Jsem si jistý, že mnozí z vás o té nedávné slyšeli nebo četli Vytrvalostní přistání na Marsu, a zanedlouho už Rudá planeta čeká na arabskou naději a čínskou Tianwen-1. Zajímalo by mě, jak všechny tyto sondy přenášejí data svého výzkumu na Zemi? Dnes se bude diskutovat o vesmírné komunikaci.
Lety na jiné planety byly vždy snem lidstva. Na toto téma byla natočena spousta hraných filmů a dokumentů, které téměř do detailu vyprávějí, jak probíhá samotný letový proces, jak se cítí nebo budou cítit členové posádky, co by se v takovém prostředí mělo dělat.
Nedávno celý svět s potěšením sledoval, jak rover Perseverance přistál na povrchu Rudé planety a po přistání pořídil první snímky. Již máme první fotografie z roveru, který, připomenu, přistál na Marsu 18. února 2021 a také první fotku samotného zařízení.
Jde o technické fotografie pořízené bezprostředně po přistání, fotografie kol, ale i fotografii samotného roveru při přistání, kterou pořídily kamery namontované na raketovém modulu.
Ale vždycky jsem se přistihl, jak přemýšlím, jak se jim podařilo tak rychle spojit se Zemí a přenést záběry? Přemýšlel jsem, jestli je to pravda nebo sci-fi. Dnes se pokusím podělit o své myšlenky na toto téma.
Přečtěte si také: Co udělá vytrvalost a vynalézavost na Marsu?
Jak daleko je Mars a co to znamená?
Připomínám, že Mars je v závislosti na ročním období od Země vzdálen přibližně 55 až 401 milionů kilometrů. Zde vše závisí na shodě rotačních drah, včetně kolem Slunce. A protože nejrychlejší formou komunikace jsou elektromagnetické vlny, čas potřebný k odeslání informace na Rudou planetu bude určen rychlostí světla. To znamená, že pokud chceme poslat příkaz takovému roveru nebo sondě nebo přijímat data, budeme si muset chvíli počkat.
Stroje nemohou ovlivnit zpoždění signálu stejně jako lidé, takže zpoždění může být až 60 ms. A během této doby urazí rádiový signál asi 18 000 kilometrů. V případě vesmírných dopravních prostředků je negativní stránkou tohoto jevu nemožnost jejich ovládání v reálném čase. Jediné, co zbývá, je přechod na autonomní provoz, a to se týká samotné Perseverance a pravděpodobně ještě více vrtulníku Ingenuity, který by měl svou 30denní misi zahájit v nejbližších desítkách dní. To znamená, že z povrchu Marsu přijímáme signál s výrazným zpožděním, ale moderní přístroje ho téměř minimalizovaly. Ano, připravilo nás o možnost ovládat zařízení ze Země, ale dalo impuls k vývoji ještě větší automatizace takových zařízení.
Přečtěte si také: Top 10 faktů o masivních černých dírách objevených v roce 2020
Jak probíhá přímá komunikace mezi Zemí a misemi operujícími na Marsu
Jsem si jistý, že tato otázka zajímá téměř každého, kdo podobné mise sleduje. Za tímto účelem byla vytvořena síť radioteleskopů nazvaná Deep Space Network (DSN), která je součástí ještě větší struktury zvané SCaN (Space Communication and Navigation).
Toto centrum spojuje všechny vysílače a přijímače na Zemi používané ke komunikaci s kosmickými loděmi a astronauty ve vesmíru. DSN je řízeno laboratoří NASA Jet Propulsion Laboratory.
Radioteleskopy, z nichž největší mají průměr až 70 metrů, se nacházejí poblíž Madridu ve Španělsku, Canberry v Austrálii a Goldstone v Mohavské poušti ve Spojených státech. Toto uspořádání na různých místech zemského povrchu minimalizuje riziko přerušení komunikace a umožňuje zvýšit rychlost příjmu a vysílání signálu.
Zajímavostí je, že Čína, aby se osamostatnila od ostatních sítí, postavila vlastní radioteleskop o velikosti také cca 70 m, se kterým komunikuje s Tianwen-1. Z této oběžné dráhy byly mimo jiné pořízeny první snímky planety.
Přečtěte si také: Co nám může zabránit v kolonizaci Marsu?
Mezi výkonem výstupního a přijímaného signálu je obrovský rozdíl
Nyní přejděme k technickým možnostem těchto vysílačů. Je zde také spousta zajímavých věcí. Víme tedy, že vysílače namontované na těchto anténách a zaměřené na vesmírné objekty mají výkon od 20 kW v pásmu X (frekvence od 8 do cca 12 GHz) do 400 kW (je však třeba připomenout, že využití výkonu nad 100 kW vyžaduje úpravy v závislosti na složení ovzduší a řízení provozu) v pásmu S (frekvence kolem 2 až 4 GHz, tedy obdoba domácí Wi-Fi nebo některých mobilních sítí). Pro srovnání, výkon nejsilnějších vysílačů 5G základnových stanic je 120 wattů, ale většinou je mnohem nižší a paprsek se tvoří jinak než v případě vysílání do kosmických lodí.
Při příjmu signálu jsou největší antény DSN sítě schopny zachytit paprsek o výkonu řádově 10-18W. Takový výkon má například signál z Voyageru 2. Signály z Marsu jsou také přibližně tohoto řádu, vzhledem ke vzdálenosti a omezeným energetickým zdrojům sond.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) má dva 100wattové zesilovače signálu pro každé pásmo X, s jedním záložním, pokud jeden z hlavních selže. Má také experimentální vysílač pracující v pásmu Ka (frekvence v rozsahu 26-40 GHz), který vysílá při 35 wattech, ale pouze pro testovací účely.
stránka DSN jasně ukazuje, komu nebo od koho jsou data aktuálně odesílána nebo přijímána. Mimo jiné po kliknutí na zkratku označující misi se nám zobrazí další údaje. Rover Perseverance se zkráceně nazývá M20 a data pocházejí především z MRO.
Přečtěte si také: Místo ve vašem počítači: 5 nejlepších programů pro astronomii
Čím dále do vesmíru, tím je signál pomalejší
DSN také komunikuje s jinými sondami, ale víte, že čím dále jsou od Země, tím pomalejší je rychlost přenosu dat. Hodně také záleží na výkonu vysílače na dané kosmické lodi. Voyager 1, nejvzdálenější od Země, vysílá data rychlostí 160 bps, tedy jen o málo rychleji než první modemy z 1950. let. Chcete-li otevřít webovou stránku root-nation.com s tímto textem z takové vzdálenosti budete muset čekat déle než den.
Signál dopadající na sondu ze Země je zase mnohem silnější, ale anténa Voyageru 1 má průměr pouhých 3,7 metru, což samozřejmě činí příjem signálu mnohem slabším, než kdyby se jednalo o 70metrovou anténu.
Přečtěte si také: Parker Solar Probe ukázala noční stranu Venuše
Kolik dat vyšle marťanská sonda nebo rover během své mise?
Mise na Mars obvykle trvají dva základní roky plus trvání prodloužené mise a mohou trvat déle než deset let. Sondy a přístroje, které provádějí vizuální pozorování, vyžadují největší šířku pásma, protože fotografie obsahují alespoň megabajty dat. Signál může obsahovat mnohem více číselných údajů charakterizujících další měření, parametry atmosféry, magnetického pole, teploty atd. Nastal tedy správný čas ve prospěch vesmírných sond. Nevysílají příliš rychle, ale vytrvale to létají.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), který fotografuje Mars od roku 2005, již provedl více než 50 000 obletů planety a více než 90 000 fotografií pokrývajících 99 % povrchu planety (stav k roku 2017). Kromě toho přenáší vysílání a snímky z marsovských roverů. Například Curiosity už nafotilo skoro milion raw fotek (ne všechny se proměnily v obrázky, které obdivujeme). Množství shromážděných dat na Zemi z MRO se blíží 0,5 petabajtu (odhadované údaje k začátku roku 2021).
MRO je však mise orientovaná na fotografie a data. Pro srovnání, sonda Cassini, která již několik let studuje Saturn a jeho měsíce, poslala zpět na Zemi pouze 635 GB dat, která zahrnovala 453 000 fotografií. Na druhé straně rover Opportunity, která 15 let cestovala kolem Marsu, poslala do roku 2018 zpět na Zemi více než 225 000 fotografií (krátce poté, co jsme s ní navždy ztratili kontakt).
Množství dat odeslaných na Mars je mnohem menší. Jelikož se jedná především o příkazy a potvrzení jejich provedení, případně softwarové opravy (které jsou nejdůležitější), nevyžadují k jejich přenosu ani velmi výkonné vysílače.
Přečtěte si také: Bylo známo, kdy zemský atmosférický kyslík dojde
Jak sonda nebo rover "mluví" se Zemí?
Už víme, jak jsou na Zemi přijímána data z Marsu, ale jak probíhá komunikace ze zařízení na Rudé planetě? Sondy, které jsou na oběžné dráze, mají příznivější podmínky pro komunikaci se Zemí a odesílání velkého množství dat. Pro takovou komunikaci se používá nejčastěji zmiňované pásmo X. Rover Perseverance stejně jako Curiosity využívá ke komunikaci dva vysílače (nízký a vysoký výkon) pracující na tomto pásmu.
S jejich pomocí může rover samostatně "zavolat" domů, ale rychlost přenosu dat z výkonného vysílače je maximálně 800 bps při příjmu signálu 70metrovou anténou nebo 160 bps při 34metrové anténa. Nízkoenergetický vysílač je pouze poslední možností, protože má pouze 10bitový kanál pro vysílání a 30bitový kanál pro příjem dat.
Proto se dnes vozítka Curiosity a Perserance obvykle nejprve připojí v rozsahu UHF ke své „základnové stanici“ na oběžné dráze Marsu – sondám, které mají mnohem větší vysílací antény. K tomu slouží MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey a European Mars Express a TGO (Trace Gas Orbiter). Tvoří síť zvanou MRN (Mars Relay Network).
Než byla taková přenosová síť vytvořena, musely se kosmické lodě jako Viking 1 a 2 spoléhat na doprovodné oběžné dráhy. Pro přímou komunikaci se Zemí byly použity vysílače 20 W a pásmo S, komunikace probíhala na frekvenci 381 MHz (pásmo UHF), podobně jako u dnešních roverů.
Přečtěte si také: Crew Dragon není jediný: které lodě se v příštích letech vydají do vesmíru
Jaká je maximální rychlost komunikace mezi Marsem a Zemí?
Je zde mnoho nuancí. Perserance tedy nejprve odešle snímky a další data na oběžnou dráhu na 400 MHz pomocí antény umístěné v zadní části roveru, vedle obrazovky radioizotopového termoelektrického generátoru. Šířka pásma komunikační linky z povrchu na oběžnou dráhu Rudé planety je až 2 Mbit/s. Účinnost spojení s oběžnou dráhou Marsu závisí na jeho vzdálenosti od Země a ta, jak víte, se značně liší.
Maximální rychlost připojení se pohybuje od 500 kbps, když je Mars nejdále od Země, až po více než 3 Mbps, když je Mars nejblíže naší planetě. Obvykle se používají 34m DSN antény, asi 8 hodin denně. To však neznamená, že přenos je vždy maximální rychlostí, kterou lze zjistit z dat DSN antén.
Je zde také možnost navázat přímé spojení mezi Zemí a zařízeními, která jsou na povrchu Marsu, a obejít tak sondy, které jsou na oběžné dráze planety. Taková spojení však mohou být provedena pouze v nouzových situacích nebo pro vysílání pouze jednoduchých řídicích příkazů. Taková omezení jsou způsobena tím, že šířka pásma signálu k Marsu z oběžné dráhy planety je 3-4krát větší než při přímém přenosu ze Země na povrch Marsu. K takové komunikaci slouží antény pracující v pásmu X, a to jak na Zemi, tak na roveru.
Dochází ale i k výpadkům v komunikaci, které dnes nemůžeme ovlivnit. Jejich příčinou je Slunce. Samotné Slunce může rušit přenos dat ze sond procházejících v jeho blízkosti, protože Rudá planeta se před námi prostě čas od času schová. A protože ve sluneční soustavě ještě nemáme dobře vyvinutou komunikační síť, trvá Marsu každé dva roky asi 10 dní, než proklouzne kolem slunečního disku. Právě v tomto období zcela chybí komunikace s rovery a sondami.
Někdy není jiné východisko, musíte tvrdě pracovat a čekat na data dny nebo i měsíce
V případě misí na Mars zatím vědci takové problémy naštěstí neměli. Pokud si ale někdo z vás pamatuje na sondu Galileo z 1990. let, ví, že tehdy byly velké problémy s pozemním řízením. Vysílací anténa sondy byla nasazena jen částečně, takže nebyla schopna dosáhnout zamýšlené šířky pásma 134 kbps. Vědci museli vyvinout nové metody komprese dat, aby neztratili kontakt se sondou. Dokázali zvýšit výkon druhé antény s nízkým ziskem z 8-16 bps (ano, bitů za sekundu) na 160 bps a poté na přibližně 1 kbit/s. Bylo to stále velmi málo, ale ukázalo se, že to na záchranu mise stačí.
Na druhou stranu velmi vzdálené kosmické lodě musí být vybaveny velmi výkonnými vysílacími anténami a zdroji energie, protože přenos trvá dlouho. Ze sondy New Horizons, jejíž vysílací anténa má výkon 12 W, po jejím průletu u Pluta vědci čekali měsíce na kompletní sadu přenesených dat.
Dá se tento problém vyřešit? Ano, je to možné, ale k tomu potřebujeme vybudovat komunikační sítě v celé sluneční soustavě, ale to vyžaduje spoustu času a samozřejmě obrovské finanční infuze.
Co můžeme očekávat dále?
Jsem si jist, že z povrchu Marsu i mimo něj na nás čeká spousta zajímavých informací. Lidstvo touží uniknout ze Země a prozkoumat vzdálené planety a další sluneční soustavy. Snad tento můj článek bude za pár desítek let vyvolávat u školáků na Marsu nebo někde v Alfa Centauri jen úsměv. Možná pak lidstvo poletí na jiné planety stejně snadno a jednoduše jako my nyní z Kyjeva do New Yorku. Jsem si jistý jednou věcí, lidskou touhu po průzkumu vesmíru zastavit nelze!
Zajímavé také:
