“Hầu như không có nơi nào có thể cải tiến công nghệ hoạt động ở tần số vô tuyến. Kết thúc giải pháp dễ dàng"
Vào ngày 26 tháng 2018 năm 22 lúc 53:8,1 tối theo giờ Mátxcơva, NASA lại thành công - tàu thăm dò InSight đã hạ cánh thành công trên bề mặt Sao Hỏa sau các thao tác quay trở lại, đi xuống và hạ cánh, sau này được mệnh danh là "sáu phút rưỡi kinh hoàng". Một mô tả phù hợp, bởi vì các kỹ sư của NASA không thể biết ngay liệu tàu thăm dò vũ trụ đã hạ cánh thành công trên bề mặt hành tinh hay chưa, do thời gian liên lạc giữa Trái đất và Sao Hỏa bị chậm, khoảng XNUMX phút. Trong thời gian này, InSight không thể dựa vào ăng-ten mạnh mẽ và hiện đại hơn của nó - mọi thứ đều phụ thuộc vào giao tiếp UHF kiểu cũ (phương pháp này từ lâu đã được sử dụng trong mọi thứ, từ chương trình phát sóng TV và bộ đàm cho đến thiết bị Bluetooh).
Do đó, dữ liệu quan trọng về trạng thái của InSight đã được truyền trên sóng vô tuyến có tần số 401,586 MHz tới hai vệ tinh -, WALL-E và EVE, sau đó truyền dữ liệu với tốc độ 8 Kb/giây đến ăng-ten dài 70 mét đặt trên Trái đất. Cubesats được phóng trên cùng một tên lửa với InSight và chúng đã đồng hành cùng nó trong hành trình tới Sao Hỏa để quan sát quá trình hạ cánh và truyền dữ liệu về nhà ngay lập tức. Các tàu sao Hỏa quay quanh quỹ đạo khác, chẳng hạn như (MRS), ở một vị trí không thoải mái và lúc đầu không thể cung cấp tin nhắn thời gian thực với tàu đổ bộ. Không phải nói rằng toàn bộ quá trình hạ cánh phụ thuộc vào hai chiếc Cubesats thử nghiệm có kích thước bằng vali, nhưng MRS sẽ chỉ có thể truyền dữ liệu từ InSight sau một thời gian chờ đợi lâu hơn nữa.
Cuộc đổ bộ InSight thực sự đưa toàn bộ kiến trúc truyền thông của NASA, "Mạng sao Hỏa", vào thử nghiệm. Tín hiệu từ tàu đổ bộ InSight, được truyền đến các vệ tinh quay quanh, dù sao cũng sẽ đến Trái đất, ngay cả khi các vệ tinh bị hỏng. WALL-E và EVE cần thiết để truyền thông tin tức thời và họ đã làm được điều đó. Nếu những chiếc Cubsats này không hoạt động vì lý do nào đó, MRS đã sẵn sàng thực hiện vai trò của mình. Mỗi người trong số họ hoạt động như một nút trên mạng giống như Internet, định tuyến các gói dữ liệu thông qua các thiết bị đầu cuối khác nhau được tạo thành từ các thiết bị khác nhau. Ngày nay, hiệu quả nhất trong số chúng là MRS, có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 6 Mbps (và đây là kỷ lục hiện tại cho các sứ mệnh liên hành tinh). Tuy nhiên, NASA đã phải hoạt động ở tốc độ chậm hơn nhiều trong quá khứ - và sẽ cần truyền dữ liệu nhanh hơn nhiều trong tương lai.
Giống như ISP của bạn, NASA cho phép người dùng Internet giao tiếp với tàu vũ trụ trong thời gian thực.
Mạng không gian sâu
Với sự hiện diện ngày càng nhiều của NASA trong không gian, các hệ thống liên lạc cải tiến liên tục xuất hiện, bao phủ ngày càng nhiều không gian hơn: đầu tiên là quỹ đạo thấp của Trái đất, sau đó là quỹ đạo địa không đồng bộ và Mặt trăng, và chẳng mấy chốc, liên lạc đã đi sâu hơn vào không gian. Tất cả bắt đầu với một đài phát thanh cầm tay thô sơ sử dụng các căn cứ quân sự của Hoa Kỳ ở Nigeria, Singapore và California để nhận phép đo từ xa từ Explorer 1, vệ tinh đầu tiên được người Mỹ phóng thành công vào năm 1958. Chậm mà chắc, cơ sở này đã phát triển thành các hệ thống nhắn tin tiên tiến ngày nay.
Douglas Abraham, người đứng đầu bộ phận dự báo hệ thống và chiến lược tại Ban Giám đốc Mạng lưới Liên hành tinh của NASA, nêu bật ba mạng lưới được phát triển độc lập để nhắn tin trong không gian. Mạng Gần Trái đất hoạt động với tàu vũ trụ ở quỹ đạo Trái đất thấp. "Đó là một bộ ăng-ten, chủ yếu là từ 9m đến 12m. Có một vài cái lớn, 15m đến 18m," Abraham nói. Sau đó, phía trên quỹ đạo địa không đồng bộ của Trái đất, có một số vệ tinh theo dõi và dữ liệu (TDRS). Abraham giải thích: “Họ có thể nhìn xuống các vệ tinh ở quỹ đạo thấp của Trái đất và giao tiếp với chúng, sau đó truyền thông tin này qua TDRS xuống mặt đất. “Hệ thống truyền dữ liệu vệ tinh này được gọi là mạng không gian của NASA.”
Nhưng ngay cả TDRS cũng không đủ để liên lạc với một con tàu vũ trụ vượt xa quỹ đạo của Mặt trăng đến các hành tinh khác. “Vì vậy, chúng tôi phải tạo ra một mạng lưới bao phủ toàn bộ hệ mặt trời. Và đây là Mạng không gian sâu, DSN,” Abraham nói. Mạng sao Hỏa là một phần mở rộng .
Với phạm vi và kế hoạch, DSN là hệ thống phức tạp nhất trong số các hệ thống được liệt kê. Thực chất đây là một bộ ăng-ten cỡ lớn, đường kính từ 34 - 70 m. Mỗi trong số ba trang web DSN có một số ăng-ten 34m và một ăng-ten 70m. Một địa điểm nằm ở Goldstone (California), một địa điểm khác gần Madrid (Tây Ban Nha) và địa điểm thứ ba ở Canberra (Úc). Các địa điểm này nằm cách nhau khoảng 120 độ trên toàn cầu và cung cấp vùng phủ sóng XNUMX/XNUMX cho tất cả các tàu vũ trụ bên ngoài quỹ đạo địa không đồng bộ.
Ăng-ten 34m là thiết bị cốt lõi của DSN và có hai loại: ăng-ten hiệu suất cao cũ và ăng-ten ống dẫn sóng tương đối mới. Sự khác biệt là ăng-ten ống dẫn sóng có năm gương RF chính xác phản xạ tín hiệu xuống một đường ống tới phòng điều khiển dưới lòng đất, nơi các thiết bị điện tử phân tích các tín hiệu đó được bảo vệ tốt hơn khỏi mọi nguồn gây nhiễu. Các ăng-ten dài 34 mét, hoạt động riêng lẻ hoặc theo nhóm 2-3 đĩa, có thể cung cấp hầu hết thông tin liên lạc mà NASA cần. Nhưng đối với những trường hợp đặc biệt khi khoảng cách trở nên quá dài đối với một vài ăng-ten 34m, quản lý DSN sử dụng quái vật 70m.
“Chúng đóng một vai trò quan trọng trong một số trường hợp,” Abraham nói về các ăng-ten lớn. Đầu tiên là khi tàu vũ trụ cách xa Trái đất đến mức không thể thiết lập liên lạc với nó bằng đĩa nhỏ hơn. “Những ví dụ điển hình là sứ mệnh Chân trời mới, đã bay xa hơn Sao Diêm Vương, hoặc tàu vũ trụ Du hành, nằm ngoài hệ mặt trời. Chỉ những ăng-ten dài 70 mét mới có thể tiếp cận chúng và chuyển dữ liệu của chúng đến Trái đất, ”Abraham giải thích.
Các đĩa 70 mét cũng được sử dụng khi tàu vũ trụ không thể vận hành ăng-ten tăng cường, do tình huống nguy cấp đã được lên kế hoạch như đi vào quỹ đạo hoặc do có sự cố xảy ra. Ví dụ, ăng-ten dài 70 mét đã được sử dụng để đưa Apollo 13 trở về Trái đất một cách an toàn. Cô cũng áp dụng câu nói nổi tiếng của Neil Armstrong, "Một bước nhỏ cho con người, một bước khổng lồ cho nhân loại." Và thậm chí ngày nay, DSN vẫn là hệ thống liên lạc tiên tiến và nhạy cảm nhất trên thế giới. Áp-ra-ham cảnh báo: “Nhưng vì nhiều lý do, nó đã đạt đến giới hạn”. “Hầu như không có nơi nào có thể cải tiến công nghệ hoạt động ở tần số vô tuyến. Các giải pháp đơn giản đang cạn dần."
Ba trạm mặt đất cách nhau 120 độ
Tấm DSN ở Canberra
Tổ hợp DSN ở Madrid
DSN tại Goldstone
Phòng điều khiển tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực
Đài phát thanh và những gì đến sau nó
Câu chuyện này không mới. Lịch sử của thông tin liên lạc trong không gian sâu bao gồm một cuộc đấu tranh liên tục để tăng tần số và rút ngắn bước sóng. Explorer 1 đã sử dụng tần số 108 MHz. NASA sau đó đã giới thiệu các ăng-ten lớn hơn, thu được tốt hơn, hỗ trợ các tần số từ băng tần L, từ 1 đến 2 GHz. Sau đó đến lượt băng tần S, với tần số từ 2 đến 4 GHz, sau đó cơ quan này chuyển sang băng tần X, với tần số 7-11,2 GHz.
Ngày nay, các hệ thống thông tin liên lạc trong không gian lại đang trải qua những thay đổi - giờ đây chúng đang chuyển sang băng tần 26-40 GHz, băng tần Ka. “Lý do của xu hướng này là bước sóng càng ngắn và tần số càng cao thì bạn càng có thể nhận được nhiều tốc độ dữ liệu hơn,” Abraham nói.
Có những lý do để lạc quan, vì trong lịch sử, tốc độ phát triển truyền thông tại NASA là khá cao. Một bài báo nghiên cứu năm 2014 từ Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực trích dẫn dữ liệu thông lượng sau để so sánh: nếu chúng tôi sử dụng các công nghệ liên lạc của Explorer 1 để chuyển một bức ảnh iPhone điển hình từ Sao Mộc sang Trái đất, thì sẽ mất thời gian lâu hơn 460 lần so với tuổi Vũ trụ hiện tại. Người tiên phong 2 và 4 từ những năm 1960 sẽ mất 633 năm. Mariner 000 từ năm 9 sẽ hoàn thành nó trong 1971 giờ. Hôm nay, MPC sẽ mất ba phút.
Tất nhiên, vấn đề duy nhất là lượng dữ liệu mà tàu vũ trụ nhận được đang tăng nhanh, nếu không muốn nói là nhanh hơn tốc độ tăng khả năng truyền dẫn. Hơn 40 năm hoạt động, Du hành 1 và 2 đã tạo ra 5 TB thông tin. Vệ tinh NISAR Earth Science, dự kiến phóng vào năm 2020, sẽ tạo ra 85 TB dữ liệu mỗi tháng. Và nếu các vệ tinh của Trái đất hoàn toàn có khả năng làm được điều này, thì việc chuyển một khối lượng dữ liệu như vậy giữa các hành tinh lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Ngay cả một MRS tương đối nhanh cũng sẽ truyền 85 TB dữ liệu về Trái đất trong 20 năm.
“Tốc độ truyền dữ liệu ước tính để khám phá sao Hỏa vào cuối những năm 2020 và đầu những năm 2030 sẽ là 150 Mb / giây hoặc cao hơn, vì vậy hãy làm phép toán,” Abraham nói. – Nếu một tàu vũ trụ loại MPC ở khoảng cách tối đa từ chúng ta đến sao Hỏa có thể gửi khoảng 1 Mbps đến ăng ten 70 mét trên Trái đất, thì sẽ cần một dãy 150 ăng ten 150 mét để thiết lập liên lạc ở tốc độ 70 Mbps . Vâng, tất nhiên, chúng ta có thể nghĩ ra những cách thông minh để giảm nhẹ số lượng vô lý này, nhưng vấn đề rõ ràng là tồn tại: tổ chức liên lạc giữa các hành tinh với tốc độ 150 Mbps là vô cùng khó khăn. Ngoài ra, chúng tôi đang sử dụng hết phổ tần số cho phép.”
Như Abraham đã chứng minh, hoạt động trên băng tần S hoặc X, một nhiệm vụ đơn lẻ với dung lượng 25 Mbps sẽ chiếm toàn bộ phổ tần có sẵn. Có nhiều không gian hơn trong Ka-band, nhưng chỉ có hai vệ tinh của Sao Hỏa với băng thông 150 Mbps sẽ chiếm toàn bộ phổ. Nói một cách đơn giản, Internet liên hành tinh sẽ yêu cầu nhiều thứ hơn là chỉ radio để hoạt động – nó sẽ dựa vào tia laser.
Sự ra đời của truyền thông quang học
Laser nghe có vẻ tương lai, nhưng ý tưởng về truyền thông quang học có thể bắt nguồn từ bằng sáng chế của Alexander Graham Bell vào những năm 1880. Bell đã phát triển một hệ thống trong đó ánh sáng mặt trời, tập trung thành một chùm tia rất hẹp, được hướng vào một màng phản xạ rung động do âm thanh. Các rung động gây ra sự thay đổi trong ánh sáng truyền qua thấu kính vào bộ tách sóng quang thô. Những thay đổi về điện trở của bộ tách sóng quang đã thay đổi dòng điện chạy qua điện thoại.
Hệ thống không ổn định, âm lượng rất thấp và cuối cùng Bell đã từ bỏ ý định này. Nhưng gần 100 năm sau, được trang bị tia laser và sợi quang học, các kỹ sư của NASA đã quay trở lại khái niệm cũ đó.
“Chúng tôi nhận thức được những hạn chế của hệ thống RF, vì vậy vào cuối những năm 1970, đầu những năm 1980, JPL bắt đầu thảo luận về khả năng truyền thông điệp từ không gian sâu bằng laser không gian,” Abraham nói. Để hiểu rõ hơn những gì có thể và không thể có trong thông tin liên lạc quang học trong không gian sâu, phòng thí nghiệm đã thực hiện một nghiên cứu kéo dài 1980 năm, Hệ thống vệ tinh chuyển tiếp không gian sâu (DSRSS), vào cuối những năm XNUMX. Nghiên cứu được cho là nhằm trả lời những câu hỏi quan trọng: còn các vấn đề về thời tiết và tầm nhìn (xét cho cùng, sóng vô tuyến có thể dễ dàng xuyên qua các đám mây, trong khi tia laser thì không)? Điều gì sẽ xảy ra nếu góc thăm dò Mặt trời-Trái đất trở nên quá sắc nét? Liệu một máy dò trên Trái đất có phân biệt được tín hiệu quang học yếu từ ánh sáng mặt trời không? Và cuối cùng, tất cả những thứ này sẽ có giá bao nhiêu và nó có đáng không? Abraham thừa nhận: “Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm câu trả lời cho những câu hỏi này. “Tuy nhiên, các phản hồi ngày càng xác nhận khả năng truyền dữ liệu quang học.”
DSRSS gợi ý rằng một điểm phía trên bầu khí quyển của Trái đất sẽ phù hợp nhất cho thông tin liên lạc quang học và vô tuyến. Người ta tuyên bố rằng hệ thống liên lạc quang học được lắp đặt trên trạm quỹ đạo sẽ hoạt động tốt hơn bất kỳ kiến trúc trên mặt đất nào, bao gồm cả ăng-ten 70 mét mang tính biểu tượng. Nó được cho là triển khai một đĩa 10 mét trên quỹ đạo gần Trái đất, sau đó nâng nó lên trạng thái không đồng bộ địa kỹ thuật. Tuy nhiên, chi phí của một hệ thống như vậy - bao gồm một vệ tinh có đĩa, một tên lửa phóng và năm thiết bị đầu cuối của người dùng - là quá cao. Hơn nữa, nghiên cứu thậm chí còn không bao gồm chi phí của hệ thống phụ trợ cần thiết sẽ đi vào hoạt động trong trường hợp vệ tinh gặp sự cố.
