Olen varma, että monet teistä ovat kuulleet tai lukeneet viimeaikaisesta Sinnikkyys laskeutuu Marsiin, ja pian Punainen planeetta odottaa jo arabialaista toivoa ja kiinalaista Tianwen-1:tä. Ihmettelen, kuinka kaikki nämä luotain välittävät tutkimustietonsa Maahan? Avaruusviestinnästä keskustellaan tänään.
Lennot muille planeetoille ovat aina olleet ihmiskunnan unelma. Aiheesta on kuvattu paljon pitkä- ja dokumenttielokuvia, jotka kertovat lähes yksityiskohtaisesti, miten itse lentoprosessi tapahtuu, miltä miehistön jäsenistä tuntuu tai tuntuu, mitä tällaisessa ympäristössä pitäisi tehdä.
Äskettäin koko maailma katseli ilolla, kun Perseverance-mönkijä laskeutui Punaisen planeetan pinnalle ja otti ensimmäiset kuvat laskeutumisen jälkeen. Meillä on jo ensimmäiset kuvat roverista, joka, muistaakseni, laskeutui Marsiin 18, sekä ensimmäinen kuva itse laitteesta.
Nämä ovat teknisiä kuvia, jotka on otettu välittömästi laskeutumisen jälkeen, kuvia pyöristä sekä valokuva itse mönkijästä laskeutumisen aikana, joka on otettu rakettimoduuliin kiinnitetyillä kameroilla.
Mutta sain itseni aina ajattelemaan, kuinka he onnistuvat muodostamaan yhteyden Maahan niin nopeasti ja välittämään materiaalin? Mietin, oliko tämä totta vai tieteisfiktiota. Tänään yritän jakaa ajatukseni tästä aiheesta.
Lue myös: Mitä sinnikkyys ja kekseliäisyys tekevät Marsissa?
Kuinka kaukana Mars on ja mitä se tarkoittaa?
Muistutan, että Mars on vuodenajasta riippuen noin 55-401 miljoonan kilometrin päässä Maasta. Täällä kaikki riippuu kiertoradan yhteensattumisesta, myös Auringon ympäri. Ja koska nopein viestintämuoto on sähkömagneettiset aallot, aika, joka kuluu tiedon lähettämiseen Punaiselle planeetalle, määräytyy valonnopeuden mukaan. Eli jos haluamme lähettää komennon sellaiselle roverille tai luotain tai vastaanottaa tietoja, meidän on odotettava vähän.
Koneet eivät voi vaikuttaa signaalin viiveisiin samalla tavalla kuin ihmiset, joten viive voi olla jopa 60 ms. Ja tänä aikana radiosignaali kulkee noin 18 000 kilometriä. Avaruusajoneuvojen tapauksessa tämän ilmiön negatiivinen puoli on mahdottomuus hallita niitä reaaliajassa. Jäljelle jää vain siirtyminen autonomiseen toimintaan, ja tämä koskee itse Perseverancea ja luultavasti vielä enemmän Ingenuity-helikopteria, jonka pitäisi aloittaa 30 päivän tehtävänsä muutaman kymmenen päivän sisällä. Toisin sanoen Marsin pinnalta saamme signaalin merkittävällä viiveellä, mutta nykyaikaiset laitteet ovat melkein minimoineet sen. Kyllä, se riisti meiltä mahdollisuuden ohjata laitteita maapallolta, mutta se antoi sysäyksen tällaisten laitteiden entistä suuremman automatisoinnin kehittämiseen.
Lue myös: 10 parasta faktaa vuonna 2020 löydetyistä massiivisista mustista aukoista
Kuinka suora kommunikointi Maan ja Marsissa toimivien tehtävien välillä toimii?
Olen varma, että tämä kysymys kiinnostaa melkein kaikkia, jotka seuraavat samanlaisia tehtäviä. Joten tätä varten luotiin radioteleskooppiverkko nimeltä Deep Space Network (DSN), joka on osa vielä suurempaa rakennetta nimeltä SCaN (Space Communication and Navigation).
Tämä keskus yhdistää kaikki maan päällä olevat lähettimet ja vastaanottimet, joita käytetään kommunikoimaan avaruusalusten ja astronautien kanssa avaruudessa. DSN:ää ohjaa NASA:n Jet Propulsion Laboratory.
Radioteleskoopit, joista suurimmat ovat halkaisijaltaan jopa 70 metriä, sijaitsevat lähellä Madridia Espanjassa, Canberraa Australiassa ja Goldstonea Mojaven autiomaassa Yhdysvalloissa. Tämä järjestely eri kohdissa maan pinnalla minimoi tietoliikennekatkosten riskin ja mahdollistaa signaalin vastaanotto- ja lähetysnopeuden lisäämisen.
Mielenkiintoista on, että Kiina rakensi itsenäistyäkseen muista verkoista oman, myös noin 70 metrin kokoisen radioteleskoopin, jolla se kommunikoi Tianwen-1:n kanssa. Tältä kiertoradalta otettiin muun muassa ensimmäiset kuvat planeettasta.
Lue myös: Mikä voi estää meitä asettamasta Marsia?
Lähtö- ja vastaanotetun signaalin tehon välillä on valtava ero
Siirrytään nyt näiden lähettimien teknisiin ominaisuuksiin. Täällä on myös paljon mielenkiintoista. Tiedämme siis, että näihin antenneihin asennettujen ja avaruuskohteisiin suunnattujen lähettimien teho on X-kaistalla 20 kW (taajuudet 8 - noin 12 GHz) 400 kW:iin (mutta tulee muistaa, että tehonkäyttö yli 100 kW vaatii säätöjä ilman koostumuksesta ja liikenteenohjauksesta) S-kaistalla (taajuudet noin 2–4 GHz, eli vastaavat kuin kodin Wi-Fi- tai jotkin mobiiliverkot). Vertailun vuoksi vahvimpien 5G-tukiasemalähettimien teho on 120 wattia, mutta se on yleensä paljon pienempi ja säde muodostuu eri tavalla kuin avaruusaluksiin lähetettäessä.
Vastaanottaessaan signaalia DSN-verkon suurimmat antennit pystyvät sieppaamaan säteen, jonka teho on luokkaa 10-18 W. Tällaisella teholla on esimerkiksi Voyager 2:n signaali. Myös Marsista tulevat signaalit ovat suunnilleen tätä luokkaa, kun otetaan huomioon luotainten etäisyys ja rajalliset energiaresurssit.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) -laitteessa on kaksi 100 watin signaalivahvistinta jokaista X-kaistaa kohti, ja yksi varmuuskopiointi, jos yksi tärkeimmistä epäonnistuu. Siinä on myös kokeellinen lähetin, joka toimii Ka-kaistalla (taajuudet alueella 26-40 GHz), joka lähettää 35 wattia, mutta vain testaustarkoituksiin.
DSN-sivu osoittaa selvästi, kenelle tai keneltä tietoja parhaillaan lähetetään tai vastaanotetaan. Muun muassa, kun napsautat tehtävää osoittavaa pikakuvaketta, voimme nähdä lisätietoja. Perseverance Roverin nimi on lyhennetty M20, ja tiedot tulevat pääasiassa MRO:lta.
Lue myös: Tilaa tietokoneellasi: 5 parasta tähtitieteen ohjelmaa
Mitä pidemmälle avaruuteen, sitä hitaampi signaali
DSN kommunikoi myös muiden luotainten kanssa, mutta tiedät mitä kauempana ne ovat Maasta, sitä hitaampi tiedonsiirtonopeus. Paljon riippuu myös tietyn avaruusaluksen lähettimen tehosta. Maasta kauimpana oleva Voyager 1 lähettää dataa 160 bps:n nopeudella, vain hieman nopeammin kuin 1950-luvun ensimmäiset modeemit. Verkkosivuston avaaminen root-nation.com tämän tekstin kanssa niin kaukaa, joudut odottamaan yli päivän.
Maasta luotain saavuttava signaali puolestaan on paljon voimakkaampi, mutta Voyager 1:n antennin halkaisija on vain 3,7 metriä, mikä tietysti tekee signaalin vastaanotosta paljon heikompaa kuin jos kyseessä olisi 70 metrin antenni.
Lue myös: Parker Solar Probe näytti Venuksen yöpuolen
Kuinka paljon tietoa Marsin luotain tai mönkijä lähettää tehtävänsä aikana?
Mars-matkat kestävät yleensä kaksi perusvuotta plus pidennetyn lennon kesto, ja ne voivat kestää yli vuosikymmenen. Visuaalisia havaintoja suorittavat anturit ja instrumentit vaativat eniten kaistanleveyttä, koska valokuvat ovat vähintään megatavuja dataa. Signaali voi sisältää paljon enemmän numeerista dataa, joka kuvaa muita mittauksia, ilmakehän parametreja, magneettikenttää, lämpötilaa jne. Siksi aika on oikea avaruusluotaimille. He eivät lähetä liian nopeasti, mutta he tekevät sen jatkuvasti vuosia.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), joka on kuvannut Marsia vuodesta 2005, on jo ottanut yli 50 000 kiertoa planeetan ympäri ja yli 90 000 valokuvaa, jotka kattavat 99 % planeetan pinnasta (vuodesta 2017). Lisäksi se lähettää lähetyksiä ja kuvia Mars-kulkijoilta. Esimerkiksi Curiosity on ottanut jo lähes miljoona raakakuvaa (kaikki eivät ole muuttuneet kuviksi, joita ihailemme). MRO:sta maapallolla kerätyn datan määrä lähestyy 0,5 petabyyttiä (arvioitu data vuoden 2021 alusta).
MRO on kuitenkin valokuva- ja datapainotteinen tehtävä. Vertailun vuoksi Saturnusta ja sen kuita useiden vuosien ajan tutkinut Cassini-luotain lähetti takaisin Maahan vain 635 Gt dataa, joka sisälsi 453 000 valokuvaa. Puolestaan rover Opportunity, joka matkusti Marsin ympäri 15 vuotta, lähetti yli 2018 225 valokuvaa takaisin Maahan vuoteen 000 mennessä (pian sen jälkeen, kun menetimme yhteyden siihen lopullisesti).
Marsiin lähetettävän tiedon määrä on paljon pienempi. Koska nämä ovat pääasiassa komentoja ja vahvistuksia niiden suorittamisesta tai ohjelmistokorjauksia (jotka ovat tärkeimpiä), ne eivät vaadi edes kovin tehokkaita lähettimiä niiden lähettämiseen.
Lue myös: Tuli tiedoksi, milloin maapallon ilmakehän happi loppuu
Kuinka luotain tai mönkijä "puhuu" maapallolle?
Tiedämme jo, kuinka Marsista peräisin oleva data vastaanotetaan maan päällä, mutta miten viestintä aloitetaan punaisen planeetan laitteista? Radalla olevilla luotainilla on suotuisammat olosuhteet kommunikoida maan kanssa ja lähettää suuria tietomääriä. Tällaista viestintää varten käytetään useimmin mainittua X-kaistaa.Perseverance Rover, kuten Curiosity, käyttää viestintään kahta tällä kaistalla toimivaa lähetintä (pieni ja suuri teho).
Niiden avulla rover voi itsenäisesti "soittaa" kotiin, mutta tehokkaan lähettimen tiedonsiirtonopeus on enintään 800 bps, kun signaali vastaanotetaan 70 metrin antennilla, tai 160 bps, kun se on 34 metrin antenni. antenni. Pienitehoinen lähetin on vain viimeinen keino, koska siinä on vain 10-bittinen kanava tiedon lähettämiseen ja 30-bittinen kanava tiedon vastaanottamiseen.
Siksi nykyään Curiosity- ja Perserance-mönkijät muodostavat yleensä ensin yhteyden UHF-alueella Marsin kiertoradalla olevaan "tukiasemaansa" - luotauksiin, joissa on paljon suuremmat lähetysantennit. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey ja European Mars Express sekä TGO (Trace Gas Orbiter) käytetään tähän. Ne muodostavat verkon nimeltä MRN (Mars Relay Network).
Ennen kuin tällainen välitysverkko perustettiin, Viking 1:n ja 2:n kaltaisten avaruusalusten täytyi luottaa kiertoradoihin. Suoraan kommunikointiin maan kanssa käytettiin 20 W lähettimiä ja S-kaistaa, viestintä tapahtui 381 MHz:n taajuudella (UHF-kaista), kuten nykypäivän roverit.
Lue myös: Crew Dragon ei ole ainoa: mitkä alukset tulevat avaruuteen tulevina vuosina
Mikä on Mars-Maa-viestinnän suurin nopeus?
Tässä on monia vivahteita. Joten Perserance lähettää ensin kuvat ja muut tiedot kiertoradalle 400 MHz:n taajuudella käyttämällä antennia, joka sijaitsee roverin takana, radioisotooppitermosähköisen generaattorin näytön vieressä. Viestintälinjan kaistanleveys maan pinnalta Red Planetin kiertoradalle on jopa 2 Mbit/s. Yhteyden tehokkuus Marsin kiertoradan kanssa riippuu sen etäisyydestä Maasta, ja tämä, kuten tiedätte, vaihtelee suuresti.
Yhteyden enimmäisnopeus vaihtelee 500 kbps:stä, kun Mars on kauimpana Maasta, yli 3 Mbps:iin, kun Mars on lähimpänä planeettamme. Yleensä käytetään 34 metrin DSN-antenneja, noin 8 tuntia päivässä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että lähetys olisi aina DSN-antennien datasta nähtävissä maksiminopeudella.
On myös mahdollisuus luoda suora yhteys Maan ja Marsin pinnalla olevien laitteiden välille, ohittaen planeetan kiertoradalla olevat luotaimet. Mutta tällaisia yhteyksiä voidaan tehdä vain hätätilanteissa tai lähettää vain yksinkertaisia ohjauskomentoja. Tällaiset rajoitukset johtuvat siitä, että signaalin kaistanleveys Marsiin planeetan kiertoradalta on 3-4 kertaa suurempi kuin suoralla lähetyksellä Maasta Marsin pinnalle. X-kaistalla toimivia antenneja käytetään tällaiseen viestintään sekä maan päällä että mönkijässä.
Mutta myös viestinnässä on katkoksia, joihin emme nykyään voi vaikuttaa. Niiden syy on aurinko. Aurinko itse voi häiritä sen lähellä kulkevien luotainten tiedonsiirtoa, koska Punainen planeetta yksinkertaisesti piiloutuu meiltä aika ajoin. Ja koska meillä ei vielä ole hyvin kehittynyttä viestintäverkkoa aurinkokunnassa, Marsilla kestää noin 10 päivää liukua aurinkolevyn ohi joka toinen vuosi. Tänä aikana viestintä rovereiden ja luotainten kanssa on täysin poissa.
Joskus ei ole muuta ulospääsyä, sinun on työskenneltävä lujasti ja odotettava tietoja päiviä tai jopa kuukausia
Onneksi Mars-lentojen tapauksessa tutkijoilla ei ole toistaiseksi ollut tällaisia ongelmia. Mutta jos joku teistä muistaa 1990-luvun Galileo-luotaimen, tiedätte, että silloin maan hallinnassa oli suuria ongelmia. Anturin lähetysantenni oli vain osittain käytössä, joten se ei kyennyt saavuttamaan suunniteltua 134 kbps:n kaistanleveyttä. Tutkijoiden oli kehitettävä uusia tiedonpakkausmenetelmiä, jotta ne eivät menettäisi yhteyttä luotain. He pystyivät kasvattamaan toisen matalan vahvistuksen antennin suorituskyvyn 8-16 bps:stä (kyllä, bittiä sekunnissa) 160 bps:iin ja sitten noin 1 kbit/s:iin. Se oli vielä hyvin vähän, mutta se osoittautui riittäväksi pelastaakseen tehtävän.
Toisaalta hyvin kaukana olevat avaruusalukset on varustettava erittäin tehokkailla lähetysantenneilla ja virtalähteillä, koska lähetys kestää kauan. New Horizons -luotaimelta, jonka lähetysantennin teho on 12 W, sen jälkeen, kun se oli lentänyt lähellä Plutoa, tutkijat odottivat kuukausia täydellistä lähetettyä datasarjaa.
Voidaanko tämä ongelma ratkaista? Kyllä, se on mahdollista, mutta tätä varten meidän on rakennettava viestintäverkkoja koko aurinkokunnassa, mutta tämä vaatii paljon aikaa ja tietysti valtavia taloudellisia infuusioita.
Mitä voimme odottaa seuraavaksi?
Olen varma, että paljon mielenkiintoista tietoa odottaa meitä Marsin pinnalta ja sen ulkopuolella. Ihmiskunta on innokas murtautumaan maasta ja tutkimaan kaukaisia planeettoja ja muita aurinkojärjestelmiä. Ehkä muutaman vuosikymmenen kuluttua tämä artikkelini saa hymyilemään vain koululaisia Marsissa tai jossain Alpha Centaurissa. Ehkä sitten ihmiskunta lentää muille planeetoille yhtä helposti ja yksinkertaisesti kuin olemme nyt Kiovasta New Yorkiin. Olen varma yhdestä asiasta, on mahdotonta pysäyttää ihmiskunnan halua tutkia avaruutta!
Mielenkiintoista myös:
