Je suis sûr que beaucoup d'entre vous ont entendu parler ou lu sur le récent Atterrissage de Persévérance sur Mars, et bientôt la planète rouge attend déjà l'Arabian Hope et le chinois Tianwen-1. Je me demande comment toutes ces sondes transmettent les données de leurs recherches à la Terre ? La communication spatiale sera discutée aujourd'hui.
Les vols vers d'autres planètes ont toujours été un rêve pour l'humanité. De nombreux longs métrages et documentaires ont été tournés sur ce sujet, qui racontent presque en détail comment se déroule le processus de vol lui-même, comment les membres d'équipage se sentent ou se sentiront, ce qu'il faut faire dans un tel environnement.
Récemment, le monde entier a regardé avec ravissement le rover Persévérance atterrir à la surface de la planète rouge et prendre les premières photos après son atterrissage. Nous avons déjà les premières photos du rover, qui, je vous le rappelle, a atterri sur Mars le 18 février 2021, ainsi que la première photo de l'appareil lui-même.
Ce sont des photos techniques prises immédiatement après l'atterrissage, des photos des roues, ainsi qu'une photo du rover lui-même lors de l'atterrissage, qui a été prise par des caméras montées sur le module de fusée.
Mais je me suis toujours surpris à penser, comment font-ils pour se connecter si rapidement à la Terre et transmettre les images ? Je me demandais si c'était vrai ou de la science-fiction ? Aujourd'hui, je vais essayer de partager mes réflexions sur ce sujet.
Lisez aussi: Que feront Persévérance et Ingéniosité sur Mars ?
À quelle distance se trouve Mars et qu'est-ce que cela signifie ?
Permettez-moi de vous rappeler que Mars, selon la saison, se situe à environ 55 à 401 millions de kilomètres de la Terre. Ici tout dépend de la coïncidence des orbites de rotation, y compris autour du Soleil. Et puisque la forme de communication la plus rapide est les ondes électromagnétiques, le temps nécessaire pour envoyer des informations à la planète rouge sera déterminé par la vitesse de la lumière. Autrement dit, si nous voulons envoyer une commande à un tel rover ou sonde, ou recevoir des données, nous devrons attendre un peu.
Les machines ne peuvent pas affecter les retards de signal de la même manière que les humains, de sorte que le retard peut aller jusqu'à 60 ms. Et pendant ce temps, le signal radio parcourra environ 18 000 kilomètres. Dans le cas des véhicules spatiaux, le côté négatif de ce phénomène est l'impossibilité de les contrôler en temps réel. Il ne reste plus qu'à passer au fonctionnement autonome, et cela vaut pour Perseverance lui-même et probablement encore plus pour l'hélicoptère Ingenuity, qui devrait débuter sa mission de 30 jours dans les prochaines dizaines de jours. Autrement dit, de la surface de Mars, nous recevons un signal avec un retard important, mais les appareils modernes l'ont presque minimisé. Oui, cela nous a privés de la possibilité de contrôler des appareils depuis la Terre, mais cela a donné une impulsion au développement d'une automatisation encore plus grande de ces appareils.
Lisez aussi: Top 10 des faits sur les trous noirs massifs découverts en 2020
Comment est la communication directe entre la Terre et les missions opérant sur Mars
Je suis sûr que cette question intéresse presque tous ceux qui suivent des missions similaires. Ainsi, pour cela, un réseau de radiotélescopes appelé Deep Space Network (DSN) a été créé, qui fait partie d'une structure encore plus vaste appelée SCaN (Space Communication and Navigation).
Ce centre connecte tous les émetteurs et récepteurs sur Terre utilisés pour communiquer avec les engins spatiaux et les astronautes dans l'espace. DSN est contrôlé par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA.
Les radiotélescopes, dont les plus grands mesurent jusqu'à 70 mètres de diamètre, sont situés près de Madrid en Espagne, de Canberra en Australie et de Goldstone dans le désert de Mojave aux États-Unis. Cette disposition en différents points de la surface de la Terre minimise les risques d'interruptions de communication et permet d'augmenter la vitesse de réception et de transmission des signaux.
Il est intéressant de noter que la Chine, afin de devenir indépendante des autres réseaux, a construit son propre radiotélescope, également d'environ 70 m, avec lequel il communique avec Tianwen-1. Entre autres, les premières images de la planète ont été prises depuis cette orbite.
Lisez aussi: Qu'est-ce qui peut nous empêcher de coloniser Mars ?
Il y a une énorme différence entre la puissance du signal de sortie et celle reçue
Passons maintenant aux capacités techniques de ces émetteurs. Il y a aussi beaucoup de choses intéressantes ici. On sait donc que les émetteurs montés sur ces antennes et destinés aux objets spatiaux ont une puissance de 20 kW en bande X (fréquences de 8 à 12 GHz environ) à 400 kW (mais il faut rappeler que l'utilisation d'une puissance supérieure à 100 kW nécessite des ajustements en fonction de la composition de l'air et de la gestion du trafic) dans la bande S (fréquences autour de 2 à 4 GHz, c'est-à-dire similaires au Wi-Fi domestique ou à certains réseaux mobiles). En comparaison, la puissance des émetteurs de station de base 5G les plus puissants est de 120 watts, mais elle est généralement beaucoup plus faible et le faisceau est formé différemment que dans le cas des transmissions vers des engins spatiaux.
Lors de la réception d'un signal, les plus grandes antennes du réseau DSN sont capables de capter un faisceau d'une puissance de l'ordre de 10-18 W. Une telle puissance, par exemple, a le signal de Voyager 2. Les signaux de Mars sont également approximativement de cet ordre, compte tenu de la distance et des ressources énergétiques limitées des sondes.
Le Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) dispose de deux amplificateurs de signal de 100 watts pour chaque bande X, avec un secours si l'un des principaux tombe en panne. Il dispose également d'un émetteur expérimental fonctionnant dans la bande Ka (fréquences dans la gamme 26-40 GHz) qui transmet à 35 watts, mais uniquement à des fins de test.
Page DSN indique clairement à qui ou à partir de qui des données sont actuellement envoyées ou reçues. Entre autres choses, après avoir cliqué sur le raccourci indiquant la mission, on peut voir des données supplémentaires. Le rover Persévérance est appelé M20 en abrégé, et les données proviennent principalement de MRO.
Lisez aussi: Espace sur votre ordinateur : 5 meilleurs programmes pour l'astronomie
Plus loin dans l'espace, plus le signal est lent
DSN communique également avec d'autres sondes, mais vous savez que plus elles sont éloignées de la Terre, plus le débit de données est lent. Beaucoup dépend aussi de la puissance de l'émetteur sur un vaisseau spatial donné. Voyager 1, le plus éloigné de la Terre, transmet des données à 160 bps, à peine plus rapide que les premiers modems des années 1950. Pour ouvrir un site Web root-nation.com avec ce texte d'une telle distance, vous devrez attendre plus d'une journée.
À son tour, le signal atteignant la sonde depuis la Terre est beaucoup plus fort, mais l'antenne de Voyager 1 ne mesure que 3,7 mètres de diamètre, ce qui, bien sûr, rend la réception du signal beaucoup plus faible que s'il s'agissait d'une antenne de 70 mètres.
Lisez aussi: Parker Solar Probe a montré le côté nocturne de Vénus
Combien de données une sonde martienne ou un rover transmet-il pendant sa mission ?
Les missions sur Mars prennent généralement deux années de base plus la durée d'une mission prolongée, et peuvent durer plus d'une décennie. Les sondes et les instruments qui effectuent des observations visuelles nécessitent le plus de bande passante car les photographies représentent au moins des mégaoctets de données. Le signal peut contenir beaucoup plus de données numériques caractérisant d'autres mesures, paramètres de l'atmosphère, champ magnétique, température, etc. Par conséquent, le moment est venu en faveur des sondes spatiales. Ils ne diffusent pas trop vite, mais ils le font constamment pendant des années.
