Sono sicuro che molti di voi hanno sentito o letto di quello recente La perseveranza in atterraggio su Marte, e presto il Pianeta Rosso sta già aspettando l'Arabian Hope e il cinese Tianwen-1. Mi chiedo come tutte queste sonde trasmettano i dati delle loro ricerche sulla Terra? La comunicazione spaziale sarà discussa oggi.
I voli verso altri pianeti sono sempre stati un sogno dell'umanità. Molti lungometraggi e documentari sono stati girati su questo argomento, che raccontano quasi in dettaglio come avviene il processo di volo stesso, come si sentiranno o si sentiranno i membri dell'equipaggio, cosa dovrebbe essere fatto in un tale ambiente.
Di recente, il mondo intero ha assistito con gioia al rover Perseverance atterrato sulla superficie del Pianeta Rosso e ha scattato le prime foto dopo l'atterraggio. Abbiamo già le prime foto del rover, che, vi ricordo, è atterrato su Marte il 18 febbraio 2021, così come la prima foto del dispositivo stesso.
Si tratta di foto tecniche scattate subito dopo l'atterraggio, foto delle ruote, nonché una foto del rover stesso durante l'atterraggio, che è stata scattata dalle telecamere montate sul modulo del razzo.
Ma mi sono sempre sorpreso a pensare, come fanno a connettersi alla Terra così rapidamente e trasmettere il filmato? Mi chiedevo se fosse vero o fantascienza. Oggi cercherò di condividere i miei pensieri su questo argomento.
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Quanto dista Marte e cosa significa?
Lascia che ti ricordi che Marte, a seconda della stagione, si trova a circa 55-401 milioni di chilometri dalla Terra. Qui tutto dipende dalla coincidenza delle orbite di rotazione, anche attorno al Sole. E poiché la forma di comunicazione più veloce sono le onde elettromagnetiche, il tempo necessario per inviare informazioni al Pianeta Rosso sarà determinato dalla velocità della luce. Cioè, se vogliamo inviare un comando a un tale rover o sonda o ricevere dati, dovremo aspettare un po '.
Le macchine non possono influenzare i ritardi del segnale allo stesso modo degli esseri umani, quindi il ritardo può arrivare fino a 60 ms. E durante questo periodo, il segnale radio percorrerà circa 18 chilometri. Nel caso dei veicoli spaziali, il lato negativo di questo fenomeno è l'impossibilità di controllarli in tempo reale. L'unica cosa che resta è il passaggio al funzionamento autonomo, e questo vale per la stessa Perseverance e probabilmente ancor di più per l'elicottero Ingenuity, che dovrebbe iniziare la sua missione di 000 giorni nelle prossime decine di giorni. Cioè, dalla superficie di Marte riceviamo un segnale con un ritardo significativo, ma i dispositivi moderni lo hanno quasi ridotto al minimo. Sì, ci ha privato dell'opportunità di controllare i dispositivi dalla Terra, ma ha dato impulso allo sviluppo di un'automazione ancora maggiore di tali dispositivi.
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Com'è la comunicazione diretta tra la Terra e le missioni operanti su Marte
Sono sicuro che questa domanda interessa quasi tutti coloro che seguono missioni simili. Per questo, quindi, è stata creata una rete di radiotelescopi chiamata Deep Space Network (DSN), che fa parte di una struttura ancora più ampia chiamata SCaN (Space Communication and Navigation).
Questo centro collega tutti i trasmettitori e ricevitori sulla Terra utilizzati per comunicare con i veicoli spaziali e gli astronauti nello spazio. Il DSN è controllato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA.
I radiotelescopi, il più grande dei quali ha un diametro fino a 70 metri, si trovano vicino a Madrid in Spagna, Canberra in Australia e Goldstone nel deserto del Mojave negli Stati Uniti. Questa disposizione in vari punti della superficie terrestre riduce al minimo il rischio di interruzioni della comunicazione e consente di aumentare la velocità di ricezione e trasmissione del segnale.
È interessante notare che la Cina, per rendersi indipendente dalle altre reti, abbia costruito un proprio radiotelescopio, anch'esso di circa 70 m, con il quale comunica con Tianwen-1. Tra le altre, da questa orbita sono state scattate le prime immagini del pianeta.
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C'è un'enorme differenza tra la potenza del segnale in uscita e quella ricevuta
Passiamo ora alle capacità tecniche di questi trasmettitori. Ci sono anche molte cose interessanti qui. Sappiamo quindi che i trasmettitori montati su queste antenne e puntati su oggetti spaziali hanno potenze da 20 kW in banda X (frequenze da 8 a circa 12 GHz) a 400 kW (ma va ricordato che l'utilizzo di potenza oltre 100 kW richiede adeguamenti in base alla composizione dell'aria e alla gestione del traffico) in banda S (frequenze comprese tra 2 e 4 GHz, ovvero simili al Wi-Fi domestico o ad alcune reti mobili). In confronto, la potenza dei più potenti trasmettitori della stazione base 5G è di 120 watt, ma di solito è molto più bassa e il raggio è formato in modo diverso rispetto al caso delle trasmissioni ai veicoli spaziali.
