あなたの多くは最近のものについて聞いたり読んだりしたと思います 火星への忍耐の着陸、そしてすぐに赤い惑星はすでにアラビアの希望と中国の天文-1を待っています。 これらの探査機はどのようにして研究データを地球に送信するのだろうか? 今日は宇宙通信についてお話します。
他の惑星への飛行は、常に人類の夢でした。 このトピックについては、多くの長編映画やドキュメンタリーが撮影されており、飛行プロセス自体がどのように行われるか、乗組員がどのように感じるか、または感じるか、そのような環境で何をすべきかをほぼ詳細に伝えています。
最近、パーセビアランス ローバーが火星の表面に着陸し、着陸後の最初の写真を撮ったとき、全世界が喜んで見守っていました。 18 年 2021 月 日に火星に着陸したローバーからの最初の写真と、デバイス自体の最初の写真が既にあります。
これらは、着陸直後に撮影された技術写真、車輪の写真、およびロケットモジュールに取り付けられたカメラによって撮影された着陸中のローバー自体の写真です。
しかし、私はいつも考えていたのですが、どうして彼らはこんなにも早く地球に接続し、映像を送信できるのでしょうか? これは本当なのか、それともサイエンスフィクションなのか疑問に思いました。 今日は、このトピックに関する私の考えを共有しようと思います。
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火星はどのくらい離れていますか?それはどういう意味ですか?
火星は、季節によって異なりますが、地球から約 55 万から 401 億 万キロメートル離れています。 ここでは、すべてが太陽の周りを含む回転軌道の一致に依存しています。 また、通信の最速の形態は電磁波であるため、火星に情報を送信するのにかかる時間は光の速度によって決まります。 つまり、そのようなローバーやプローブにコマンドを送信したり、データを受信したりする場合は、少し待つ必要があります。
機械は、人間と同じように信号の遅延に影響を与えることができないため、遅延は最大 60 ミリ秒になる可能性があります。 この間、無線信号は約 18 キロメートル移動します。 宇宙船の場合、この現象のマイナス面は、リアルタイムで制御できないことです。 残っている唯一のことは自律運用への移行であり、これは Perseverance 自体に適用され、おそらく、今後数十日で 000 日間の任務を開始する予定の Ingenuity ヘリコプターにも適用されます。 つまり、火星の表面からはかなりの遅延を伴う信号を受信しますが、最新のデバイスはそれをほぼ最小限に抑えています. はい、地球からデバイスを制御する機会を奪いましたが、そのようなデバイスのさらに優れた自動化の開発に弾みをつけました。
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地球と火星で運用されているミッションの間の直接通信はどのようになっていますか
この質問は、同様の任務を遂行するほぼすべての人にとって興味深いものであると確信しています。 このため、ディープ スペース ネットワーク (DSN) と呼ばれる電波望遠鏡のネットワークが作成されました。これは、SCaN (Space Communication and Navigation) と呼ばれるさらに大きな構造の一部です。
このセンターは、宇宙船や宇宙飛行士との通信に使用される地球上のすべての送信機と受信機を接続します。 DSN は、NASA のジェット推進研究所によって管理されています。
最大の電波望遠鏡は直径 70 メートルに達し、スペインのマドリッド、オーストラリアのキャンベラ、米国のモハベ砂漠のゴールドストーンの近くにあります。 地表のさまざまな場所に配置することで、通信中断のリスクを最小限に抑え、信号の受信と送信の速度を上げることができます。
中国が他のネットワークから独立するために、天文-70と通信する約1mの独自の電波望遠鏡を建設したことは興味深い。 とりわけ、惑星の最初の写真はこの軌道から撮影されました。
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出力信号電力と受信信号電力の間には大きな差があります
それでは、これらの送信機の技術的機能に移りましょう。 ここにも興味深いものがたくさんあります。 したがって、これらのアンテナに取り付けられ、宇宙物体を対象とする送信機は、X バンド (20 から約 8 GHz の周波数) で 12 kW から 400 kW の電力を持つことがわかっています (ただし、100 を超える電力の使用は覚えておく必要があります) kW は、空気の組成とトラフィック管理に応じて調整する必要があります) S バンド (2 ~ 4 GHz 付近の周波数、つまり、家庭の Wi-Fi または一部のモバイル ネットワークに似ています)。 比較すると、最強の 5G 基地局送信機の電力は 120 ワットですが、通常ははるかに低く、ビームは宇宙船への送信の場合とは異なる方法で形成されます。
信号を受信するとき、DSN ネットワークの最大のアンテナは、10 ～ 18 W 程度の電力でビームをキャッチできます。 たとえば、ボイジャー 2 号からの信号は、そのような電力を持っています。火星からの信号も、探査機の距離とエネルギー資源が限られていることを考えると、ほぼこの程度です。
マーズ リコネサンス オービター (MRO) には、X バンドごとに 100 ワットの信号ブースターが 26 つあり、メインのブースターの 40 つが故障した場合に備えて 35 つのバックアップがあります。 また、 ワットで送信する Ka バンド ( ～ GHz 範囲の周波数) で動作する実験用送信機も備えていますが、これはテスト目的のみです。
DSN ページ 誰に、または誰からデータが現在送受信されているかを明確に示します。 特に、ミッションを示すショートカットをクリックすると、追加のデータが表示されます。 Perseverance ローバーは略して M20 と呼ばれ、データは主に MRO から取得されます。
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宇宙に行くほど信号が遅くなる
DSN は他の探査機とも通信しますが、地球から離れているほど、データ レートが遅くなります。 また、特定の宇宙船の送信機の出力にも大きく依存します。 地球から最も遠いボイジャー 1 号は 160 bps でデータを送信しますが、これは 1950 年代の最初のモデムよりわずかに速いだけです。 ウェブサイトを開くには root-nation.com このような距離からこのテキストを使用すると、 日以上待たなければなりません。
同様に、地球からプローブに到達する信号ははるかに強力ですが、ボイジャー 1 号のアンテナは直径が 3,7 メートルしかないため、70 メートルのアンテナの場合よりも信号の受信がはるかに弱くなります。
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火星探査機またはローバーは、ミッション中にどのくらいのデータを送信しますか?
火星でのミッションは通常、基本的な 年に加えて延長ミッションの期間を要し、 年以上続くこともあります。 写真は少なくともメガバイトのデータであるため、視覚的な観察を行うプローブや機器は、最も多くの帯域幅を必要とします。 信号には、他の測定値、大気のパラメータ、磁場、温度などを特徴付ける、より多くの数値データを含めることができます。 したがって、今が宇宙探査機に有利な時期です。 彼らは速すぎる放送はしませんが、何年もの間しつこく放送します。
2005 年から火星の撮影を行っているマーズ リコネサンス オービター (MRO) は、すでに火星の周りを 50 万回以上周回し、火星の表面の 000% をカバーする 90 枚以上の写真を撮影しています (000 年現在)。 さらに、火星探査車からの放送と画像を送信します。 たとえば、Curiosity はすでに約 99 万枚の未加工の写真を撮影しています (そのすべてが私たちが賞賛する写真になったわけではありません)。 MRO から地球上で収集されたデータの量は、2017 ペタバイトに近づいています (0,5 年初頭の推定データ)。
ただし、MRO は写真およびデータ指向のミッションです。 比較すると、土星とその衛星を数年間研究してきたカッシーニ探査機は、635 枚の写真を含むわずか 453 GB のデータを地球に送り返しました。 一方、ローバーは Oppo15 年間火星を旅した rtunity は、2018 年までに 225 枚以上の写真を地球に送り返しました (私たちが火星との接触を完全に失った直後)。
火星に送信されるデータの量ははるかに少なくなります。 これらは主にコマンドとその実行の確認、またはソフトウェアの修正 (最も重要なもの) であるため、それらを送信するために非常に強力な送信機さえも必要としません。
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プローブまたはローバーはどのように地球と「会話」しますか?
火星からのデータが地球でどのように受信されるかはすでにわかっていますが、火星のデバイスからの通信はどのように開始されるのでしょうか? 軌道上にある探査機は、地球と通信し、大量のデータを送信するために、より有利な条件を備えています。 このような通信には、最も頻繁に言及される X バンドが使用されます. Perseverance ローバーは、Curiosity と同様に、通信のためにこのバンドで動作する つの送信機 (低出力と高出力) を使用します。
彼らの助けを借りて、ローバーは独立して家に「電話をかける」ことができますが、強力な送信機からのデータ転送速度は、信号が800メートルのアンテナで受信された場合は最大70 bps、160メートルの場合は34 bpsです。アンテナ。 低電力送信機は、送信用の 10 ビット チャネルとデータ受信用の 30 ビット チャネルしかないため、最後の手段にすぎません。
したがって、現在、キュリオシティとパーセランスのローバーは通常、最初に UHF 範囲で火星軌道上の「基地局」に接続します。これは、はるかに大きな送信アンテナを備えたプローブです。 MRO、MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN)、Mars Odyssey、European Mars Express、および TGO (Trace Gas Orbiter) がこれに使用されます。 それらは、MRN (Mars Relay Network) と呼ばれるネットワークを形成します。
このような中継ネットワークが確立される前は、バイキング 1 号や 2 号などの宇宙船は、伴軌道に依存する必要がありました。 地球との直接通信には、20Wの送信機とSバンドが使用され、通信は今日のローバーと同様に381MHz（UHF帯）の周波数で行われました。
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火星と地球の通信の最高速度は?
ここには多くのニュアンスがあります。 そのため、Perserance はまず、ローバーの背面、放射性同位体熱電発電機スクリーンの隣にあるアンテナを使用して、400 MHz で画像やその他のデータを周回プローブに送信します。 火星の表面から軌道までの通信回線の帯域幅は、最大 2 Mbit/s です。 火星の軌道との接続の効率は、地球からの距離に依存し、ご存知のように、これは大きく異なります。
最大接続速度は、火星が地球から最も遠いときの 500 kbps から、火星が地球に最も近いときの 3 Mbps 以上までさまざまです。 通常、34 日約 8 時間、m DSN アンテナが使用されます。 ただし、これは DSN アンテナのデータからわかる最大速度で常に伝送されることを意味するものではありません。
また、火星の軌道にある探査機を迂回して、地球と火星の表面にあるデバイスとの間の直接接続を確立する機会もあります。 ただし、このような接続は、緊急事態でのみ、または単純な制御コマンドを送信するためにのみ行うことができます。 このような制限は、惑星の軌道から火星への信号の帯域幅が、地球から火星の表面への直接送信よりも 3 ～ 4 倍大きいという事実によるものです。 X バンドで動作するアンテナは、地球とローバーの両方で、このような通信に使用されます。
しかし、今日私たちが影響を与えることができないコミュニケーションの中断もあります。 その原因は太陽です。 赤い惑星は時々私たちから隠れているため、太陽自体がその近くを通過するプローブからのデータの送信を妨害する可能性があります。 また、太陽系にはまだ十分に発達した通信ネットワークがないため、火星は 10 年ごとに約 日かけて太陽面をすり抜けます。 ローバーやプローブとの通信が完全になくなるのはこの時期です。
他に方法がない場合もあります。一生懸命働き、データを数日または数か月待つ必要があります
幸いなことに、火星ミッションの場合、科学者はこれまでのところそのような問題を抱えていません。 しかし、1990 年代のガリレオ探査機を覚えている人なら、地上管制に大きな問題があったことをご存知でしょう。 プローブの送信アンテナは部分的にしか展開されていなかったため、意図した 134 kbps の帯域幅を達成できませんでした。 科学者は、プローブとの接触を失わないようにするために、新しいデータ圧縮方法を開発する必要がありました。 彼らは、8 番目の低ゲイン アンテナのパフォーマンスを 16 ～ 160 bps (はい、1 秒あたりのビット数) から bps、さらに約 kbit/s に向上させることができました。 それはまだほんの少しでしたが、ミッションを救うのに十分であることが判明しました.
一方、非常に遠い宇宙機は、送信に時間がかかるため、非常に強力な送信アンテナと電源を装備する必要があります。 送信アンテナの電力が 12 W であるニュー ホライズンズ プローブから、冥王星の近くをフライバイした後、科学者は送信データの完全なセットを何ヶ月も待ちました。
この問題は解決できますか? はい、可能ですが、そのためには太陽系全体に通信ネットワークを構築する必要がありますが、これには多くの時間と、もちろん莫大な資金注入が必要です。
次に何が期待できますか？
火星の表面やその先から、多くの興味深い情報が私たちを待っていると確信しています。 人類は、地球から脱出し、遠く離れた惑星や他の太陽系を探索することを熱望しています。 おそらく、数十年後には、この私の記事が、火星かアルファ ケンタウリのどこかにいる学童たちを笑顔にするだけになるでしょう。 人類は、現在キエフからニューヨークにいるのと同じくらい簡単に他の惑星に飛ぶことができるかもしれません。 宇宙を探検したいという人類の欲求を止めることは不可能です！
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