Saya yakin banyak dari Anda telah mendengar atau membaca tentang yang baru-baru ini Ketekunan mendarat di Mars, dan segera Planet Merah sudah menunggu Harapan Arab dan Tianwen-1 Cina. Saya bertanya-tanya bagaimana semua probe ini mengirimkan data penelitian mereka ke Bumi? Komunikasi antariksa akan dibahas hari ini.
Penerbangan ke planet lain selalu menjadi impian umat manusia. Banyak film layar lebar dan dokumenter telah dibuat tentang topik ini, yang menceritakan hampir secara rinci bagaimana proses penerbangan itu sendiri terjadi, bagaimana perasaan atau perasaan awak, apa yang harus dilakukan dalam lingkungan seperti itu.
Baru-baru ini, seluruh dunia menyaksikan dengan gembira saat penjelajah Perseverance mendarat di permukaan Planet Merah dan mengambil gambar pertama setelah mendarat. Kami sudah memiliki foto pertama dari rover, yang, saya ingatkan Anda, mendarat di Mars pada 18 Februari 2021, serta foto pertama perangkat itu sendiri.
Ini adalah foto teknis yang diambil segera setelah mendarat, foto roda, serta foto rover itu sendiri saat mendarat, yang diambil oleh kamera yang dipasang pada modul roket.
Tapi saya selalu mendapati diri saya berpikir, bagaimana mereka bisa terhubung ke Bumi dengan begitu cepat dan mengirimkan rekamannya? Saya bertanya-tanya apakah ini benar atau fiksi ilmiah. Hari ini saya akan mencoba membagikan pemikiran saya tentang topik ini.
Baca juga: Apa yang akan dilakukan Ketekunan dan Kecerdikan di Mars?
Seberapa jauh Mars, dan apa artinya?
Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa Mars, tergantung pada musim, berjarak sekitar 55 hingga 401 juta kilometer dari Bumi. Di sini semuanya tergantung pada kebetulan rotasi orbit, termasuk mengelilingi Matahari. Dan karena bentuk komunikasi tercepat adalah gelombang elektromagnetik, waktu yang diperlukan untuk mengirim informasi ke Planet Merah akan ditentukan oleh kecepatan cahaya. Artinya, jika kita ingin mengirim perintah ke penjelajah atau penyelidikan semacam itu, atau menerima data, kita harus menunggu sebentar.
Mesin tidak dapat memengaruhi penundaan sinyal dengan cara yang sama seperti yang dapat dilakukan manusia, sehingga penundaan dapat mencapai 60 ms. Dan selama ini, sinyal radio akan menempuh jarak sekitar 18 kilometer. Dalam kasus kendaraan luar angkasa, sisi negatif dari fenomena ini adalah ketidakmungkinan untuk mengendalikannya secara real time. Satu-satunya yang tersisa adalah transisi ke operasi otonom, dan ini berlaku untuk Ketekunan itu sendiri dan mungkin bahkan lebih untuk helikopter Ingenuity, yang akan memulai misi 000 hari dalam beberapa lusin hari ke depan. Artinya, dari permukaan Mars kami menerima sinyal dengan penundaan yang signifikan, tetapi perangkat modern hampir meminimalkannya. Ya, itu membuat kami kehilangan kesempatan untuk mengontrol perangkat dari Bumi, tetapi itu memberi dorongan untuk pengembangan otomatisasi yang lebih besar dari perangkat tersebut.
Baca juga: 10 fakta teratas tentang lubang hitam besar yang ditemukan pada tahun 2020
Bagaimana komunikasi langsung antara Bumi dan misi yang beroperasi di Mars
Saya yakin pertanyaan ini menarik bagi hampir semua orang yang mengikuti misi serupa. Jadi, untuk ini, jaringan teleskop radio yang disebut Deep Space Network (DSN) dibuat, yang merupakan bagian dari struktur yang lebih besar yang disebut SCaN (Komunikasi dan Navigasi Luar Angkasa).
Pusat ini menghubungkan semua pemancar dan penerima di Bumi yang digunakan untuk berkomunikasi dengan pesawat ruang angkasa dan astronot di luar angkasa. DSN dikendalikan oleh Jet Propulsion Laboratory NASA.
Teleskop radio, yang terbesar dengan diameter hingga 70 meter, terletak di dekat Madrid di Spanyol, Canberra di Australia, dan Goldstone di Gurun Mojave di Amerika Serikat. Pengaturan ini di berbagai titik di permukaan bumi meminimalkan risiko gangguan komunikasi dan memungkinkan untuk meningkatkan kecepatan penerimaan dan transmisi sinyal.
Sangat menarik bahwa Cina, untuk menjadi independen dari jaringan lain, membangun teleskop radionya sendiri, juga berukuran sekitar 70 m, yang dengannya ia berkomunikasi dengan Tianwen-1. Antara lain, gambar pertama planet ini diambil dari orbit ini.
Baca juga: Apa yang bisa mencegah kita menjajah Mars?
Ada perbedaan besar antara keluaran dan daya sinyal yang diterima
Sekarang mari kita beralih ke kemampuan teknis pemancar ini. Ada juga banyak hal menarik di sini. Jadi kita tahu bahwa pemancar yang dipasang pada antena ini dan ditujukan untuk objek luar angkasa memiliki daya dari 20 kW di pita-X (frekuensi dari 8 hingga sekitar 12 GHz) hingga 400 kW (tetapi harus diingat bahwa penggunaan daya lebih dari 100 kW memerlukan penyesuaian tergantung pada komposisi udara dan manajemen lalu lintas) di S-band (frekuensi sekitar 2 hingga 4 GHz, yaitu mirip dengan Wi-Fi rumah atau beberapa jaringan seluler). Sebagai perbandingan, kekuatan pemancar stasiun pangkalan 5G terkuat adalah 120 watt, tetapi biasanya jauh lebih rendah dan pancaran sinarnya dibentuk berbeda dari pada transmisi ke pesawat ruang angkasa.
Saat menerima sinyal, antena terbesar dari jaringan DSN mampu menangkap sinar dengan kekuatan urutan 10-18 W. Kekuatan seperti itu, misalnya, memiliki sinyal dari Voyager 2. Sinyal dari Mars juga mendekati urutan ini, mengingat jarak dan sumber energi terbatas dari probe.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) memiliki dua penguat sinyal 100 watt untuk setiap X-band, dengan satu cadangan jika salah satu yang utama gagal. Ini juga memiliki pemancar eksperimental yang beroperasi di pita Ka (frekuensi dalam kisaran 26-40 GHz) yang mentransmisikan pada 35 watt, tetapi hanya untuk tujuan pengujian.
halaman DSN dengan jelas menunjukkan kepada siapa atau dari siapa data sedang dikirim atau diterima. Antara lain, setelah mengklik pintasan yang menunjukkan misi, kita dapat melihat data tambahan. Rover Perseverance disebut M20, dan datanya sebagian besar berasal dari MRO.
Baca juga: Ruang di komputer Anda: 5 program terbaik untuk astronomi
Semakin jauh ke luar angkasa, semakin lambat sinyalnya
DSN juga berkomunikasi dengan probe lain, tetapi Anda tahu semakin jauh mereka dari Bumi, semakin lambat kecepatan datanya. Banyak juga tergantung pada kekuatan pemancar pada pesawat ruang angkasa tertentu. Voyager 1, yang terjauh dari Bumi, mentransmisikan data pada 160 bps, hanya sedikit lebih cepat dari modem pertama tahun 1950-an. Untuk membuka situs web root-nation.com dengan teks ini dari jarak seperti itu, Anda harus menunggu lebih dari sehari.
Sebaliknya, sinyal yang mencapai probe dari Bumi jauh lebih kuat, tetapi antena Voyager 1 hanya berdiameter 3,7 meter, yang tentu saja membuat penerimaan sinyal jauh lebih lemah daripada antena 70 meter.
Baca juga: Parker Solar Probe menunjukkan sisi malam Venus
Berapa banyak data yang ditransmisikan oleh penjelajah atau penjelajah Mars selama misinya?
Misi Mars biasanya memakan waktu dua tahun dasar ditambah durasi misi yang diperpanjang, dan dapat berlangsung lebih dari satu dekade. Probe dan instrumen yang melakukan pengamatan visual membutuhkan bandwidth paling banyak karena foto setidaknya memiliki megabyte data. Sinyal dapat berisi lebih banyak data numerik yang mencirikan pengukuran lain, parameter atmosfer, medan magnet, suhu, dll. Oleh karena itu, waktunya tepat untuk wahana antariksa. Mereka tidak menyiarkan terlalu cepat, tetapi mereka melakukannya terus-menerus selama bertahun-tahun.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), yang telah memotret Mars sejak 2005, telah mengambil lebih dari 50 orbit di sekitar planet dan lebih dari 000 foto yang mencakup 90% permukaan planet (per 000). Selain itu, ia mentransmisikan siaran dan gambar dari penjelajah Mars. Misalnya, Curiosity telah mengambil hampir satu juta foto mentah (tidak semuanya berubah menjadi gambar yang kami kagumi). Jumlah data yang dikumpulkan di Bumi dari MRO mendekati 99 petabyte (perkiraan data pada awal 2017).
Namun, MRO adalah misi berorientasi foto dan data. Sebagai perbandingan, wahana Cassini, yang telah mempelajari Saturnus dan bulan-bulannya selama beberapa tahun, hanya mengirim 635 GB data kembali ke Bumi, termasuk 453 foto. Pada gilirannya, penjelajah Opportunity, yang berkeliling Mars selama 15 tahun, mengirim lebih dari 2018 foto kembali ke Bumi pada 225 (tak lama setelah kami kehilangan kontak dengannya selamanya).
Jumlah data yang dikirim ke Mars jauh lebih kecil. Karena ini terutama perintah dan konfirmasi pelaksanaannya, atau perbaikan perangkat lunak (yang paling penting), mereka bahkan tidak memerlukan pemancar yang sangat kuat untuk mengirimkannya.
Baca juga: Diketahui ketika oksigen atmosfer bumi akan habis
Bagaimana probe atau rover "berbicara" dengan Bumi?
Kita sudah tahu bagaimana data dari Mars diterima di Bumi, tetapi bagaimana komunikasi dimulai dari perangkat di Planet Merah? Probe yang berada di orbit memiliki kondisi yang lebih menguntungkan untuk berkomunikasi dengan Bumi dan mengirim data dalam jumlah besar. Untuk komunikasi seperti itu, pita X yang paling sering disebutkan digunakan. Penjelajah Perseverance, seperti Curiosity, menggunakan dua pemancar (daya rendah dan tinggi) yang beroperasi pada pita ini untuk komunikasi.
Dengan bantuan mereka, rover dapat secara mandiri "memanggil" rumah, tetapi kecepatan transfer data dari pemancar yang kuat adalah maksimum 800 bps ketika sinyal diterima oleh antena 70 meter, atau 160 bps ketika itu adalah 34 meter. antena. Pemancar berdaya rendah hanya merupakan pilihan terakhir karena hanya memiliki saluran 10-bit untuk transmisi dan saluran 30-bit untuk menerima data.
Oleh karena itu, hari ini penjelajah Curiosity dan Perserance biasanya pertama kali terhubung dalam rentang UHF ke "stasiun pangkalan" mereka di orbit Mars - probe yang memiliki antena pemancar yang jauh lebih besar. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey dan European Mars Express dan TGO (Trace Gas Orbiter) digunakan untuk ini. Mereka membentuk jaringan yang disebut MRN (Mars Relay Network).
Sebelum jaringan relai semacam itu didirikan, pesawat ruang angkasa seperti Viking 1 dan 2 harus bergantung pada orbit pendamping. Untuk komunikasi langsung dengan Bumi, pemancar 20 W dan pita S digunakan, komunikasi dilakukan pada frekuensi 381 MHz (pita UHF), mirip dengan penjelajah saat ini.
Baca juga: Crew Dragon bukan satu-satunya: kapal mana yang akan pergi ke luar angkasa di tahun-tahun mendatang
Berapa kecepatan maksimum komunikasi Mars-Bumi?
Ada banyak nuansa di sini. Jadi, Perserance pertama-tama mengirimkan gambar dan data lainnya ke probe yang mengorbit pada 400 MHz menggunakan antena yang terletak di bagian belakang rover, di sebelah layar generator termoelektrik radioisotop. Bandwidth jalur komunikasi dari permukaan ke orbit Planet Merah hingga 2 Mbit/s. Efisiensi koneksi dengan orbit Mars tergantung pada jaraknya dari Bumi, dan ini, seperti yang Anda tahu, sangat bervariasi.
Kecepatan koneksi maksimum bervariasi dari 500 kbps saat Mars terjauh dari Bumi hingga lebih dari 3 Mbps saat Mars paling dekat dengan planet kita. Biasanya antena DSN 34m digunakan, selama sekitar 8 jam sehari. Namun, ini tidak berarti bahwa transmisi selalu pada kecepatan maksimum yang dapat dilihat dari data antena DSN.
Ada juga peluang untuk membuat koneksi langsung antara Bumi dan perangkat yang ada di permukaan Mars, melewati probe yang ada di orbit planet. Tetapi koneksi seperti itu hanya dapat dibuat dalam situasi darurat atau hanya untuk mengirim perintah kontrol sederhana. Keterbatasan tersebut disebabkan oleh fakta bahwa bandwidth sinyal ke Mars dari orbit planet adalah 3-4 kali lebih besar daripada dengan transmisi langsung dari Bumi ke permukaan Mars. Antena yang beroperasi di pita X digunakan untuk komunikasi semacam itu, baik di Bumi maupun di rover.
Tetapi ada juga gangguan dalam komunikasi, yang tidak dapat kita pengaruhi hari ini. Penyebab mereka adalah Matahari. Matahari sendiri dapat mengganggu transmisi data dari probe yang lewat di dekatnya, karena Planet Merah hanya bersembunyi dari kita dari waktu ke waktu. Dan karena kita belum memiliki jaringan komunikasi yang berkembang dengan baik di tata surya, Mars membutuhkan waktu sekitar 10 hari untuk melewati piringan matahari setiap dua tahun. Selama periode inilah komunikasi dengan rover dan probe sama sekali tidak ada.
Terkadang tidak ada jalan keluar lain, Anda harus bekerja keras dan menunggu data berhari-hari bahkan berbulan-bulan
Untungnya, dalam kasus misi Mars, para ilmuwan sejauh ini tidak memiliki masalah seperti itu. Tetapi jika ada di antara Anda yang ingat penyelidikan Galileo tahun 1990-an, Anda tahu bahwa ada masalah besar dengan kontrol darat saat itu. Antena pemancar probe hanya digunakan sebagian, sehingga tidak dapat mencapai bandwidth yang diinginkan sebesar 134 kbps. Para ilmuwan harus mengembangkan metode kompresi data baru agar tidak kehilangan kontak dengan probe. Mereka mampu meningkatkan kinerja antena gain rendah kedua dari 8-16 bps (ya, bit per detik) menjadi 160 bps dan kemudian menjadi sekitar 1 kbit/s. Itu masih sangat sedikit, tetapi ternyata cukup untuk menyelamatkan misi.
Di sisi lain, pesawat ruang angkasa yang sangat jauh harus dilengkapi dengan antena pemancar dan sumber daya yang sangat kuat karena transmisi membutuhkan waktu yang lama. Dari probe New Horizons, yang antena pemancarnya memiliki kekuatan 12 W, setelah terbang melintas di dekat Pluto, para ilmuwan menunggu berbulan-bulan untuk satu set lengkap data yang ditransmisikan.
Bisakah masalah ini diselesaikan? Ya, itu mungkin, tetapi untuk ini kita perlu membangun jaringan komunikasi di seluruh tata surya, tetapi ini membutuhkan banyak waktu, dan, tentu saja, suntikan keuangan yang besar.
Apa yang bisa kita harapkan selanjutnya?
Saya yakin banyak informasi menarik menunggu kita dari permukaan Mars dan sekitarnya. Umat manusia sangat ingin keluar dari Bumi dan menjelajahi planet-planet yang jauh dan tata surya lainnya. Mungkin, dalam beberapa dekade, artikel saya ini hanya akan membuat anak sekolah di Mars atau di suatu tempat di Alpha Centauri tersenyum. Mungkin saat itu umat manusia akan terbang ke planet lain dengan mudah dan sederhana seperti kita sekarang dari Kyiv ke New York. Saya yakin satu hal, tidak mungkin menghentikan keinginan manusia untuk menjelajahi luar angkasa!
Juga menarik:
