Сигурен съм, че много от вас са чували или чели за скорошния Кацане на Марс от Perseverance, а скоро Червената планета вече очаква арабската надежда и китайския Tianwen-1. Чудя се как всички тези сонди предават данните от своите изследвания на Земята? Космическата комуникация ще бъде обсъдена днес.
Полетите до други планети винаги са били мечта на човечеството. По тази тема са заснети много игрални и документални филми, които почти подробно разказват как протича самият полет, как се чувстват или ще се чувстват членовете на екипажа, какво трябва да се прави в такава среда.
Наскоро целият свят наблюдава с възторг как марсоходът Perseverance кацна на повърхността на Червената планета и направи първите снимки след кацането. Вече имаме първи снимки от марсохода, който, напомням, кацна на Марс на 18 февруари 2021 г., както и първата снимка на самия апарат.
Това са технически снимки, направени веднага след кацане, снимки на колелата, както и снимка на самия марсоход по време на кацане, която е направена от камери, монтирани на ракетния модул.
Но винаги се улавях, че си мисля, как успяват да се свържат със Земята толкова бързо и да предадат кадрите? Чудех се дали това е истина или научна фантастика. Днес ще се опитам да споделя моите мисли по тази тема.
Прочетете също: Какво ще правят Perseverance и Ingenuity на Марс?
Колко далеч е Марс и какво означава това?
Нека ви напомня, че Марс, в зависимост от сезона, се намира на приблизително 55 до 401 милиона километра от Земята. Тук всичко зависи от съвпадението на орбитите на въртене, включително и около Слънцето. И тъй като най-бързата форма на комуникация са електромагнитните вълни, времето, необходимо за изпращане на информация до Червената планета, ще се определя от скоростта на светлината. Тоест, ако искаме да изпратим команда до такъв марсоход или сонда, или да получим данни, ще трябва да изчакаме малко.
Машините не могат да повлияят на забавянето на сигнала по същия начин, както хората могат, така че забавянето може да достигне до 60 ms. И през това време радиосигналът ще измине около 18 000 километра. При космическите апарати отрицателната страна на това явление е невъзможността да се управляват в реално време. Единственото, което остава, е преминаването към автономна работа и това се отнася за самия Perseverance и вероятно още повече за хеликоптера Ingenuity, който трябва да започне своята 30-дневна мисия в следващите няколко десетки дни. Тоест от повърхността на Марс получаваме сигнал със значително закъснение, но съвременните устройства почти са го минимизирали. Да, това ни лиши от възможността да управляваме устройства от Земята, но даде тласък на развитието на още по-голяма автоматизация на такива устройства.
Прочетете също: Топ 10 факта за масивни черни дупки, открити през 2020 г
Как се осъществява директната комуникация между Земята и мисиите, работещи на Марс
Сигурен съм, че този въпрос интересува почти всеки, който следва подобни мисии. И така, за това беше създадена мрежа от радиотелескопи, наречена Deep Space Network (DSN), която е част от още по-голяма структура, наречена SCaN (Space Communication and Navigation).
Този център свързва всички предаватели и приемници на Земята, използвани за комуникация с космически кораби и астронавти в космоса. DSN се контролира от лабораторията за реактивни двигатели на НАСА.
Радиотелескопите, най-големите от които са с диаметър до 70 метра, се намират близо до Мадрид в Испания, Канбера в Австралия и Голдстоун в пустинята Мохаве в САЩ. Това разположение в различни точки на земната повърхност минимизира риска от прекъсване на комуникацията и позволява да се увеличи скоростта на приемане и предаване на сигнала.
Интересно е, че Китай, за да стане независим от други мрежи, построи собствен радиотелескоп, също с размер около 70 м, с който комуникира с Tianwen-1. Между другото, първите снимки на планетата са направени от тази орбита.
Прочетете също: Какво може да ни попречи да колонизираме Марс?
Има огромна разлика между изходната и получената мощност на сигнала
Сега да преминем към техническите възможности на тези предаватели. Тук също има много интересни неща. Знаем, че предавателите, монтирани на тези антени и насочени към космически обекти, имат мощност от 20 kW в X-обхвата (честоти от 8 до около 12 GHz) до 400 kW (но трябва да се помни, че използването на мощност над 100 kW изисква корекции в зависимост от състава на въздуха и управлението на трафика) в S-обхвата (честоти около 2 до 4 GHz, т.е. подобно на домашния Wi-Fi или някои мобилни мрежи). За сравнение, мощността на най-мощните предаватели на 5G базови станции е 120 вата, но обикновено е много по-ниска и лъчът се формира по различен начин, отколкото в случая на предавания към космически кораби.
При получаване на сигнал най-големите антени на мрежата DSN могат да уловят лъч с мощност от порядъка на 10-18 W. Такава мощност например има сигналът от Вояджър 2. Приблизително от този порядък са и сигналите от Марс предвид разстоянието и ограничените енергийни ресурси на сондите.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) има два 100-ватови усилвателя на сигнала за всяка X-лента, с един резервен, ако един от основните се повреди. Освен това има експериментален предавател, работещ в обхвата Ka (честоти в диапазона 26-40 GHz), който предава при 35 вата, но само за тестови цели.
DSN страница ясно показва към кого или от кого в момента се изпращат или получават данни. Освен всичко друго, след като щракнем върху прекия път, указващ мисията, можем да видим допълнителни данни. Марсоходът Perseverance се нарича накратко M20, а данните идват основно от MRO.
Прочетете също: Пространство на вашия компютър: 5 най-добри програми за астрономия
Колкото по-навътре в космоса, толкова по-бавен е сигналът
DSN също комуникира с други сонди, но знаете, че колкото по-далеч са те от Земята, толкова по-бавна е скоростта на данните. Много зависи и от мощността на предавателя на даден космически кораб. Вояджър 1, най-отдалеченият от Земята, предава данни със 160 bps, само малко по-бързо от първите модеми от 1950-те години на миналия век. За да отворите уебсайт root-nation.com с този текст от такова разстояние, ще трябва да чакате повече от един ден.
От своя страна сигналът, достигащ сондата от Земята, е много по-силен, но антената на Вояджър 1 е с диаметър само 3,7 метра, което, разбира се, прави приемането на сигнала много по-слабо, отколкото ако беше 70-метрова антена.
Прочетете също: Слънчевата сонда Parker показа нощната страна на Венера
Колко данни предава марсианска сонда или марсоход по време на своята мисия?
Мисиите на Марс обикновено отнемат две базови години плюс продължителността на разширена мисия и могат да продължат повече от десетилетие. Сондите и инструментите, които извършват визуални наблюдения, изискват най-голяма честотна лента, тъй като снимките са поне мегабайти данни. Сигналът може да съдържа много повече цифрови данни, характеризиращи други измервания, параметри на атмосферата, магнитно поле, температура и др. Следователно моментът е подходящ в полза на космическите сонди. Те не излъчват много бързо, но го правят упорито години наред.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), който снима Марс от 2005 г., вече е направил повече от 50 000 обиколки около планетата и повече от 90 000 снимки, покриващи 99% от повърхността на планетата (към 2017 г.). Освен това той предава предавания и изображения от марсоходите. Например, Curiosity вече е направил почти милион необработени снимки (не всички от тях са превърнати в снимки, на които се възхищаваме). Количеството събрани данни на Земята от MRO се доближава до 0,5 петабайта (приблизителни данни към началото на 2021 г.).
MRO обаче е мисия, ориентирана към снимки и данни. За сравнение, сондата Касини, която изучава Сатурн и неговите луни от няколко години, изпрати само 635 GB данни обратно на Земята, които включват 453 000 снимки. На свой ред марсоходът Opportunity, който пътува около Марс в продължение на 15 години, изпрати повече от 2018 225 снимки обратно на Земята до 000 г. (малко след като загубихме контакт с него завинаги).
Количеството данни, изпратени до Марс, е много по-малко. Тъй като това са главно команди и потвърждения за тяхното изпълнение или софтуерни корекции (които са най-важните), те не изискват дори много мощни предаватели, за да ги предават.
Прочетете също: Стана известно кога ще свърши атмосферният кислород на Земята
Как една сонда или марсоход "говори" със Земята?
Вече знаем как данните от Марс се получават на Земята, но как се инициира комуникация от устройства на Червената планета? Сондите, които са в орбита, имат по-благоприятни условия, за да комуникират със Земята и да изпращат големи количества данни. За такава комуникация се използва най-често споменаваният обхват X. Марсоходът Perseverance, подобно на Curiosity, използва два предавателя (ниска и висока мощност), работещи в този обхват за комуникация.
С тяхна помощ марсоходът може самостоятелно да се „обади“ у дома, но скоростта на трансфер на данни от мощния предавател е максимум 800 bps, когато сигналът се приема от 70-метрова антена, или 160 bps, когато е 34-метрова антена. Предавателят с ниска мощност е само крайна мярка, тъй като има само 10-битов канал за предаване и 30-битов канал за получаване на данни.
Ето защо днес марсоходите Curiosity и Perserance обикновено първо се свързват в UHF обхвата с тяхната „базова станция“ в орбита на Марс – сонди, които имат много по-големи предавателни антени. За това се използват MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey и European Mars Express и TGO (Trace Gas Orbiter). Те образуват мрежа, наречена MRN (Mars Relay Network).
Преди да бъде създадена такава релейна мрежа, космически кораби като Viking 1 и 2 трябваше да разчитат на спътникови орбити. За директна комуникация със Земята бяха използвани 20 W предаватели и S-обхват, комуникацията се осъществяваше на честота 381 MHz (UHF лента), подобно на днешните роувъри.
Прочетете също: Crew Dragon не е единственият: кои кораби ще отидат в космоса през следващите години
Каква е максималната скорост на комуникацията Марс-Земя?
Тук има много нюанси. И така, Perserance първо изпраща изображения и други данни към орбиталните сонди на 400 MHz, използвайки антена, разположена в задната част на марсохода, до екрана на радиоизотопния термоелектрически генератор. Пропускателната способност на комуникационната линия от повърхността до орбитата на Червената планета е до 2 Mbit/s. Ефективността на връзката с орбитата на Марс зависи от разстоянието му от Земята, а това, както знаете, варира в широки граници.
Максималната скорост на връзката варира от 500 kbps, когато Марс е най-отдалечен от Земята, до повече от 3 Mbps, когато Марс е най-близо до нашата планета. Обикновено се използват 34m DSN антени за около 8 часа на ден. Това обаче не означава, че предаването винаги е на максималната скорост, която се вижда от данните на DSN антените.
Има и възможност за установяване на пряка връзка между Земята и устройствата, които се намират на повърхността на Марс, заобикаляйки сондите, които са в орбитата на планетата. Но такива връзки могат да се правят само в извънредни ситуации или за изпращане само на прости команди за управление. Такива ограничения се дължат на факта, че честотната лента на сигнала към Марс от орбитата на планетата е 3-4 пъти по-голяма, отколкото при директно предаване от Земята към марсианската повърхност. За такава комуникация се използват антени, работещи в обхвата X, както на Земята, така и на марсохода.
Но има и прекъсвания в комуникацията, на които днес не можем да повлияем. Тяхната причина е Слънцето. Самото Слънце може да попречи на предаването на данни от сонди, минаващи близо до него, защото Червената планета просто се крие от нас от време на време. И тъй като все още нямаме добре развита комуникационна мрежа в Слънчевата система, Марс отнема около 10 дни, за да премине през слънчевия диск на всеки две години. Именно през този период комуникацията с марсоходите и сондите напълно липсва.
Понякога няма друг изход, трябва да работите усилено и да чакате данни с дни или дори месеци
За щастие в случай на мисии на Марс учените досега не са имали подобни проблеми. Но ако някой от вас си спомня сондата Галилео от 1990-те години на миналия век, знаете, че тогава имаше големи проблеми с наземния контрол. Предавателната антена на сондата беше само частично разгърната, така че не успя да постигне планираната честотна лента от 134 kbps. Учените трябваше да разработят нови методи за компресиране на данни, за да не загубят контакт със сондата. Те успяха да увеличат производителността на втората антена с ниско усилване от 8-16 bps (да, битове в секунда) до 160 bps и след това до около 1 kbit/s. Все още беше много малко, но се оказа достатъчно, за да спаси мисията.
От друга страна, много далечните космически кораби трябва да бъдат оборудвани с много мощни предавателни антени и източници на енергия, тъй като предаването отнема много време. От сондата New Horizons, чиято предавателна антена е с мощност 12 W, след нейното прелитане край Плутон, учените чакаха с месеци пълен набор от предадени данни.
Може ли този проблем да бъде решен? Да, възможно е, но за това трябва да изградим комуникационни мрежи в цялата слънчева система, но това изисква много време и, разбира се, огромни финансови вливания.
Какво да очакваме по-нататък?
Сигурен съм, че ни очаква много интересна информация от повърхността на Марс и отвъд нея. Човечеството е нетърпеливо да излезе от Земята и да изследва далечни планети и други слънчеви системи. Може би след няколко десетилетия тази моя статия ще кара само учениците на Марс или някъде в Алфа Кентавър да се усмихват. Може би тогава човечеството ще лети до други планети толкова лесно и просто, колкото сега от Киев до Ню Йорк. В едно съм сигурен, че е невъзможно да спрем желанието на човечеството да изследва космоса!
Също интересно:
