من مطمئن هستم که بسیاری از شما درباره مورد اخیر شنیده یا خوانده اید پافشاری در فرود روی مریخ، و به زودی سیاره سرخ در حال حاضر در انتظار امید عرب و چینی Tianwen-1 است. من تعجب می کنم که چگونه همه این کاوشگرها داده های تحقیقات خود را به زمین منتقل می کنند؟ ارتباطات فضایی امروز مورد بحث قرار خواهد گرفت.
پرواز به سیارات دیگر همیشه آرزوی بشر بوده است. فیلم‌های داستانی و مستند زیادی با این موضوع فیلم‌برداری شده است که تقریباً با جزئیات می‌گوید که فرآیند پرواز چگونه انجام می‌شود، اعضای خدمه چه احساسی دارند یا چه احساسی خواهند داشت، در چنین محیطی چه کاری باید انجام شود.
اخیراً همه جهان با خوشحالی شاهد فرود مریخ نورد Perseverance بر سطح سیاره سرخ و گرفتن اولین عکس ها پس از فرود بودند. ما در حال حاضر اولین عکس ها از مریخ نورد را داریم که یادآور می شوم، در 18 فوریه 2021 روی مریخ فرود آمد و همچنین اولین عکس از خود دستگاه.
اینها عکس های فنی هستند که بلافاصله پس از فرود گرفته شده اند، عکس هایی از چرخ ها و همچنین عکسی از خود مریخ نورد در هنگام فرود که توسط دوربین های نصب شده روی ماژول موشک گرفته شده است.
اما من همیشه به این فکر افتادم که چگونه آنها به این سرعت به زمین متصل می شوند و فیلم را مخابره می کنند؟ تعجب کردم که آیا این حقیقت است یا علمی تخیلی. امروز سعی خواهم کرد نظرات خود را در مورد این موضوع به اشتراک بگذارم.
همچنین بخوانید: پشتکار و نبوغ در مریخ چه خواهد کرد؟
مریخ چقدر فاصله دارد و این به چه معناست؟
یادآوری می کنم که مریخ بسته به فصل، تقریباً 55 تا 401 میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد. در اینجا همه چیز به همزمانی مدارهای چرخشی از جمله به دور خورشید بستگی دارد. و از آنجایی که سریع ترین شکل ارتباط امواج الکترومغناطیسی است، زمان ارسال اطلاعات به سیاره سرخ با سرعت نور تعیین می شود. یعنی اگر بخواهیم به چنین مریخ نورد یا کاوشگری فرمان بفرستیم یا داده ای دریافت کنیم باید کمی صبر کنیم.
ماشین‌ها نمی‌توانند مانند انسان‌ها بر تأخیر سیگنال تأثیر بگذارند، بنابراین تأخیر می‌تواند تا 60 میلی‌ثانیه باشد. و در این مدت سیگنال رادیویی حدود 18 کیلومتر را طی خواهد کرد. در مورد وسایل نقلیه فضایی، جنبه منفی این پدیده عدم امکان کنترل آنها در زمان واقعی است. تنها چیزی که باقی می‌ماند انتقال به عملیات خودمختار است، و این در مورد خود Perseverance و احتمالاً حتی بیشتر از آن در مورد هلیکوپتر Ingenuity صدق می‌کند، که باید ماموریت 000 روزه خود را در چند ده روز آینده آغاز کند. یعنی از سطح مریخ سیگنالی را با تاخیر قابل توجهی دریافت می کنیم، اما دستگاه های مدرن تقریبا آن را به حداقل رسانده اند. بله، این فرصت را از ما برای کنترل دستگاه ها از زمین سلب کرد، اما انگیزه ای برای توسعه اتوماسیون حتی بیشتر از چنین دستگاه هایی ایجاد کرد.
همچنین بخوانید: 10 حقیقت برتر در مورد سیاهچاله های عظیم کشف شده در سال 2020
ارتباط مستقیم بین زمین و ماموریت های مریخ چگونه است؟
من مطمئن هستم که این سوال تقریباً برای همه کسانی که مأموریت های مشابه را دنبال می کنند جالب است. بنابراین، برای این کار، شبکه ای از تلسکوپ های رادیویی به نام شبکه فضایی عمیق (DSN) ایجاد شد که بخشی از یک ساختار حتی بزرگتر به نام SCaN (ارتباطات و ناوبری فضایی) است.
این مرکز همه فرستنده ها و گیرنده های روی زمین را که برای ارتباط با فضاپیماها و فضانوردان در فضا استفاده می شود، به هم متصل می کند. DSN توسط آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا کنترل می شود.
تلسکوپ های رادیویی که بزرگترین آنها تا 70 متر قطر دارند، در نزدیکی مادرید در اسپانیا، کانبرا در استرالیا و گلدستون در صحرای موهاوه در ایالات متحده قرار دارند. این آرایش در نقاط مختلف سطح زمین خطر قطع ارتباط را به حداقل می رساند و افزایش سرعت دریافت و ارسال سیگنال را ممکن می سازد.
جالب است که چین برای مستقل شدن از شبکه های دیگر، تلسکوپ رادیویی خود را با اندازه حدود 70 متر ساخت که با آن با Tianwen-1 ارتباط برقرار می کند. از جمله، اولین تصاویر از این سیاره از این مدار گرفته شده است.
همچنین بخوانید: چه چیزی می تواند ما را از استعمار مریخ باز دارد؟
تفاوت زیادی بین قدرت سیگنال خروجی و دریافتی وجود دارد
حال به سراغ قابلیت های فنی این فرستنده ها می رویم. در اینجا نیز چیزهای جالب زیادی وجود دارد. بنابراین می دانیم که فرستنده های نصب شده بر روی این آنتن ها و هدف قرار دادن اشیاء فضایی دارای توانی از 20 کیلووات در باند X (فرکانس های 8 تا حدود 12 گیگاهرتز) تا 400 کیلووات هستند (اما باید به خاطر داشت که استفاده از توان بیش از 100 کیلووات نیاز به تنظیمات بسته به ترکیب هوا و مدیریت ترافیک) در باند S (فرکانس‌های حدود 2 تا 4 گیگاهرتز، یعنی مشابه Wi-Fi خانگی یا برخی از شبکه‌های تلفن همراه) دارد. در مقایسه، توان قوی‌ترین فرستنده‌های ایستگاه پایه 5G 120 وات است، اما معمولاً بسیار کمتر است و پرتو به طور متفاوتی نسبت به ارسال به فضاپیما شکل می‌گیرد.
هنگام دریافت سیگنال، بزرگترین آنتن های شبکه DSN قادر به گرفتن پرتوی با توان 10-18 وات هستند. برای مثال، چنین قدرتی سیگنال وویجر 2 را دارد. با توجه به فاصله و منابع انرژی محدود کاوشگرها، سیگنال‌های مریخ نیز تقریباً به همین ترتیب هستند.
مدارگرد شناسایی مریخ (MRO) دارای دو تقویت کننده سیگنال 100 واتی برای هر باند X است که در صورت خرابی یکی از باندهای اصلی، یک پشتیبان به همراه دارد. همچنین دارای یک فرستنده آزمایشی است که در باند Ka (فرکانس‌هایی در محدوده 26-40 گیگاهرتز) کار می‌کند که با 35 وات ارسال می‌کند، اما فقط برای اهداف آزمایشی.
صفحه DSN به وضوح نشان می دهد که داده ها در حال حاضر برای چه کسی یا از چه کسی ارسال یا دریافت می شود. از جمله، پس از کلیک بر روی میانبر نشان دهنده ماموریت، می توانیم داده های اضافی را مشاهده کنیم. مریخ نورد Perseverance به اختصار M20 نامیده می شود و داده ها عمدتاً از MRO می آیند.
همچنین بخوانید: فضای روی رایانه شما: 5 بهترین برنامه برای نجوم
هر چه بیشتر به فضا بروید، سیگنال کندتر می شود
DSN همچنین با کاوشگرهای دیگر ارتباط برقرار می کند، اما می دانید که هر چه آنها از زمین دورتر باشند، سرعت داده کندتر می شود. همچنین مقدار زیادی به قدرت فرستنده در یک فضاپیما بستگی دارد. وویجر 1، دورترین مودم از زمین، داده ها را با سرعت 160 bps ارسال می کند که فقط کمی سریعتر از اولین مودم های دهه 1950 است. برای باز کردن یک وب سایت root-nation.com با این متن از چنین فاصله ای، باید بیش از یک روز منتظر بمانید.
به نوبه خود، سیگنالی که از زمین به کاوشگر می رسد بسیار قوی تر است، اما قطر آنتن وویجر 1 تنها 3,7 متر است که البته دریافت سیگنال را بسیار ضعیف تر از زمانی است که یک آنتن 70 متری باشد.
همچنین بخوانید: کاوشگر خورشیدی پارکر، سمت شب زهره را نشان داد
یک کاوشگر مریخی یا مریخ نورد در طول ماموریت خود چه مقدار داده را منتقل می کند؟
ماموریت های مریخ معمولاً دو سال پایه به اضافه مدت یک ماموریت طولانی مدت طول می کشد و می تواند بیش از یک دهه طول بکشد. کاوشگرها و ابزارهایی که مشاهدات بصری را انجام می دهند به بیشترین پهنای باند نیاز دارند زیرا عکس ها حداقل مگابایت داده هستند. سیگنال می تواند حاوی داده های عددی بسیار بیشتری باشد که سایر اندازه گیری ها، پارامترهای جو، میدان مغناطیسی، دما و غیره را مشخص می کند. بنابراین، زمان مناسبی به نفع کاوشگرهای فضایی است. آنها خیلی سریع پخش نمی کنند، اما سال ها این کار را به طور مداوم انجام می دهند.
مدارگرد شناسایی مریخ (MRO) که از سال 2005 از مریخ عکاسی می کند، تاکنون بیش از 50 گردش به دور سیاره و بیش از 000 عکس که 90 درصد از سطح سیاره را پوشش می دهند (تا سال 000) گرفته است. علاوه بر این، پخش و تصاویر مریخ نوردها را مخابره می کند. به عنوان مثال، کنجکاوی قبلاً تقریباً یک میلیون عکس خام گرفته است (همه آنها به تصاویری تبدیل نشده اند که ما آنها را تحسین می کنیم). مقدار داده های جمع آوری شده روی زمین از MRO به 99 پتابایت نزدیک می شود (اطلاعات تخمینی تا اوایل سال 2017).
با این حال، MRO یک ماموریت عکس و داده گرا است. در مقام مقایسه، کاوشگر کاسینی که چندین سال بر روی زحل و قمرهای آن مطالعه می کرد، تنها 635 گیگابایت داده را به زمین ارسال کرد که شامل 453 عکس بود. به نوبه خود، مریخ نورد Opportunity که به مدت 15 سال به دور مریخ سفر کرد، تا سال 2018 بیش از 225 عکس را به زمین فرستاد (مدتی پس از آن که برای همیشه ارتباط ما با آن قطع شد).
مقدار داده ارسال شده به مریخ بسیار کمتر است. از آنجایی که اینها عمدتاً دستورات و تأییدهای اجرای آنها، یا اصلاحات نرم افزاری (که مهمترین آنها هستند)، حتی به فرستنده های بسیار قدرتمندی برای انتقال آنها نیاز ندارند.
همچنین بخوانید: مشخص شد که اکسیژن اتمسفر زمین چه زمانی تمام می شود
چگونه یک کاوشگر یا مریخ نورد با زمین "صحبت" می کند؟
ما قبلاً می دانیم که چگونه داده های مریخ در زمین دریافت می شود، اما چگونه ارتباط از دستگاه های موجود در سیاره سرخ آغاز می شود؟ کاوشگرهایی که در مدار هستند، شرایط مطلوب تری برای برقراری ارتباط با زمین و ارسال مقادیر زیادی داده دارند. برای چنین ارتباطی از باند X استفاده می شود که اغلب ذکر شده است.مریخ نورد Perseverance مانند کنجکاوی از دو فرستنده (کم و پرقدرت) که روی این باند کار می کنند برای ارتباط استفاده می کند.
با کمک آنها، مریخ نورد می تواند به طور مستقل با خانه تماس بگیرد، اما سرعت انتقال داده از فرستنده قدرتمند حداکثر 800 bps زمانی است که سیگنال توسط یک آنتن 70 متری دریافت می شود، یا 160 bps زمانی که یک فرستنده 34 متری است. آنتن یک فرستنده کم مصرف تنها آخرین راه حل است زیرا فقط یک کانال 10 بیتی برای انتقال و یک کانال 30 بیتی برای دریافت داده دارد.
بنابراین، امروزه مریخ نوردهای کنجکاوی و پرسرانس معمولاً ابتدا در محدوده UHF به "ایستگاه پایه" خود در مدار مریخ متصل می شوند - کاوشگرهایی که آنتن های فرستنده بسیار بزرگتری دارند. MRO، MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN)، Mars Odyssey و European Mars Express و TGO (Trace Gas Orbiter) برای این کار استفاده می شود. آنها شبکه ای به نام MRN (شبکه رله مریخ) تشکیل می دهند.
قبل از ایجاد چنین شبکه رله ای، فضاپیماهایی مانند وایکینگ 1 و 2 باید بر مدارهای همراه تکیه می کردند. برای ارتباط مستقیم با زمین از فرستنده های 20 واتی و باند S استفاده شد، ارتباطات در فرکانس 381 مگاهرتز (باند UHF) مشابه مریخ نوردهای امروزی انجام شد.
همچنین بخوانید: خدمه دراگون تنها نیست: کدام کشتی در سال های آینده به فضا می رود
حداکثر سرعت ارتباط مریخ و زمین چقدر است؟
در اینجا تفاوت های ظریف زیادی وجود دارد. بنابراین، Perserance ابتدا با استفاده از آنتنی که در پشت مریخ نورد، در کنار صفحه نمایشگر ژنراتور ترموالکتریک ایزوتوپ رادیویی قرار دارد، تصاویر و سایر داده‌ها را به کاوشگرهای در حال گردش با فرکانس 400 مگاهرتز ارسال می‌کند. پهنای باند خط ارتباطی از سطح تا مدار سیاره سرخ تا 2 مگابیت بر ثانیه است. کارایی ارتباط با مدار مریخ به فاصله آن از زمین بستگی دارد و همانطور که می دانید این بسیار متفاوت است.
حداکثر سرعت اتصال از 500 کیلوبیت بر ثانیه زمانی که مریخ در دورترین فاصله از زمین قرار دارد تا بیش از 3 مگابیت در ثانیه زمانی که مریخ به سیاره ما نزدیکتر است متغیر است. معمولاً از آنتن های DSN 34 متری برای حدود 8 ساعت در روز استفاده می شود. با این حال، این بدان معنا نیست که انتقال همیشه در حداکثر سرعتی است که از داده های آنتن های DSN قابل مشاهده است.
همچنین فرصتی برای برقراری ارتباط مستقیم بین زمین و وسایلی که روی سطح مریخ هستند، با دور زدن کاوشگرهایی که در مدار سیاره هستند، وجود دارد. اما چنین اتصالاتی فقط در مواقع اضطراری و یا فقط برای ارسال دستورات کنترلی ساده امکان پذیر است. چنین محدودیت هایی به این دلیل است که پهنای باند سیگنال به مریخ از مدار سیاره 3-4 برابر بیشتر از انتقال مستقیم از زمین به سطح مریخ است. آنتن هایی که در باند X کار می کنند برای چنین ارتباطی، هم در زمین و هم در مریخ نورد استفاده می شود.
اما وقفه هایی در ارتباطات نیز وجود دارد که امروز نمی توانیم بر آنها تأثیر بگذاریم. علت آنها خورشید است. خود خورشید می‌تواند در انتقال داده‌های کاوشگرهایی که از نزدیکی آن عبور می‌کنند تداخل داشته باشد، زیرا سیاره سرخ هر از گاهی از ما پنهان می‌شود. و از آنجایی که ما هنوز یک شبکه ارتباطی توسعه‌یافته در منظومه شمسی نداریم، مریخ هر دو سال یکبار حدود 10 روز طول می‌کشد تا از کنار قرص خورشیدی بگذرد. در این دوره است که ارتباط با مریخ نوردها و کاوشگرها به طور کامل وجود ندارد.
گاهی اوقات راه دیگری وجود ندارد، باید سخت کار کنید و روزها یا حتی ماه ها منتظر داده باشید
خوشبختانه در مورد ماموریت های مریخ، دانشمندان تاکنون چنین مشکلاتی نداشته اند. اما اگر یکی از شما کاوشگر گالیله در دهه 1990 را به خاطر بیاورد، می دانید که در آن زمان مشکلات بزرگی در کنترل زمین وجود داشت. آنتن انتقال کاوشگر فقط تا حدی مستقر شده بود، بنابراین قادر به دستیابی به پهنای باند مورد نظر 134 کیلوبیت بر ثانیه نبود. دانشمندان مجبور شدند روش‌های جدیدی برای فشرده‌سازی داده‌ها ایجاد کنند تا تماس با کاوشگر را از دست ندهند. آنها توانستند عملکرد آنتن دوم کم بهره را از 8-16 bps (بله، بیت در ثانیه) به 160 bps و سپس به حدود 1 kbit/s افزایش دهند. هنوز خیلی کم بود، اما برای نجات ماموریت کافی بود.
از سوی دیگر، فضاپیماهای بسیار دور باید به آنتن های فرستنده و منابع انرژی بسیار قوی مجهز شوند، زیرا انتقال زمان زیادی طول می کشد. از کاوشگر نیوهورایزنز، که آنتن فرستنده آن دارای قدرت 12 وات است، پس از پرواز در نزدیکی پلوتون، دانشمندان ماه ها منتظر مجموعه کاملی از داده های ارسالی بودند.
آیا این مشکل قابل حل است؟ بله، ممکن است، اما برای این کار ما نیاز به ایجاد شبکه های ارتباطی در سراسر منظومه شمسی داریم، اما این نیاز به زمان زیادی دارد، و البته تزریقات مالی عظیم.
در ادامه چه انتظاری می توانیم داشته باشیم؟
من مطمئن هستم که اطلاعات جالب زیادی از سطح مریخ و فراتر از آن در انتظار ما است. بشریت مشتاق بیرون آمدن از زمین و کاوش در سیارات دوردست و دیگر منظومه های خورشیدی است. شاید در چند دهه این مقاله من فقط باعث لبخند دانش آموزان در مریخ یا جایی در آلفا قنطورس شود. شاید در آن صورت بشریت به آسانی و به سادگی ما از کیف تا نیویورک به سیارات دیگر پرواز کند. من از یک چیز مطمئن هستم، جلوگیری از تمایل بشر برای کشف فضا غیرممکن است!
همچنین جالب: