“射频技术实际上没有改进的空间。 简单的解决方案结束”
26年2018月22日莫斯科时间53点8,1分，NASA再次做到了——洞察号探测器在进入大气层、下降和着陆机动后成功登陆火星表面，这被后人洗礼为“恐怖的六分半钟” ”。 这是一个恰当的描述，因为由于地球和火星之间大约 XNUMX 分钟的通信延迟，美国宇航局工程师无法立即知道太空探测器是否已成功降落在行星表面。 在此窗口期间，洞察号无法依赖其更现代、更强大的天线 - 一切都依赖于老式的 UHF 通信（一种长期用于从广播电视、对讲机到蓝牙设备的各种设备的方法）。
结果，有关 InSight 状态的关键数据通过频率为 401,586 MHz 的无线电波传输到两颗卫星 -、WALL-E 和 EVE，然后以 8 Kbps 的速度将数据传输到位于地球上的 70 米天线。 这些立方体卫星与洞察号由同一枚火箭发射，并伴随其前往火星，观察着陆情况并立即将数据传回地球。 其他火星轨道飞行器，例如 （MRS）处于尴尬的境地，一开始无法与着陆器实时交换信息。 并不是说整个着陆依赖于两个实验性立方体卫星，每个立方体卫星都有手提箱大小，但 MRS 只能在更长时间的等待后才能从 InSight 传输数据。
洞察号着陆实际上测试了 NASA 的整个通信架构——火星网络。 即使卫星发生故障，洞察号着陆器传输到轨道卫星的信号无论如何都会到达地球。 WALL-E 和 EVE 需要立即传输信息，他们做到了。 如果这些立方体卫星由于某种原因无法工作，MRS 已准备好发挥其作用。 每个设备都作为类似互联网的网络上的一个节点运行，通过由不同设备组成的不同终端路由数据包。 如今，其中最有效的是 MRS，能够以高达 6 Mbit/s 的速度传输数据（这是行星际任务的当前记录）。 但美国宇航局过去不得不以低得多的速度运行，并且未来需要更快的数据传输。
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深空通信网络
随着美国宇航局在太空中的存在不断增加，改进的通信系统不断出现，以覆盖越来越多的太空：首先是在近地轨道上，然后是在地球同步轨道和月球上，很快通信就深入到了太空。 这一切都始于一个简陋的便携式无线电接收器，用于接收 Explorer 1 号遥测数据，Explorer 1958 号是美国于 XNUMX 年在尼日利亚、新加坡和加利福尼亚的美国军事基地成功发射的第一颗卫星。 缓慢但肯定的是，这一基础演变成当今先进的消息传递系统。
美国宇航局行星际网络理事会战略与系统预见部门负责人道格拉斯·亚伯拉罕重点介绍了三个独立开发的用于在太空传输信息的网络。 近地网络与近地轨道上的航天器一起运行。 “这是一组天线，大部分长 9 到 12 米。也有一些较大的，长 15 到 18 米，”亚伯拉罕说。 然后，在地球同步轨道上方，有几颗跟踪和数据中继卫星（TDRS）。 “他们可以俯视近地轨道上的卫星并与它们通信，然后通过 TDRS 将这些信息传输到地面，”亚伯拉罕解释道。 “这个卫星数据传输系统被称为NASA太空网络。”
但即使是 TDRS 也不足以与远远超出月球轨道、到达其他行星的航天器进行通信。 “所以我们必须创建一个覆盖整个太阳系的网络。 亚伯拉罕说，这就是深空网络 [DSN]。 火星网络是一个延伸 .
鉴于其长度和布局，DSN 是列出的系统中最复杂的。 本质上，这是一组直径为 34 至 70 m 的大型天线。 三个 DSN 站点均运行多个 34 米天线和一个 70 米天线。 其中一个地点位于戈德斯通（加利福尼亚州），另一个地点位于马德里（西班牙）附近，第三个地点位于堪培拉（澳大利亚）。 这些站点位于全球各地，相距约 120 度，为地球同步轨道外的所有航天器提供 XNUMX 小时覆盖。
34米天线是DSN的主要设备，有两种类型：老式的高效天线和相对较新的波导天线。 不同之处在于，导波天线有五个精密射频镜，可将信号沿着管道反射到地下控制室，在那里分析这些信号的电子设备受到更好的保护，免受所有干扰源的影响。 34 米长的天线可单独运行或以 2-3 个天线组的形式运行，可以提供 NASA 所需的大部分通信。 但对于特殊情况，当距离对于多个 34 米天线来说太长时，DSN 控制会使用 70 米怪物。
“它们在多种应用中发挥着重要作用，”亚伯拉罕谈到大型天线时说道。 第一个是当航天器距离地球太远时，不可能使用较小的碟形天线与其建立通信。 “新地平线号任务就是很好的例子，它的飞行距离已经比冥王星远得多，或者航海者号宇宙飞船，它位于太阳系之外。 只有 70 米长的天线才能穿透它们并将数据传输到地球，”亚伯拉罕解释道。
当航天器无法操作增强天线时，也会使用 70 米的碟形天线，这要么是因为计划中的紧急情况，例如进入轨道，要么是因为出现了严重错误。 例如，70 米长的天线用于阿波罗 13 号安全返回地球。 她还采纳了尼尔·阿姆斯特朗的名言：“一个人的一小步，人类的一大步。” 即使在今天，DSN 仍然是世界上最先进、最灵敏的通信系统。 “但由于多种原因，它已经达到了极限，”亚伯拉罕警告说。 – 无线电频率操作技术实际上无处可改进。 简单的解决方案已经不多了。”
三个相距 120 度的地面站
堪培拉的 DSN 车牌
马德里 DSN 综合体
戈德斯通的 DSN
喷气推进实验室的控制室
广播以及之后会发生什么
这个故事并不新鲜。 深空通信的历史就是不断努力提高频率和缩短波长。 Explorer 1 使用 108 MHz 频率。 随后，NASA 推出了更大、增益更好的天线，支持 L 频段（1 至 2 GHz）的频率。 然后是 S 频段，频率为 2 至 4 GHz，然后该机构切换到 X 频段，频率为 7-11,2 GHz。
如今，空间通信系统再次发生变化 - 它们现在正在转向 26-40 GHz 范围 Ka 频段。 “出现这种趋势的原因是波长越短、频率越高，数据传输速率就越快，”亚伯拉罕说。
鉴于历史上 NASA 的通信速度相当快，我们有理由保持乐观。 喷气推进实验室 2014 年的一篇研究论文提供了以下吞吐量数据进行比较：如果我们使用 Explorer 1 的通信技术将一张典型的 iPhone 照片从木星传输到地球，则需要比当前宇宙年龄长 460 倍的时间。 对于 2 年代的拓荒者 4 号和拓荒者 1960 号来说，需要 633 年。 000 年的水手 9 号可以在 1971 小时内完成。 今天，MRS 需要三分钟。
当然，唯一的问题是航天器接收的数据量的增长速度与其传输能力的增长速度一样快，甚至快于其传输能力的增长速度。 在 40 年的运行中，旅行者 1 号和 2 号产生了 5 TB 的信息。 NISAR 地球科学卫星计划于 2020 年发射，每月将产生 85 TB 的数据。 如果地球的卫星完全有能力做到这一点，那么在行星之间传输如此大量的数据就完全是另一回事了。 即使相对较快的 MRS 也能在 85 年内向地球传输 20 TB 的数据。
“2020 年代末和 2030 年代初火星探索的预期数据速率将达到 150 Mbps 或更高，所以让我们来计算一下，”亚伯拉罕说。 – 如果距离我们到火星最远的MRS级航天器可以向地球上的1米天线发送大约70 Mbit/s的数据，那么以150 Mbit/s的速度组织150个70米阵列的通信将需要天线。 是的，当然，我们可以想出一些聪明的方法来稍微减少这个荒谬的数量，但问题显然是存在的：以 150 Mbps 的速度组织星际通信极其困难。 此外，我们已经用完了允许的频率。”
正如 Abraham 所展示的，在 S 频段或 X 频段运行时，单个 25 Mbps 的任务将占用整个可用频谱。 Ka波段有更多的空间，但只有两颗吞吐量为150 Mbit/s的火星卫星就可以占据整个频谱。 简而言之，星际互联网需要的不仅仅是无线电来运行，它还依赖于激光。
光通信的出现
激光听起来很未来主义，但光通信的想法可以追溯到 Alexander Graham Bell 在 1880 年代申请的一项专利。 贝尔开发了一种系统，将阳光聚焦成非常窄的光束，然后将其引导到反射膜上，膜片会因声音而振动。 振动导致穿过透镜进入原始光电探测器的光线发生变化。 光电探测器电阻的变化改变了通过手机的电流。
该系统不稳定，音量非常低，贝尔最终放弃了这个想法。 但近 100 年后，借助激光和光纤，NASA 工程师又回到了这个古老的概念。
“我们知道射频系统的局限性，因此在 1970 世纪 1980 年代末、1980 年代初，在喷气推进实验室，我们开始讨论使用空间激光器从深空传输信息的可能性，”亚伯拉罕说。 为了更好地了解深空光通信中什么是可能的、什么是不可能的，该实验室在 XNUMX 世纪 XNUMX 年代末启动了一项为期四年的深空中继卫星系统 (DSRSS) 研究。 这项研究必须回答关键问题：天气和能见度问题如何（毕竟，无线电波可以轻松穿过云层，而激光却不能）？ 如果太阳-地球-探测器角度变得太锐怎么办？ 地球上的探测器能否区分微弱的光信号和阳光？ 最后，这一切要花多少钱，值得吗？ “我们仍在寻找这些问题的答案，”亚伯拉罕承认。 “然而，答案越来越支持光学数据传输的可能性。”
DSRSS 认为，位于地球大气层上方的一个点最适合进行光学和无线电通信。 据称，轨道站上安装的光通信系统的性能将优于任何地面架构，包括标志性的 70 米天线。 计划在近地轨道部署一个10米长的碟形天线，然后将其提升至地球同步轨道。 然而，这样一个系统（由一颗带有碟形天线的卫星、一个运载火箭和五个用户终端组成）的成本令人望而却步。 此外，该研究甚至没有包括在卫星发生故障时投入运行的必要辅助系统的成本。
对于该系统，实验室开始研究实验室地基先进技术研究 (GBATS) 报告中描述的地面架构，该报告与 DRSS 大约同时进行。 GBATS 的工作人员提出了两个替代方案。 第一个是沿整个赤道安装六个天线站，天线长10米，备用天线长一米，间隔60度。 这些观测站必须建在山峰上，那里每年至少有 66% 的天数是晴朗的。 因此，任何航天器都始终可以看到 2-3 个站点，并且它们将具有不同的天气。 第二种选择是九个站点，每三个一组，彼此成 120 度角。 每组内的站点应彼此相距 200 公里，以便直接可见，但位于不同的气象单元中。
两种 GBATS 架构都比太空方法便宜，但也存在问题。 首先，由于信号必须穿过地球大气层，由于天空被照亮，白天的接收效果会比夜间的接收效果差得多。 尽管安排巧妙，光学地面站仍将取决于天气。 将激光指向地面站的航天器最终将不得不适应恶劣的天气条件，并与另一个未被云层遮挡的地面站重新建立通信。
然而，不管存在什么问题，DSRSS 和 GBATS 项目为深空通信光学系统和 NASA 工程师的现代发展奠定了理论基础。 剩下的就是构建这样一个系统并展示其性能。 幸运的是，距离这一切只剩下几个月了。