Với hệ thống này, Phòng thí nghiệm bắt đầu xem xét kiến trúc mặt đất được mô tả trong Nghiên cứu Công nghệ Tiên tiến trên Mặt đất (GBATS) được tiến hành tại Phòng thí nghiệm cùng thời điểm với DRSS. Những người làm việc trên GBATS đã đưa ra hai đề xuất thay thế. Đầu tiên là việc lắp đặt sáu trạm với ăng-ten dài 10 mét và ăng-ten dự phòng, nằm cách nhau 60 độ xung quanh đường xích đạo. Các trạm phải được xây dựng trên các đỉnh núi, nơi có ít nhất 66% số ngày trong năm quang đãng. Do đó, 2-3 trạm sẽ luôn hiển thị đối với bất kỳ tàu vũ trụ nào và chúng sẽ có thời tiết khác nhau. Tùy chọn thứ hai là chín trạm, được nhóm thành ba nhóm và nằm cách nhau 120 độ. Các trạm trong mỗi nhóm nên được đặt cách nhau 200 km để chúng nằm trong tầm nhìn, nhưng ở các ô thời tiết khác nhau.
Cả hai kiến trúc GBATS đều rẻ hơn so với cách tiếp cận không gian, nhưng chúng cũng có vấn đề. Đầu tiên, vì các tín hiệu phải đi qua bầu khí quyển của Trái đất, khả năng thu sóng vào ban ngày sẽ kém hơn nhiều so với thu nhận vào ban đêm do bầu trời được chiếu sáng. Mặc dù có sự sắp xếp khéo léo nhưng các trạm quang học trên mặt đất sẽ phụ thuộc vào thời tiết. Một tàu vũ trụ nhắm tia laser vào một trạm mặt đất cuối cùng sẽ phải thích nghi với điều kiện thời tiết xấu và thiết lập lại liên lạc với một trạm khác không bị mây che khuất.
Tuy nhiên, bất chấp các vấn đề, các dự án DSRSS và GBATS đã đặt nền tảng lý thuyết cho các hệ thống quang học không gian sâu và sự phát triển hiện đại của các kỹ sư tại NASA. Nó chỉ còn lại để xây dựng một hệ thống như vậy và chứng minh hiệu suất của nó. May mắn thay, đó chỉ là một vài tháng nữa.
Thực hiện dự án
Vào thời điểm đó, việc truyền dữ liệu quang học trong không gian đã diễn ra. Thử nghiệm đầu tiên được thực hiện vào năm 1992 khi tàu thăm dò Galileo đang hướng tới Sao Mộc và chuyển camera độ phân giải cao của nó về phía Trái đất để nhận thành công một tập hợp các xung laze từ Kính thiên văn Đài quan sát Table Mountain 60 cm và Kính viễn vọng Quang học Starfire 1,5 m của USAF. ở New Mexico. Vào thời điểm đó, Galileo đang cách Trái đất 1,4 triệu km, nhưng cả hai chùm tia laze đều chiếu vào máy ảnh của ông.
Các Cơ quan Vũ trụ Nhật Bản và Châu Âu cũng đã có thể thiết lập thông tin liên lạc quang học giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh trên quỹ đạo Trái đất. Sau đó, họ có thể thiết lập kết nối 50 Mbps giữa hai vệ tinh. Cách đây vài năm, một nhóm người Đức đã thiết lập một liên kết hai chiều quang kết hợp 5,6 Gbps giữa một vệ tinh NFIRE trên quỹ đạo Trái đất và một trạm mặt đất ở Tenerife, Tây Ban Nha. Nhưng tất cả những trường hợp này đều liên quan đến quỹ đạo gần Trái đất.
Liên kết quang học đầu tiên kết nối trạm mặt đất và tàu vũ trụ trên quỹ đạo quanh một hành tinh khác trong hệ mặt trời đã được lắp đặt vào tháng 2013 năm 152. Một hình ảnh đen trắng 200 x 300 pixel của Mona Lisa đã được truyền từ Trạm Phạm vi Laser Vệ tinh Thế hệ Tiếp theo tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA tới Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng (LRO) với tốc độ XNUMX bps. Giao tiếp là một chiều. LRO đã gửi hình ảnh nhận được từ Trái đất trở lại thông qua đài phát thanh thông thường. Hình ảnh cần sửa lỗi phần mềm một chút, nhưng ngay cả khi không có mã hóa này, nó vẫn dễ dàng nhận ra. Và vào thời điểm đó, việc phóng một hệ thống mạnh hơn lên Mặt trăng đã được lên kế hoạch.
Từ dự án Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng năm 2013: Để loại bỏ các lỗi truyền dẫn do bầu khí quyển Trái đất gây ra (trái), các nhà khoa học tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard đã áp dụng sửa lỗi Reed-Solomon (phải), được sử dụng nhiều trong đĩa CD và DVD. Các lỗi điển hình bao gồm thiếu pixel (màu trắng) và sai tín hiệu (màu đen). Thanh màu trắng biểu thị tạm dừng một chút trong quá trình truyền.
«» (LADEE) đi vào quỹ đạo của mặt trăng vào ngày 6 tháng 2013 năm 20 và chỉ một tuần sau đó đã phóng tia laser xung để truyền dữ liệu. Lần này, NASA đã cố gắng tổ chức liên lạc hai chiều với tốc độ 622 Mbps theo hướng đó và tốc độ kỷ lục 16 Mbps theo hướng ngược lại. Vấn đề duy nhất là thời gian tồn tại ngắn ngủi của nhiệm vụ. Giao tiếp quang học LRO chỉ hoạt động trong vài phút. LADEE đã giao tiếp với tia laser của mình trong 30 giờ trong tổng số 2019 ngày. Tình trạng này sẽ thay đổi khi Vệ tinh Trình diễn Truyền thông Laser (LCRD) được phóng, dự kiến vào tháng XNUMX năm XNUMX. Nhiệm vụ của nó là cho thấy các hệ thống liên lạc trong không gian trong tương lai sẽ hoạt động như thế nào.
LCRD đang được phát triển tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA với sự hợp tác của Phòng thí nghiệm Lincoln tại MIT. Nó sẽ có hai thiết bị đầu cuối quang học: một thiết bị đầu cuối để liên lạc trong quỹ đạo thấp của Trái đất, thiết bị còn lại dành cho không gian sâu. Đầu tiên sẽ phải sử dụng khóa dịch pha vi sai (DPSK). Máy phát sẽ gửi các xung laser ở tần số 2,88 GHz. Sử dụng công nghệ này, mỗi bit sẽ được mã hóa bởi độ lệch pha của các xung liên tiếp. Nó sẽ có thể hoạt động ở tốc độ 2,88 Gbps, nhưng sẽ cần rất nhiều năng lượng. Máy dò chỉ có khả năng phát hiện sự khác biệt về xung trong tín hiệu năng lượng cao, vì vậy DPSK hoạt động rất tốt với liên lạc gần Trái đất, nhưng nó không phải là phương pháp tốt nhất cho không gian sâu, nơi lưu trữ năng lượng gặp vấn đề. Tín hiệu được gửi từ sao Hỏa sẽ mất năng lượng trước khi đến Trái đất, vì vậy LCRD sẽ sử dụng công nghệ hiệu quả hơn, điều biến pha xung, để chứng minh giao tiếp quang học với không gian sâu.
Các kỹ sư của NASA chuẩn bị thử nghiệm LADEE
Năm 2017, các kỹ sư đã thử nghiệm modem máy bay trong buồng chân không nhiệt
“Về cơ bản, nó đang đếm các photon,” Abraham giải thích. – Khoảng thời gian ngắn được phân bổ cho liên lạc được chia thành nhiều phân đoạn thời gian. Để lấy dữ liệu, bạn chỉ cần kiểm tra xem các photon ở mỗi khoảng trống có va chạm với máy dò hay không. Đây là cách dữ liệu được mã hóa trong FIM.” Nó giống như mã Morse, chỉ ở tốc độ cực nhanh. Có đèn flash tại một thời điểm nhất định hoặc không có và thông báo được mã hóa bằng một chuỗi đèn flash. “Mặc dù tốc độ này chậm hơn nhiều so với DPSK, nhưng chúng tôi vẫn có thể thiết lập liên lạc quang học ở tốc độ hàng chục hoặc hàng trăm Mbps đến tận sao Hỏa,” Abraham cho biết thêm.
Tất nhiên, dự án LCRD không chỉ về hai nhà ga này. Nó cũng sẽ hoạt động như một nút Internet trong không gian. Trên mặt đất, sẽ có ba trạm vận hành LCRD: một ở White Sands ở New Mexico, một ở Table Mountain ở California và một ở đảo Hawaii hoặc Maui. Ý tưởng là kiểm tra việc chuyển đổi từ trạm mặt đất này sang trạm mặt đất khác trong trường hợp thời tiết xấu tại một trong các trạm. Nhiệm vụ cũng sẽ kiểm tra hoạt động của LCRD như một thiết bị truyền dữ liệu. Tín hiệu quang học từ một trong các trạm sẽ đi đến vệ tinh và sau đó được truyền đến một trạm khác - và tất cả điều này thông qua giao tiếp quang học.
Nếu không thể chuyển dữ liệu ngay lập tức, LCRD sẽ lưu trữ và chuyển dữ liệu đó khi có thể. Nếu dữ liệu là khẩn cấp hoặc không có đủ dung lượng lưu trữ trên tàu, LCRD sẽ gửi dữ liệu đó ngay lập tức qua ăng-ten băng tần Ka của nó. Vì vậy, tiền thân của các vệ tinh máy phát trong tương lai, LCRD sẽ là một hệ thống quang-vô tuyến lai. Đây chính xác là loại đơn vị mà NASA cần đặt trên quỹ đạo quanh Sao Hỏa để tổ chức một mạng lưới liên hành tinh hỗ trợ con người khám phá không gian sâu trong những năm 2030.
Đưa sao Hỏa lên mạng
Trong năm qua, nhóm của Abraham đã viết hai bài báo mô tả tương lai của thông tin liên lạc trong không gian sâu, sẽ được trình bày tại hội nghị SpaceOps ở Pháp vào tháng 2019 năm XNUMX. Một bài mô tả thông tin liên lạc trong không gian sâu nói chung, bài kia (““) đưa ra mô tả chi tiết về cơ sở hạ tầng có khả năng cung cấp dịch vụ giống như Internet cho các phi hành gia trên Hành tinh Đỏ.
Tốc độ dữ liệu trung bình cao nhất được ước tính là 215 Mbps khi tải xuống và 28 Mbps khi tải lên. Internet trên sao Hỏa sẽ bao gồm ba mạng: WiFi bao phủ khu vực nghiên cứu trên bề mặt, mạng hành tinh truyền dữ liệu từ bề mặt đến Trái đất và mạng trên mặt đất, mạng liên lạc không gian sâu với ba địa điểm chịu trách nhiệm nhận dữ liệu này và gửi phản hồi. trở lại sao Hỏa.
“Khi phát triển cơ sở hạ tầng như vậy sẽ nảy sinh nhiều vấn đề. Nó phải đáng tin cậy và ổn định, ngay cả ở khoảng cách tối đa tới sao Hỏa là 2,67 AU. trong các thời kỳ giao hội cao hơn của Mặt trời, khi sao Hỏa ẩn sau Mặt trời,” ông Abraham nói. Sự kết hợp như vậy xảy ra hai năm một lần và phá vỡ hoàn toàn liên lạc với sao Hỏa. “Hôm nay chúng ta không thể đối phó với nó. Tất cả các trạm hạ cánh và quỹ đạo trên sao Hỏa chỉ đơn giản là mất liên lạc với Trái đất trong khoảng hai tuần. Với giao tiếp quang học, thời gian mất liên lạc do kết nối năng lượng mặt trời sẽ còn lâu hơn, từ 10 đến 15 tuần.” Đối với robot, những khoảng trống như vậy không đặc biệt đáng sợ. Sự cô lập như vậy không gây ra vấn đề gì cho họ, vì họ không cảm thấy buồn chán, không cảm thấy cô đơn, họ không cần gặp người thân của mình. Nhưng đối với con người thì hoàn toàn không phải như vậy.
“Do đó, về mặt lý thuyết, chúng tôi cho phép vận hành hai máy phát quỹ đạo được đặt trong quỹ đạo xích đạo tròn cách bề mặt sao Hỏa 17300 km,” Abraham tiếp tục. Theo nghiên cứu, chúng phải nặng 1500 kg mỗi chiếc, mang theo một bộ thiết bị đầu cuối hoạt động ở băng tần X, băng tần Ka và băng tần quang học, đồng thời được cung cấp năng lượng bởi các tấm pin mặt trời có công suất 20-30 kW. Chúng phải hỗ trợ Giao thức mạng chịu được độ trễ—về cơ bản là TCP/IP, được thiết kế để xử lý độ trễ cao mà các mạng liên hành tinh chắc chắn sẽ gặp phải. Các trạm quỹ đạo tham gia vào mạng phải có khả năng giao tiếp với các phi hành gia và các phương tiện trên bề mặt hành tinh, với các trạm mặt đất và với nhau.
“Nhiễu xuyên âm này rất quan trọng vì nó giảm số lượng ăng-ten cần thiết để truyền dữ liệu ở tốc độ 250 Mbps,” Abraham nói. Nhóm của ông ước tính rằng cần có một dãy sáu ăng-ten dài 250 mét để nhận dữ liệu 34 Mbps từ một trong các máy phát trên quỹ đạo. Điều này có nghĩa là NASA sẽ cần xây dựng thêm ba ăng-ten tại các địa điểm liên lạc trong không gian sâu, nhưng chúng phải mất nhiều năm để xây dựng và cực kỳ tốn kém. “Nhưng chúng tôi nghĩ rằng hai trạm quỹ đạo có thể chia sẻ dữ liệu với nhau và gửi dữ liệu cùng lúc với tốc độ 125 Mb/giây, trong đó một máy phát sẽ gửi một nửa gói dữ liệu và máy phát kia sẽ gửi nửa gói dữ liệu còn lại,” Abraham nói. . Thậm chí ngày nay, ăng-ten liên lạc không gian sâu 34 mét có thể đồng thời nhận dữ liệu từ bốn tàu vũ trụ khác nhau cùng một lúc, dẫn đến cần ba ăng-ten để hoàn thành nhiệm vụ. Abraham giải thích: “Để nhận được hai đường truyền 125 Mbps từ cùng một khu vực trên bầu trời, số lượng ăng-ten cần bằng với số lượng ăng-ten để nhận được một đường truyền. “Chỉ cần nhiều ăng-ten hơn nếu bạn cần liên lạc ở tốc độ cao hơn.”
Để giải quyết vấn đề kết nối năng lượng mặt trời, nhóm của Abraham đề xuất phóng một vệ tinh máy phát tới các điểm L4/L5 của quỹ đạo Mặt trời-Sao Hỏa/Mặt trời-Trái đất. Sau đó, trong các khoảng thời gian kết nối, nó có thể được sử dụng để truyền dữ liệu quanh Mặt trời, thay vì gửi tín hiệu qua nó. Thật không may, trong khoảng thời gian này, tốc độ sẽ giảm xuống 100 Kbps. Nói một cách đơn giản, nó sẽ hoạt động, nhưng thật tệ.
Trong khi chờ đợi, các phi hành gia tương lai trên sao Hỏa sẽ chỉ phải chờ hơn ba phút để nhận được bức ảnh của một chú mèo con, chưa kể sự chậm trễ có thể lên tới 40 phút. May mắn thay, vào thời điểm tham vọng của loài người đưa chúng ta đi xa hơn cả Hành tinh Đỏ, thì mạng internet liên hành tinh sẽ hoạt động khá tốt trong hầu hết thời gian.
Nguồn: www.habr.com