками, що відповідають за отримання цих даних та відправлення відповідей назад на Марс.
«Під час розробки такої інфраструктури з'являється безліч проблем. Вона повинна бути надійною та стабільно працюючою, навіть на максимальній відстані до Марса в 2,67 а. у періоди верхньої сонячної сполуки, коли Марс ховається за Сонцем», — каже Абрахам. Таке поєднання відбувається кожні два роки і повністю порушує зв'язок із Марсом. «Сьогодні з цим не вдається впоратися. Усі посадкові та орбітальні станції, які є на Марсі, просто втрачають зв'язок із Землею приблизно на два тижні. З оптичним зв'язком втрати зв'язку через сонячну сполуку будуть ще тривалішими, від 10 до 15 тижнів». Для роботів такі проміжки не надто страшні. Така ізоляція не завдає їм проблем, тому що вони не починають нудьгувати, не відчувають самотності, їм не треба бачитися з коханими. Але для людей все зовсім не так.
«Тому ми теоретично допускаємо введення в дію двох орбітальних передавачів, які розміщені на круговій екваторіальній орбіті в 17300 км над поверхнею Марса», — продовжує Абрахам. Згідно з дослідженням, вони повинні важити по 1500 кг, і мати на борту набір терміналів, що працюють у X-діапазоні, Ka-дипазоні, та оптичному діапазоні, а харчуватися від сонячних батарей потужністю 20-30 кВт. Вони мають підтримувати протокол, стійкий до затримок (Delay Tolerant Network Protocol) – по суті, TCP/IP, спроектований до роботи з великими затримками, які неминуче відбуватимуться міжпланетних мережах. Орбітальні станції, що беруть участь у мережі, повинні вміти встановлювати зв'язок з астронавтами та транспортними засобами на поверхні планети, з наземними станціями та один з одним.
"Такий перехресний зв'язок дуже важливий, оскільки зменшує кількість антен, які потрібні для організації передачі даних на швидкості в 250 Мбіт/с", - говорить Абрахам. Його команда прикидає, що для отримання даних на швидкості 250 Мбіт/с, переданих з одного з орбітальних передавачів, буде потрібно масив з шести 34-метрових антен. Це означає, що НАСА потрібно побудувати по три додаткові антени на майданчиках далекого космічного зв'язку, але на їхнє будівництво йдуть роки, і коштують вони надзвичайно дорого. "Але ми думаємо, що дві орбітальні станції можуть ділити дані між собою і відправляти їх одночасно на швидкості 125 Мбіт/с, коли один передавач буде відправляти одну половину пакета даних, а інший - іншу", - говорить Абрахам. Навіть сьогодні 34-метрові антени далекого космічного зв'язку можуть одночасно отримувати дані з чотирьох різних космічних кораблів відразу, в результаті чого для виконання завдання потрібно три антени. «Для отримання двох передач на швидкості 125 Мбіт/с з однієї ділянки неба потрібно стільки ж антен, скільки і для отримання однієї передачі, — пояснює Абрахам. – Більше антен потрібно, тільки якщо потрібно встановити зв'язок на більшій швидкості».
Щоб подолати проблему сонячного з'єднання, команда Абрахама запропонувала запустити супутник-передавач на точки L4/L5 орбіти Сонце-Марс/Сонце-Земля. Тоді в періоди з'єднання його можна буде використовувати для передачі даних навколо Сонця замість того, щоб відправляти сигнали крізь нього. На жаль, у цей період швидкість падатиме до 100 Кбіт/с. Простіше кажучи, працюватиме, але хрінова.
А поки що майбутнім астронавтам на Марсі доведеться чекати отримання фотографії кошеня трохи більше трьох хвилин, не рахуючи затримок, які можуть становити до 40 хвилин. На щастя, до того часу, як амбіції людства поженуть нас ще далі Червоної планети, міжпланетний інтернет вже працюватиме непогано більшу частину часу.
Джерело: habr.com