项目实施
那时，太空中的光数据传输已经发生。 第一次实验是在1992年进行的，当时伽利略号探测器正前往木星，将其高分辨率相机转向地球，成功接收了桌山天文台60厘米望远镜和1,5米望远镜发出的一组激光脉冲。新墨西哥州的美国空军星火光学望远镜靶场。 此时，伽利略号距地球1,4万公里，但两束激光都击中了它的相机。
日本和欧洲航天局也能够在地面站和地球轨道卫星之间建立光通信。 然后他们能够在两颗卫星之间建立 50 Mbps 的连接。 几年前，一个德国团队在地球轨道上的 NFIRE 卫星和西班牙特内里费岛的地面站之间建立了 5,6 Gbps 相干光双向链路。 但所有这些案例都与近地轨道有关。
第一个连接地面站和太阳系另一颗行星附近轨道上的航天器的光链路于 2013 年 152 月建立。 蒙娜丽莎的 200 x 300 像素黑白图像以 XNUMX bps 的速度从 NASA 戈达德太空飞行中心的下一代卫星激光测距站传输到月球勘测轨道飞行器 (LRO)。 沟通是单向的。 LRO 通过常规无线电通信将从地球收到的图像发回。 该图像需要一些软件纠错，但即使没有这种编码，它也很容易识别。 当时，向月球发射更强大的系统已经计划好了。
来自 2013 年月球勘测轨道器项目：为了清除地球大气层引入的传输错误中的信息（左），戈达德太空飞行中心的科学家使用了里德-所罗门纠错（右），该方法广泛用于 CD 和 DVD。 常见错误包括丢失像素（白色）和错误信号（黑色）。 白色条纹表示传输中的短暂暂停。
«(LADEE) 于 6 年 2013 月 20 日进入月球轨道，一周后发射了脉冲激光来传输数据。 这次，NASA尝试以另一个方向622Mbit/s的速度组织双向通信，并创纪录另一个方向16Mbit/s的速度。 唯一的问题是该任务的寿命很短。 LRO 的光通信一次只能工作几分钟。 LADEE 在 30 天内与他的激光器交换了 2019 个小时的数据。 随着计划于 XNUMX 年 XNUMX 月发射激光通信演示 (LCRD) 卫星，这种情况将得到改变。其任务是展示未来太空通信系统的工作原理。
LCRD 正在 NASA 喷气推进实验室与麻省理工学院林肯实验室联合开发。 它将有两个光学终端：一个用于近地轨道通信，另一个用于深空。 第一个必须使用差分相移键控（DPSK）。 发射器将以 2,88 GHz 的频率发送激光脉冲。 使用该技术，每个比特将通过连续脉冲的相位差进行编码。 它将能够以 2,88 Gbps 的速度运行，但这需要大量电力。 探测器只能检测高能信号中的脉冲差异，因此 DPSK 非常适合近地通信，但它并不是深空的最佳方法，因为深空的能量存储存在问题。 从火星发送的信号在到达地球时会损失能量，因此 LCRD 将使用一种称为脉冲相位调制的更高效的技术来演示与深空的光通信。
NASA 工程师准备 LADEE 进行测试
2017年，工程师在热真空室中测试了飞行调制解调器
“它本质上是在计算光子，”亚伯拉罕解释道。 – 分配给通信的短周期被分为几个时间段。 要获取数据，您只需检查每个时间间隔光子是否与探测器碰撞。 这就是 FIM 中数据的编码方式。” 它就像摩尔斯电码，但速度超快。 在某个时刻要么有闪光，要么没有，消息由一系列闪光编码。 “尽管这比 DPSK 慢得多，但我们仍然可以从遥远的火星提供数十或数百 Mbps 的光通信，”亚伯拉罕补充道。
当然，LCRD项目不仅仅只是这两个终端。 它还应该充当太空中的互联网中心。 在地面上，三个站点将与 LCRD 合作：一个位于新墨西哥州的白沙，一个位于加利福尼亚州的桌山，一个位于夏威夷岛或毛伊岛。 这个想法是测试如果其中一个地面站发生恶劣天气，从一个地面站切换到另一个地面站。 该任务还将测试 LCRD 作为数据发射器的性能。 来自其中一个站的光信号将被发送到卫星，然后传输到另一个站 - 全部通过光链路进行。
如果数据无法立即传输，LCRD 将存储它并在机会出现时传输。 如果数据紧急或机载存储空间不足，LCRD将立即通过Ka波段天线发送数据。 因此，作为未来发射卫星的先驱，LCRD 将是一个混合无线电光学系统。 这正是 NASA 需要在火星轨道上放置的设备，以建立支持人类在 2030 年代深空探索的行星际网络。
让火星上线
在过去的一年里，亚伯拉罕的团队写了两篇描述深空通信未来的论文，将于 2019 年 XNUMX 月在法国举行的 SpaceOps 会议上发表。一篇描述了一般的深空通信，另一篇（“”）详细描述了能够为红色星球上的宇航员提供类似互联网服务的基础设施。
峰值平均数据传输速度估计约为下载 215 Mbit/s 和上传 28 Mbit/s。 火星互联网将由三个网络组成：覆盖地表探索区域的 WiFi、从地表向地球传输数据的行星网络以及地球网络，这是一个深空通信网络，拥有三个站点，负责接收这些数据并将响应发送回地球。火星。
“在开发此类基础设施时，存在很多问题。 即使距火星的最大距离为 2,67 个天文单位，它也必须可靠且稳定。 在太阳上合时期，火星隐藏在太阳后面，”亚伯拉罕说。 这种合相每两年发生一次，并完全中断与火星的通讯。 “今天我们无法应对这个问题。 火星上的所有登陆站和轨道站都会与地球失去联系大约两周。 对于光通信，太阳能连接造成的通信损失将会更长，达到 10 到 15 周。” 对于机器人来说，这样的差距并不是特别可怕。 这种孤立不会给他们带来问题，因为他们不会感到无聊，不会感到孤独，也不需要见到亲人。 但对于人来说就完全不同了。
“因此，理论上我们允许在距火星表面 17300 公里的圆形赤道轨道上调试两个轨道发射机，”亚伯拉罕继续说道。 根据研究，它们每个重1500公斤，并搭载一组在X波段、Ka波段和光学范围内运行的终端，并由功率为20-30千瓦的太阳能电池板供电。 它们必须支持延迟容忍网络协议——本质上是 TCP/IP，旨在处理星际网络中不可避免地出现的长时间延迟。 参与该网络的轨道站必须能够与地球表面的宇航员和车辆、地面站以及彼此之间进行通信。
“这种交叉耦合非常重要，因为它减少了以 250 Mbps 传输数据所需的天线数量，”Abraham 说。 他的团队估计需要六个 250 米天线阵列才能从其中一个轨道发射器接收 34 Mbps 的数据。 这意味着美国宇航局将需要在深空通信站点建造三个额外的天线，但它们需要数年时间才能建造，而且极其昂贵。 “但我们认为两个轨道站可以共享数据并以 125 Mbps 的速度同时发送数据，其中一个发射器发送一半数据包，另一个发送另一个数据包，”亚伯拉罕说。 即使在今天，34米深空通信天线也可以同时接收来自四个不同航天器的数据，导致需要三个天线才能完成任务。 “从同一天空区域接收两个 125 Mbps 传输需要与接收一个传输相同数量的天线，”Abraham 解释道。 “只有当您需要以更高的速度进行通信时才需要更多的天线。”
为了解决太阳合相问题，亚伯拉罕的团队提出向太阳-火星/太阳-地球轨道的L4/L5点发射一颗发射卫星。 然后，在合相期间，它可以用来绕太阳传输数据，而不是通过太阳发送信号。 不幸的是，在此期间速度将下降至 100 Kbps。 简而言之，它会起作用，但很糟糕。
与此同时，未来火星上的宇航员将不得不等待三分钟多一点才能收到这只小猫的照片，这还不包括可能长达 40 分钟的延误。 幸运的是，在人类的野心把我们带到比红色星球更远的地方之前，星际互联网在大部分时间里已经运行良好。
来源： habr.com