Le Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), qui photographie Mars depuis 2005, a déjà effectué plus de 50 000 orbites autour de la planète et plus de 90 000 photos couvrant 99 % de la surface de la planète (en 2017). De plus, il transmet les émissions et les images des rovers martiens. Par exemple, Curiosity a déjà pris près d'un million de photos brutes (pas toutes transformées en images que nous admirons). La quantité de données collectées sur Terre à partir de MRO approche les 0,5 pétaoctets (données estimées au début de 2021).
Cependant, le MRO est une mission orientée photo et data. En comparaison, la sonde Cassini, qui étudie Saturne et ses lunes depuis plusieurs années, n'a renvoyé que 635 Go de données sur Terre, dont 453 000 photos. À son tour, le rover Opportunity, qui a voyagé autour de Mars pendant 15 ans, a renvoyé plus de 2018 225 photos sur Terre en 000 (peu de temps après que nous ayons perdu le contact avec elle pour toujours).
La quantité de données envoyées à Mars est beaucoup plus petite. Comme il s'agit principalement de commandes et de confirmations de leur exécution, ou de correctifs logiciels (qui sont les plus importants), ils ne nécessitent pas d'émetteurs même très puissants pour les transmettre.
Lisez aussi: Il est devenu connu quand l'oxygène atmosphérique de la Terre s'épuisera
Comment une sonde ou un rover « parle-t-il » à la Terre ?
Nous savons déjà comment les données de Mars sont reçues sur Terre, mais comment la communication est-elle initiée à partir d'appareils sur la planète rouge ? Les sondes en orbite ont des conditions plus favorables pour communiquer avec la Terre et envoyer de grandes quantités de données. Pour une telle communication, on utilise la bande X la plus fréquemment mentionnée.Le rover Persévérance, comme Curiosity, utilise deux émetteurs (faible et haute puissance) fonctionnant sur cette bande pour la communication.
Avec leur aide, le rover peut "appeler" indépendamment la maison, mais le taux de transfert de données du puissant émetteur est de 800 bps maximum lorsque le signal est reçu par une antenne de 70 mètres, ou de 160 bps lorsqu'il s'agit d'une antenne de 34 mètres. antenne. Un émetteur de faible puissance n'est qu'un dernier recours car il ne dispose que d'un canal 10 bits pour la transmission et d'un canal 30 bits pour la réception des données.
Par conséquent, aujourd'hui, les rovers Curiosity et Perserance se connectent généralement d'abord dans la gamme UHF à leur "station de base" en orbite martienne - des sondes qui ont des antennes de transmission beaucoup plus grandes. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey et European Mars Express et TGO (Trace Gas Orbiter) sont utilisés pour cela. Ils forment un réseau appelé MRN (Mars Relay Network).
Avant l'établissement d'un tel réseau de relais, les engins spatiaux tels que Viking 1 et 2 devaient s'appuyer sur des orbites compagnons. Pour la communication directe avec la Terre, des émetteurs de 20 W et la bande S ont été utilisés, la communication a été effectuée à une fréquence de 381 MHz (bande UHF), similaire aux rovers actuels.
Lisez aussi: Crew Dragon n'est pas le seul: quels navires iront dans l'espace dans les années à venir
Quelle est la vitesse maximale de communication Mars-Terre ?
Il y a beaucoup de nuances ici. Ainsi, Perserance envoie d'abord des images et d'autres données aux sondes en orbite à 400 MHz à l'aide d'une antenne située à l'arrière du rover, à côté de l'écran du générateur thermoélectrique à radio-isotopes. La bande passante de la ligne de communication de la surface à l'orbite de la planète rouge est jusqu'à 2 Mbit/s. L'efficacité de la connexion avec l'orbite de Mars dépend de sa distance à la Terre, et celle-ci, comme vous le savez, varie considérablement.
La vitesse de connexion maximale varie de 500 kbps lorsque Mars est le plus éloigné de la Terre à plus de 3 Mbps lorsque Mars est le plus proche de notre planète. Habituellement, des antennes DSN de 34 m sont utilisées, pendant environ 8 heures par jour. Cela ne signifie toutefois pas que la transmission se fait toujours à la vitesse maximale visible à partir des données des antennes DSN.
Il est également possible d'établir une connexion directe entre la Terre et les appareils qui se trouvent à la surface de Mars, en contournant les sondes qui se trouvent sur l'orbite de la planète. Mais de telles connexions ne peuvent être établies que dans des situations d'urgence ou pour envoyer uniquement des commandes de contrôle simples. Ces limitations sont dues au fait que la bande passante du signal vers Mars depuis l'orbite de la planète est 3 à 4 fois supérieure à celle d'une transmission directe de la Terre à la surface martienne. Des antennes fonctionnant dans la bande X sont utilisées pour ces communications, à la fois sur Terre et sur le rover.
Mais il y a aussi des interruptions dans la communication, que nous ne pouvons pas influencer aujourd'hui. Leur cause est le Soleil. Le Soleil lui-même peut interférer avec la transmission des données des sondes passant à proximité, car la planète rouge se cache simplement de nous de temps en temps. Et comme nous n'avons pas encore de réseau de communication bien développé dans le système solaire, Mars met environ 10 jours pour passer devant le disque solaire tous les deux ans. C'est durant cette période que la communication avec les rovers et les sondes est totalement absente.
Parfois, il n'y a pas d'autre issue, vous devez travailler dur et attendre des données pendant des jours, voire des mois
Heureusement, dans le cas des missions sur Mars, les scientifiques n'ont pas eu de tels problèmes jusqu'à présent. Mais si l'un d'entre vous se souvient de la sonde Galileo des années 1990, vous savez qu'il y avait alors de gros problèmes de contrôle au sol. L'antenne d'émission de la sonde n'a été que partiellement déployée, elle n'a donc pas pu atteindre la bande passante prévue de 134 kbps. Les scientifiques ont dû développer de nouvelles méthodes de compression des données afin de ne pas perdre le contact avec la sonde. Ils ont pu augmenter les performances de la deuxième antenne à faible gain de 8-16 bps (oui, bits par seconde) à 160 bps, puis à environ 1 kbit/s. C'était encore très peu, mais cela s'est avéré suffisant pour sauver la mission.
D'autre part, les engins spatiaux très éloignés doivent être équipés d'antennes d'émission et de sources d'énergie très puissantes car la transmission prend beaucoup de temps. Depuis la sonde New Horizons, dont l'antenne d'émission a une puissance de 12 W, après son survol près de Pluton, les scientifiques ont attendu pendant des mois un ensemble complet de données transmises.
Ce problème peut-il être résolu ? Oui, c'est possible, mais pour cela, nous devons construire des réseaux de communication dans tout le système solaire, mais cela demande beaucoup de temps et, bien sûr, d'énormes injections financières.
À quoi pouvons-nous nous attendre ensuite ?
Je suis sûr que beaucoup d'informations intéressantes nous attendent depuis la surface de Mars et au-delà. L'humanité est impatiente de sortir de la Terre et d'explorer des planètes lointaines et d'autres systèmes solaires. Peut-être que, dans quelques décennies, mon article ne fera sourire que des écoliers sur Mars ou quelque part dans Alpha du Centaure. Peut-être alors l'humanité s'envolera-t-elle vers d'autres planètes aussi facilement et simplement que nous le sommes maintenant de Kyiv à New York. Je suis sûr d'une chose, il est impossible d'arrêter le désir de l'humanité d'explorer l'espace !
Intéressant aussi :
