“幾乎沒有地方可以改進射頻技術。 簡單解決方案結束”
26年2018月22日莫斯科時間晚上53點8,1分，NASA再次成功——洞察號探測器經過再入、下降和著陸機動，成功登陸火星表面，這被後人戲稱為“恐怖的六分半鐘”。 這是一個恰當的描述，因為由於地球和火星之間的通信存在大約XNUMX分鐘的延遲，美國宇航局的工程師無法立即知道太空探測器是否已成功降落在火星表面。 在此窗口期間，洞察號無法依賴其更現代、更強大的天線——一切都依賴於老式的超高頻通信（這種方法長期以來被用於從電視廣播、對講機到藍牙設備的所有領域）。
結果，有關洞察號狀態的關鍵數據通過頻率為 401,586 MHz 的無線電波傳輸到兩顆衛星 -、WALL-E 和 EVE，然後以 8 Kbps 的速度將數據傳輸到位於地球上的 70 米天線。 立方體衛星與洞察號由同一枚火箭發射，並伴隨其前往火星，觀察著陸情況並立即將數據傳回地球。 其他繞火星運行的飛船，例如 （MRS）處於一個不舒服的位置，一開始無法向著陸器提供實時消息。 並不是說整個著陸都依賴於兩個實驗性手提箱大小的立方體衛星，但 MRS 只能在更長時間的等待後才能從洞察號傳輸數據。
洞察號著陸實際上對美國宇航局的整個通信架構“火星網絡”進行了考驗。 即使衛星發生故障，洞察號著陸器發送到軌道衛星的信號無論如何都會到達地球。 WALL-E 和 EVE 需要即時信息傳輸，他們做到了。 如果這些小衛星由於某種原因無法工作，MRS 已準備好發揮其作用。 它們每個都充當類似互聯網的網絡上的節點，通過由不同設備組成的不同終端路由數據包。 如今，其中效率最高的是 MRS，能夠以高達 6 Mbps 的速度傳輸數據（這是行星際任務的當前記錄）。 然而，美國宇航局過去不得不以慢得多的速度運行，並且將來需要更快的數據傳輸。
與您的 ISP 一樣，NASA 允許互聯網用戶 與航天器實時通信。
深空網絡
隨著NASA在太空中的存在不斷增加，改進的通信系統不斷出現，覆蓋越來越多的太空：首先是近地軌道，然後是地球同步軌道和月球，很快通信就深入到了太空。 這一切都始於一個簡陋的手持無線電設備，它使用尼日利亞、新加坡和加利福尼亞州的美國軍事基地接收來自探索者一號的遙測數據，探索者一號是美國於 1 年成功發射的第一顆衛星。 緩慢但肯定的是，這一基礎已經發展成為當今先進的消息傳遞系統。
美國宇航局行星際網絡理事會戰略和系統預測主管道格拉斯·亞伯拉罕（Douglas Abraham）重點介紹了三個獨立開發的太空消息傳遞網絡。 近地網絡與近地軌道上的航天器一起運行。 “這是一組天線，大部分是 9m 到 12m。也有一些較大的，15m 到 18m，”Abraham 說。 然後，在地球同步軌道上方，有幾顆跟踪和數據衛星（TDRS）。 “他們可以俯視近地軌道上的衛星並與它們通信，然後通過 TDRS 將這些信息傳輸到地面，”亞伯拉罕解釋道。 “這個衛星數據傳輸系統被稱為NASA太空網絡。”
但即使是 TDRS 也不足以與遠遠超出月球軌道、到達其他行星的航天器進行通信。 “所以我們必須創建一個覆蓋整個太陽系的網絡。 這就是深空網絡，DSN，”亞伯拉罕說。 火星網絡是一個延伸 .
考慮到範圍和計劃，DSN 是列出的系統中最複雜的。 事實上，這是一組大型天線，直徑從34到70 m。 三個DSN站點各有幾根34m天線和一根70m天線。 其中一個地點位於戈德斯通（加利福尼亞州），另一個地點位於馬德里（西班牙）附近，第三個地點位於堪培拉（澳大利亞）。 這些站點位於全球各地，相距約 120 度，為地球同步軌道外的所有航天器提供 XNUMX/XNUMX 全天候覆蓋。
34m天線是DSN的核心設備，有兩種類型：老式的高效天線和相對較新的波導天線。 不同之處在於，波導天線有五個精確的射頻鏡，可將信號沿著管道反射到地下控制室，在那裡，分析這些信號的電子設備得到更好的保護，免受所有乾擾源的影響。 34 米長的天線可單獨工作或以 2-3 個天線為一組工作，可以提供 NASA 所需的大部分通信。 但對於特殊情況，即使是幾個 34m 天線，距離也變得太長，DSN 管理會使用 70m 的怪物。
“它們在一些情況下發揮著重要作用，”亞伯拉罕談到大型天線時說道。 第一個是當航天器距離地球太遠時，不可能使用較小的碟形天線與其建立通信。 “很好的例子是新地平線號任務，它已經飛到了冥王星之外很遠的地方，或者航行者號宇宙飛船，它位於太陽系之外。 只有 70 米長的天線才能連接到它們並將數據傳送到地球，”Abraham 解釋道。
當航天器由於計劃中的緊急情況（例如進入軌道）或由於出現嚴重問題而無法操作增強天線時，也會使用 70 米的碟形天線。 例如，70 米長的天線用於阿波羅 13 號安全返回地球。 她還採納了尼爾·阿姆斯特朗的名言：“個人的一小步，人類的一大步。” 即使在今天，DSN 仍然是世界上最先進、最靈敏的通信系統。 “但由於多種原因，它已經達到了極限，”亞伯拉罕警告說。 “幾乎沒有地方可以改進射頻技術。 簡單的解決方案已經不多了。”
三個相距 120 度的地面站
堪培拉的 DSN 車牌
馬德里 DSN 綜合體
戈德斯通的 DSN
噴氣推進實驗室的控制室
廣播及其之後的發展
這個故事並不新鮮。 深空通信的歷史就是不斷努力提高頻率和縮短波長。 Explorer 1 使用的頻率為 108 MHz。 隨後，NASA 推出了更大、增益更好的天線，支持 L 頻段（1 至 2 GHz）的頻率。 然後是 S 頻段，頻率為 2 至 4 GHz，然後該機構切換到 X 頻段，頻率為 7-11,2 GHz。
如今，空間通信系統再次發生變化——現在它們正在轉向 26-40 GHz 頻段，即 Ka 頻段。 “出現這種趨勢的原因是波長越短、頻率越高，可以獲得的數據速率就越高，”亞伯拉罕說。
鑑於歷史上 NASA 的通信發展速度相當高，我們有理由感到樂觀。 噴氣推進實驗室 2014 年的一篇研究論文引用了以下帶寬數據進行比較：如果我們使用 Explorer 1 的通信技術將一張典型的 iPhone 照片從木星發送到地球，則需要比當前宇宙年齡長 460 倍的時間。 2 年代的先驅者 4 號和先驅者 1960 號需要 633 年。 000 年的水手 9 號可以在 1971 小時內完成。 今天 MPC 需要三分鐘。
當然，唯一的問題是航天器接收的數據量的增長速度與傳輸能力的增長速度一樣快，甚至更快。 經過 40 多年的運行，航海者 1 號和航海者 2 號產生了 5 TB 的信息。 NISAR 地球科學衛星計劃於 2020 年發射，每月將產生 85 TB 的數據。 如果地球的衛星完全有能力做到這一點，那麼在行星之間傳輸如此大量的數據就完全是另一回事了。 即使相對較快的 MRS 也能在 85 年內向地球傳輸 20 TB 的數據。
“預計 2020 年代末和 2030 年代初火星探索的數據傳輸速率將達到 150 Mbps 或更高，所以讓我們來計算一下，”亞伯拉罕說。 – 如果距離我們到火星最遠的 MPC 級航天器可以向地球上的 1 米天線發送約 70 Mbps 的數據，那麼需要 150 個 150 米天線陣列才能以 70 Mbps 的速度建立通信。 是的，我們當然可以想出一些巧妙的方法來稍微減少這個荒謬的數量，但問題顯然是存在的：以 150 Mbps 的速度組織星際通信極其困難。 此外，我們已經超出了允許的頻率範圍。”
正如 Abraham 所展示的，在 S 或 X 頻段上運行時，容量為 25 Mbps 的單個任務將佔用整個可用頻譜。 Ka波段有更多的空間，但只有兩顆帶寬為150 Mbps的火星衛星會佔據整個頻譜。 簡而言之，星際互聯網需要的不僅僅是無線電來運行——它將依賴於激光。
光通信的出現
激光聽起來很未來主義，但光通信的想法可以追溯到 Alexander Graham Bell 在 1880 年代申請的一項專利。 貝爾開發了一種系統，在該系統中，陽光聚焦成非常窄的光束，被引導到因聲音而振動的反射膜片上。 振動導致穿過透鏡進入原始光電探測器的光線發生變化。 光電探測器電阻的變化改變了流經手機的電流。
系統不穩定，音量很低，貝爾最終放棄了這個想法。 但近 100 年後，借助激光和光纖，NASA 工程師又回到了這個舊概念。
“我們意識到射頻系統的局限性，因此在 1970 世紀 1980 年代末、1980 年代初，噴氣推進實驗室開始討論使用空間激光器從深空傳輸信息的可能性，”亞伯拉罕說。 為了更好地了解深空光通信中什麼是可能的、什麼是不可能的，該實驗室在 XNUMX 世紀 XNUMX 年代末委託進行了一項為期四年的研究，即深空中繼衛星系統 (DSRSS)。 這項研究本應回答關鍵問題：天氣和能見度問題如何（畢竟，無線電波可以輕鬆穿過雲層，而激光卻不能）？ 如果太陽-地球-探測器角度變得太尖銳怎麼辦？ 地球上的探測器能否區分微弱的光信號和陽光？ 最後，這一切要花多少錢，值得嗎？ “我們仍在尋找這些問題的答案，”亞伯拉罕承認。 “然而，反應越來越證實了光學數據傳輸的可能性。”
DSRSS 認為，地球大氣層上方的某個點最適合進行光學和無線電通信。 據稱，安裝在軌道站上的光通信系統將比任何地面架構（包括標誌性的 70 米天線）運行得更好。 它應該在近地軌道上部署一個 10 米的碟形天線，然後將其提升至地球同步軌道。 然而，這樣一個系統——由一顆帶有碟形天線的衛星、一枚發射火箭和五個用戶終端組成——的成本令人望而卻步。 此外，該研究甚至沒有包括必要的輔助系統的成本，這些系統將在衛星發生故障時投入運行。
對於這個系統，實驗室開始研究與 DRSS 大約同時在實驗室進行的地基先進技術研究 (GBATS) 中描述的地面架構。 GBATS 的工作人員提出了兩個替代方案。 第一個是安裝六個帶有 10 米天線和 60 米備用天線的站，這些站位於赤道周圍，彼此相距 66 度。 監測站必須建在山峰上，那裡一年中至少 2% 的日子都是晴朗的。 因此，任何航天器都始終可以看到 3-120 個站點，並且它們將具有不同的天氣。 第二種選擇是 200 個站點，每三個站點一組，彼此之間呈 XNUMX 度角。 每個組內的站點應相距 XNUMX 公里，以便它們位於視線範圍內，但位於不同的天氣單元中。
兩種 GBATS 架構都比太空方法便宜，但也存在問題。 首先，由於信號必須穿過地球大氣層，由於天空被照亮，白天的接收效果會比夜間的接收效果差很多。 儘管安排巧妙，地面光學站仍將取決於天氣。 將激光瞄準地面站的航天器最終將不得不適應惡劣的天氣條件，並與另一個未被雲層遮擋的地面站重新建立通信。
然而，不管存在什麼問題，DSRSS 和 GBATS 項目為深空光學系統和 NASA 工程師的現代發展奠定了理論基礎。 剩下的只是構建這樣一個系統並展示其性能。 幸運的是，距離那一天只有幾個月了。
項目實施
那時，太空中的光數據傳輸已經發生。 第一次測試是在 1992 年進行的，當時伽利略探測器正前往木星，並將其高分辨率相機轉向地球，成功接收了從 60 厘米桌山天文台望遠鏡和新墨西哥州 1,5 米美國空軍星火光學射程望遠鏡發送的一組激光脈衝。 當時，伽利略距地球 1,4 萬公里，但兩束激光都擊中了他的相機。
日本和歐洲航天局也能夠在地球軌道上的地面站和衛星之間建立光通信。 然後他們能夠在兩顆衛星之間建立 50 Mbps 的連接。 幾年前，一個德國團隊在地球軌道上的 NFIRE 衛星和西班牙特內里費島的地面站之間建立了 5,6 Gbps 相干雙向光鏈路。 但所有這些案例都與近地軌道有關。
第一個連接地面站和太陽系另一顆行星軌道上的航天器的光鏈路於 2013 年 152 月安裝。 蒙娜麗莎的 200 x 300 像素黑白圖像以 XNUMX bps 的速度從 NASA 戈達德太空飛行中心的下一代衛星激光測距站傳輸到月球勘測軌道飛行器 (LRO)。 溝通是單向的。 LRO 通過傳統無線電將從地球接收到的圖像發回。 該圖像需要一些軟件糾錯，但即使沒有這種編碼，它也很容易識別。 當時，向月球發射更強大的系統已經計劃好了。
來自 2013 年月球勘測軌道飛行器項目：為了清除地球大氣層引入的傳輸錯誤（左），戈達德太空飛行中心的科學家應用了里德-所羅門糾錯（右），該方法在 CD 和 DVD 中大量使用。 典型錯誤包括丟失像素（白色）和錯誤信號（黑色）。 白色條表示傳輸中的輕微暫停。
«» (LADEE) 於 6 年 2013 月 20 日進入月球軌道，一周後發射了用於數據傳輸的脈衝激光器。 這次，NASA 試圖組織雙向通信，該方向的速度為 622 Mbps，相反方向的速度為創紀錄的 16 Mbps。 唯一的問題是任務的壽命很短。 光通信LRO只工作了幾分鐘。 LADEE 與他的激光通信了 30 個小時，總共 2019 天。 當激光通信演示衛星 (LCRD) 計劃於 XNUMX 年 XNUMX 月發射時，這種情況應該會發生改變。它的任務是展示未來太空通信系統的工作原理。
LCRD 正在 NASA 噴氣推進實驗室與麻省理工學院林肯實驗室合作開發。 它將有兩個光學終端：一個用於近地軌道通信，另一個用於深空通信。 第一個必須使用差分相移鍵控（DPSK）。 發射器將以 2,88 GHz 的頻率發送激光脈衝。 使用該技術，每個比特將通過連續脈衝的相位差進行編碼。 它將能夠以 2,88 Gbps 的速度運行，但需要大量電力。 探測器只能檢測高能信號中的脈衝差異，因此 DPSK 非常適合近地通信，但它並不是深空的最佳方法，因為深空的能量存儲存在問題。 從火星發出的信號在到達地球之前會損失能量，因此 LCRD 將使用更高效的技術——脈衝相位調製，來演示與深空的光通信。
NASA 工程師準備 LADEE 進行測試
2017年，工程師在熱真空室中測試了飛行調製解調器
“本質上，它是在計算光子，”亞伯拉罕解釋道。 – 分配給通信的短週期被分為幾個時間段。 要獲取數據，您只需檢查每個間隙處的光子是否與探測器發生碰撞。 這就是 FIM 中數據的編碼方式。” 它就像摩爾斯電碼，只是速度超快。 在某個時刻要么有閃光，要么沒有，並且消息由一系列閃光編碼。 “雖然這比 DPSK 慢得多，但我們仍然可以以數十或數百 Mbps 的速度建立遠至火星的光通信，”亞伯拉罕補充道。
當然，LCRD項目不僅僅涉及這兩個終端。 它還應該充當太空中的互聯網節點。 在地面上，將有三個運營 LCRD 的站點：一個位於新墨西哥州的白沙，一個位於加利福尼亞州的桌山，一個位於夏威夷島或毛伊島。 這個想法是為了測試在其中一個地面站天氣惡劣的情況下從一個地面站到另一個地面站的切換。 該任務還將測試 LCRD 作為數據發射器的運行情況。 來自其中一個站的光信號將發送到衛星，然後傳輸到另一個站 - 所有這些都通過光通信進行。
如果無法立即傳輸數據，LCRD 將存儲數據並在可能時傳輸。 如果數據緊急，或者船上沒有足夠的存儲空間，LCRD將立即通過其Ka波段天線發送。 因此，作為未來發射衛星的先驅，LCRD 將是一個混合無線電光學系統。 這正是 NASA 需要在火星軌道上放置的裝置，以便組織一個支持人類在 2030 年代探索深空的行星際網絡。
讓火星上線
在過去的一年裡，亞伯拉罕的團隊寫了兩篇描述深空通信未來的論文，將於 2019 年 XNUMX 月在法國舉行的 SpaceOps 會議上發表。一篇描述了一般的深空通信，另一篇（“”）詳細描述了能夠為紅色星球上的宇航員提供類似互聯網服務的基礎設施。
下載峰值平均數據速率估計為 215 Mbps，上傳峰值平均數據速率為 28 Mbps。 火星互聯網將由三個網絡組成：覆蓋地表研究區域的WiFi、從地表向地球傳輸數據的行星網絡以及陸地網絡，這是一個深空通信網絡，擁有三個站點，負責接收這些數據並將響應發送回火星。
“在開發這樣的基礎設施時，存在很多問題。 即使距火星的最大距離為 2,67 個天文單位，它也必須可靠且穩定。 在上太陽合相期間，火星隱藏在太陽後面，”亞伯拉罕說。 這樣的合相每兩年發生一次，並完全中斷與火星的通訊。 “今天我們無法應對它。 火星上的所有登陸站和軌道站都會與地球失去聯繫大約兩週。 使用光通信時，由於太陽能連接造成的通信中斷時間將會更長，達到 10 到 15 週。” 對於機器人來說，這樣的差距並不是特別可怕。 這種隔離不會給他們帶來問題，因為他們不會感到無聊，不會感到孤獨，他們不需要見到親人。 但對於人類來說，卻完全不是這樣。
“因此，理論上我們允許在距火星表面 17300 公里的圓形赤道軌道上調試兩個軌道發射機，”亞伯拉罕繼續說道。 根據研究，它們每台重1500公斤，攜帶一組在X波段、Ka波段和光波段運行的終端，並由容量為20-30千瓦的太陽能電池板供電。 它們必須支持延遲容忍網絡協議——本質上是 TCP/IP，旨在處理星際網絡不可避免地遇到的高延遲。 參與該網絡的軌道站必須能夠與地球表面的宇航員和車輛、地面站以及彼此之間進行通信。
“這種串擾非常重要，因為它減少了以 250 Mbps 傳輸數據所需的天線數量，”Abraham 說。 他的團隊估計需要六個 250 米長的天線陣列才能從其中一個軌道發射器接收 34 Mbps 的數據。 這意味著美國宇航局將需要在深空通信站點建造三個額外的天線，但這些天線的建造需要數年時間，而且極其昂貴。 “但我們認為兩個軌道站可以在彼此之間共享數據，並以 125 Mbps 的速度同時發送數據，其中一個發射器將發送一半的數據包，另一個發射器將發送另一個數據包，”亞伯拉罕說。 即使在今天，34米深空通信天線也可以同時接收來自四個不同航天器的數據，導致需要三個天線才能完成任務。 “從同一天空區域接收兩次 125 Mbps 傳輸所需的天線數量與接收一次傳輸所需的天線數量相同，”Abraham 解釋道。 “只有當你需要以更高的速度進行通信時才需要更多的天線。”
為了解決太陽能連接問題，亞伯拉罕的團隊提議向太陽-火星/太陽-地球軌道的L4/L5點發射一顆發射衛星。 然後，在連接期間，它可以用於圍繞太陽傳輸數據，而不是通過它發送信號。 不幸的是，在此期間，速度會下降到100 Kbps。 簡而言之，它會起作用，但很糟糕。
與此同時，想要成為火星宇航員的人只需等待三分鐘多一點就能收到小貓的照片，這還不包括長達 40 分鐘的延誤。 幸運的是，當人類的野心驅使我們走得比紅色星球更遠時，星際互聯網在大多數時候已經運行良好。
來源： www.habr.com