Quando si riceve un segnale, le antenne più grandi della rete DSN sono in grado di catturare un raggio con una potenza dell'ordine di 10-18 W. Tale potenza, ad esempio, ha il segnale del Voyager 2. Anche i segnali da Marte sono approssimativamente di questo ordine, data la distanza e le limitate risorse energetiche delle sonde.
Il Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ha due amplificatori di segnale da 100 watt per ciascuna banda X, con un backup se uno dei principali si guasta. Dispone inoltre di un trasmettitore sperimentale operante nella banda Ka (frequenze nella gamma 26-40 GHz) che trasmette a 35 watt, ma solo a scopo di test.
Pagina DSN mostra chiaramente a chi o da chi i dati vengono attualmente inviati o ricevuti. Tra l'altro, dopo aver cliccato sulla scorciatoia che indica la missione, possiamo vedere dei dati aggiuntivi. Il rover Perseverance si chiama in breve M20 e i dati provengono principalmente da MRO.
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Più ci si allontana nello spazio, più lento è il segnale
DSN comunica anche con altre sonde, ma sai che più sono lontane dalla Terra, più lenta è la velocità dei dati. Molto dipende anche dalla potenza del trasmettitore su un determinato veicolo spaziale. Il Voyager 1, il più lontano dalla Terra, trasmette dati a 160 bps, solo leggermente più veloce dei primi modem degli anni '1950. Per aprire un sito web root-nation.com con questo testo da una tale distanza, dovrai aspettare più di un giorno.
A sua volta, il segnale che raggiunge la sonda dalla Terra è molto più forte, ma l'antenna del Voyager 1 ha un diametro di soli 3,7 metri, il che, ovviamente, rende la ricezione del segnale molto più debole che se fosse un'antenna di 70 metri.
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Quanti dati trasmette una sonda o un rover marziano durante la sua missione?
Le missioni su Marte in genere richiedono due anni base più la durata di una missione estesa e possono durare più di un decennio. Le sonde e gli strumenti che eseguono osservazioni visive richiedono la massima larghezza di banda perché le fotografie sono almeno megabyte di dati. Il segnale può contenere molti più dati numerici che caratterizzano altre misurazioni, parametri dell'atmosfera, campo magnetico, temperatura, ecc. Pertanto, il momento è giusto a favore delle sonde spaziali. Non trasmettono troppo velocemente, ma lo fanno costantemente per anni.
Il Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), che fotografa Marte dal 2005, ha già effettuato più di 50 orbite attorno al pianeta e più di 000 foto che coprono il 90% della superficie del pianeta (a partire dal 000). Inoltre, trasmette trasmissioni e immagini dai rover marziani. Ad esempio, Curiosity ha già scattato quasi un milione di foto raw (non tutte si sono trasformate in immagini che ammiriamo). La quantità di dati raccolti sulla Terra da MRO si avvicina a 99 petabyte (dati stimati all'inizio del 2017).
Tuttavia, MRO è una missione orientata alla foto e ai dati. In confronto, la sonda Cassini, che studia Saturno e le sue lune da diversi anni, ha inviato sulla Terra solo 635 GB di dati, che includevano 453 foto. A sua volta, il rover Opportunity, che ha viaggiato intorno a Marte per 15 anni, ha inviato più di 2018 foto sulla Terra entro il 225 (poco dopo aver perso per sempre il contatto con essa).
La quantità di dati inviati su Marte è molto più piccola. Trattandosi principalmente di comandi e conferme della loro esecuzione, o correzioni software (che sono le più importanti), non necessitano di trasmettitori nemmeno molto potenti per trasmetterli.
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In che modo una sonda o un rover "parlano" con la Terra?
Sappiamo già come vengono ricevuti i dati da Marte sulla Terra, ma come viene avviata la comunicazione dai dispositivi sul Pianeta Rosso? Le sonde in orbita hanno condizioni più favorevoli per comunicare con la Terra e inviare grandi quantità di dati. Per tale comunicazione viene utilizzata la banda X più citata.Il rover Perseverance, come Curiosity, utilizza due trasmettitori (bassa e alta potenza) che operano su questa banda per la comunicazione.
Con il loro aiuto, il rover può "chiamare" casa in modo indipendente, ma la velocità di trasferimento dati dal potente trasmettitore è al massimo di 800 bps quando il segnale viene ricevuto da un'antenna di 70 metri, o di 160 bps quando si tratta di un'antenna di 34 metri antenna. Un trasmettitore a bassa potenza è solo l'ultima risorsa perché ha solo un canale a 10 bit per la trasmissione e un canale a 30 bit per la ricezione dei dati.
Pertanto, oggi i rover Curiosity e Perserance di solito si collegano per la prima volta nella gamma UHF alla loro "stazione base" nell'orbita di Marte, sonde che hanno antenne di trasmissione molto più grandi. Per questo vengono utilizzati MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile Evolution), Mars Odyssey e European Mars Express e TGO (Trace Gas Orbiter). Formano una rete chiamata MRN (Mars Relay Network).
Prima che fosse stabilita una tale rete di collegamenti, i veicoli spaziali come Viking 1 e 2 dovevano fare affidamento su orbite complementari. Per la comunicazione diretta con la Terra sono stati utilizzati trasmettitori da 20 W e banda S, la comunicazione è stata effettuata ad una frequenza di 381 MHz (banda UHF), simile ai rover odierni.
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Qual è la velocità massima di comunicazione Marte-Terra?
Ci sono molte sfumature qui. Quindi, Perserance invia prima immagini e altri dati alle sonde orbitanti a 400 MHz utilizzando un'antenna situata sul retro del rover, accanto allo schermo del generatore termoelettrico di radioisotopi. La larghezza di banda della linea di comunicazione dalla superficie all'orbita del Pianeta Rosso è fino a 2 Mbit/s. L'efficienza della connessione con l'orbita di Marte dipende dalla sua distanza dalla Terra, e questo, come sapete, varia ampiamente.
La velocità di connessione massima varia da 500 kbps quando Marte è più lontano dalla Terra a più di 3 Mbps quando Marte è più vicino al nostro pianeta. Solitamente vengono utilizzate antenne DSN da 34 m, per circa 8 ore al giorno. Questo, però, non significa che la trasmissione sia sempre alla massima velocità che si può vedere dai dati delle antenne DSN.
C'è anche l'opportunità di stabilire una connessione diretta tra la Terra e i dispositivi che si trovano sulla superficie di Marte, bypassando le sonde che si trovano nell'orbita del pianeta. Ma tali collegamenti possono essere effettuati solo in situazioni di emergenza o per inviare solo semplici comandi di controllo. Tali limitazioni sono dovute al fatto che la larghezza di banda del segnale a Marte dall'orbita del pianeta è 3-4 volte maggiore rispetto alla trasmissione diretta dalla Terra alla superficie marziana. Per tale comunicazione vengono utilizzate antenne operanti in banda X, sia sulla Terra che sul rover.
Ma ci sono anche interruzioni nella comunicazione, che oggi non possiamo influenzare. La loro causa è il Sole. Il Sole stesso può interferire con la trasmissione di dati dalle sonde che gli passano vicino, perché il Pianeta Rosso si nasconde semplicemente da noi di tanto in tanto. E poiché non abbiamo ancora una rete di comunicazione ben sviluppata nel sistema solare, Marte impiega circa 10 giorni per superare il disco solare ogni due anni. È durante questo periodo che la comunicazione con rover e sonde è completamente assente.
A volte non c'è altra via d'uscita, devi lavorare sodo e aspettare i dati per giorni o addirittura mesi
Fortunatamente, nel caso delle missioni su Marte, gli scienziati finora non hanno avuto tali problemi. Ma se qualcuno di voi ricorda la sonda Galileo degli anni '1990, sa che allora c'erano grossi problemi con il controllo a terra. L'antenna di trasmissione della sonda è stata dispiegata solo parzialmente, quindi non è stata in grado di raggiungere la larghezza di banda prevista di 134 kbps. Gli scienziati hanno dovuto sviluppare nuovi metodi di compressione dei dati per non perdere il contatto con la sonda. Sono stati in grado di aumentare le prestazioni della seconda antenna a basso guadagno da 8-16 bps (sì, bit al secondo) a 160 bps e quindi a circa 1 kbit/s. Era ancora molto poco, ma si è rivelato sufficiente per salvare la missione.
D'altra parte, veicoli spaziali molto distanti devono essere dotati di antenne trasmittenti e fonti di alimentazione molto potenti perché la trasmissione richiede molto tempo. Dalla sonda New Horizons, la cui antenna trasmittente ha una potenza di 12 W, dopo il sorvolo vicino a Plutone, gli scienziati hanno atteso per mesi un set completo di dati trasmessi.
Questo problema può essere risolto? Sì, è possibile, ma per questo abbiamo bisogno di costruire reti di comunicazione in tutto il sistema solare, ma ciò richiede molto tempo e, ovviamente, enormi infusioni finanziarie.
Cosa possiamo aspettarci dopo?
Sono sicuro che molte informazioni interessanti ci stanno aspettando dalla superficie di Marte e oltre. L'umanità è desiderosa di uscire dalla Terra ed esplorare pianeti lontani e altri sistemi solari. Forse, tra qualche decennio, questo mio articolo farà sorridere solo gli scolari su Marte o da qualche parte in Alpha Centauri. Forse allora l'umanità volerà su altri pianeti con la stessa facilità e semplicità con cui lo siamo ora da Kiev a New York. Di una cosa sono sicuro, è impossibile fermare il desiderio dell'umanità di esplorare lo spazio!
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