나는 당신 중 많은 사람들이 최근의 것에 대해 들었거나 읽었을 것이라고 확신합니다. 화성에 착륙하는 인내, 그리고 곧 Red Planet은 이미 Arabian Hope와 중국 Tianwen-1을 기다리고 있습니다. 이 모든 탐사선이 연구 데이터를 지구로 어떻게 전송하는지 궁금합니다. 오늘은 우주 통신에 대해 논의할 예정입니다.
다른 행성으로의 비행은 항상 인류의 꿈이었습니다. 이 주제에 대해 많은 장편 영화와 다큐멘터리가 촬영되었으며, 비행 과정 자체가 어떻게 진행되는지, 승무원들이 어떻게 느끼거나 느낄지, 그러한 환경에서 무엇을 해야 하는지에 대해 거의 자세히 설명합니다.
최근에는 Perseverance 로버가 화성 표면에 착륙하여 착륙 후 첫 사진을 찍는 모습을 전 세계가 기뻐하며 지켜보고 있습니다. 우리는 이미 18년 2021월 일 화성에 착륙한 로버의 첫 번째 사진과 장치 자체의 첫 번째 사진을 가지고 있습니다.
착륙 직후 촬영한 기술 사진, 바퀴 사진, 착륙 중 로버 자체 사진으로 로켓 모듈에 장착된 카메라로 촬영한 것이다.
그러나 나는 항상 생각하고 있었습니다. 어떻게 그들이 어떻게 그렇게 빨리 지구에 연결하고 영상을 전송할 수 있을까요? 이게 사실인지 공상과학 소설인지 궁금했다. 오늘 저는 이 주제에 대한 제 생각을 공유하려고 합니다.
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화성은 얼마나 멀리 있으며 그것은 무엇을 의미합니까?
화성은 계절에 따라 지구에서 약 55만~401억 만 킬로미터 떨어져 있음을 상기시켜 드리겠습니다. 여기에서 모든 것은 태양 주위를 포함하여 회전 궤도의 일치에 달려 있습니다. 그리고 가장 빠른 통신 형태는 전자파이기 때문에 정보를 붉은 행성에 보내는 데 걸리는 시간은 빛의 속도로 결정됩니다. 즉, 이러한 로버나 프로브에 명령을 보내거나 데이터를 수신하려면 조금 기다려야 합니다.
기계는 인간과 같은 방식으로 신호 지연에 영향을 줄 수 없으므로 지연은 최대 60ms가 될 수 있습니다. 그리고 이 시간 동안 무선 신호는 약 18km를 이동합니다. 우주선의 경우 이 현상의 부정적인 측면은 실시간으로 제어할 수 없다는 것입니다. 남아 있는 유일한 것은 자율 운영으로의 전환이며, 이는 Perseverance 자체에 적용되며 아마도 앞으로 수십일 내에 000일 임무를 시작해야 하는 Ingenuity 헬리콥터에 더 많이 적용됩니다. 즉, 화성 표면에서 상당한 지연으로 신호를 수신하지만 최신 장치는 거의 최소화했습니다. 그렇습니다. 그것은 우리가 지구에서 장치를 제어할 수 있는 기회를 박탈했지만 그러한 장치의 훨씬 더 큰 자동화 개발에 자극을 주었습니다.
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지구와 화성에서 활동하는 임무 사이의 직접 통신은 어떻습니까?
나는 이 질문이 비슷한 임무를 수행하는 거의 모든 사람에게 흥미로울 것이라고 확신합니다. 그래서 이를 위해 DSN(Deep Space Network)이라고 하는 전파 망원경 네트워크가 만들어졌습니다. 이 네트워크는 SCaN(Space Communication and Navigation)이라는 더 큰 구조의 일부입니다.
이 센터는 우주에서 우주선 및 우주 비행사와 통신하는 데 사용되는 지구상의 모든 송신기 및 수신기를 연결합니다. DSN은 NASA의 제트 추진 연구소에서 제어합니다.
지름이 70m에 달하는 전파망원경은 스페인 마드리드, 호주 캔버라, 미국 모하비 사막 골드스톤 인근에 있다. 지구 표면의 여러 지점에서 이러한 배열은 통신 중단의 위험을 최소화하고 신호 수신 및 전송 속도를 높이는 것을 가능하게 합니다.
중국이 다른 네트워크로부터 독립하기 위해 Tianwen-70과 통신하는 약 1m 크기의 자체 전파 망원경을 구축한 것은 흥미롭습니다. 무엇보다도 행성의 첫 번째 사진은 이 궤도에서 찍은 것입니다.
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출력과 수신 신호 전력 사이에는 큰 차이가 있습니다
이제 이러한 송신기의 기술적 기능으로 넘어 갑시다. 여기에도 흥미로운 것들이 많이 있습니다. 따라서 우리는 이 안테나에 장착되고 우주 물체를 겨냥한 송신기가 X-대역(20에서 약 8GHz의 주파수)에서 12kW에서 400kW까지의 전력을 갖는다는 것을 알고 있습니다. kW는 S-밴드(100~2GHz의 주파수, 즉 가정용 Wi-Fi 또는 일부 모바일 네트워크와 유사)에서 공기 구성 및 트래픽 관리에 따라 조정이 필요합니다. 이에 비해 가장 강력한 4G 기지국 송신기의 전력은 5와트이지만 일반적으로 우주선으로 전송하는 경우보다 훨씬 낮고 빔이 다르게 형성된다.
신호를 수신할 때 DSN 네트워크의 가장 큰 안테나는 10-18W 정도의 전력으로 빔을 잡을 수 있습니다. 예를 들어, 그러한 힘은 보이저 2호의 신호를 가지고 있습니다. 화성의 신호도 탐사선의 거리와 제한된 에너지 자원을 감안할 때 대략 이 정도입니다.
MRO(Mars Reconnaissance Orbiter)에는 각 X-대역에 대해 100개의 26와트 신호 부스터가 있으며 주요 중 하나가 실패할 경우 백업 40개가 있습니다. 또한 테스트 목적으로만 35와트로 전송하는 Ka 대역(-GHz 범위의 주파수)에서 작동하는 실험적인 송신기가 있습니다.
DSN 페이지 현재 누구에게 또는 누구로부터 데이터를 보내거나 받고 있는지 명확하게 보여줍니다. 무엇보다 미션을 나타내는 바로 가기를 클릭하면 추가 데이터를 볼 수 있습니다. Perseverance 로버는 줄여서 M20이라고 하며 데이터는 주로 MRO에서 가져옵니다.
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우주로 멀어질수록 신호는 느려집니다.
DSN은 다른 탐사선과도 통신하지만 지구에서 멀수록 데이터 속도가 느려집니다. 또한 많은 것은 주어진 우주선의 송신기 전력에 달려 있습니다. 지구에서 가장 멀리 떨어져 있는 보이저 1호는 160년대 최초의 모뎀보다 약간 빠른 1950bps로 데이터를 전송한다. 웹사이트를 열려면 root-nation.com 그런 거리에서이 텍스트를 사용하면 하루 이상을 기다려야합니다.
차례로, 지구에서 탐사선에 도달하는 신호는 훨씬 더 강력하지만 보이저 1호의 안테나는 직경이 3,7미터에 불과하므로 물론 70미터 안테나보다 신호 수신이 훨씬 약합니다.
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화성 탐사선이나 탐사선이 임무를 수행하는 동안 얼마나 많은 데이터를 전송합니까?
화성 임무는 일반적으로 기본 년과 연장 임무 기간이 소요되며 년 이상 지속될 수 있습니다. 사진은 최소한 메가바이트의 데이터이기 때문에 시각적 관찰을 수행하는 프로브와 기기는 가장 많은 대역폭을 필요로 합니다. 신호에는 다른 측정값, 대기 매개변수, 자기장, 온도 등을 특성화하는 훨씬 더 많은 숫자 데이터가 포함될 수 있습니다. 따라서 시간은 우주 탐사선에 유리합니다. 그들은 너무 빨리 방송하지 않지만 몇 년 동안 지속적으로 방송합니다.
2005년부터 화성을 촬영해온 화성 정찰 궤도선(MRO)은 이미 화성 주위를 50만회 이상 돌았고, 000년 기준으로 화성 표면의 90%를 차지하는 000만여장의 사진을 촬영했다. 또한 화성 탐사선의 방송과 영상을 전송합니다. 예를 들어, Curiosity는 이미 거의 백만 장의 원본 사진을 촬영했습니다(모든 사진이 우리가 존경하는 사진으로 바뀌는 것은 아닙니다). MRO에서 지구상에서 수집된 데이터의 양은 99페타바이트에 육박하고 있습니다(2017년 초 추정 데이터).
그러나 MRO는 사진 및 데이터 지향적인 임무입니다. 이에 비해 몇 년 동안 토성과 그 위성을 연구해 온 카시니 탐사선은 635장의 사진이 포함된 453GB의 데이터만 지구로 보냈습니다. 차례로, 로버 Oppo15년 동안 화성 주위를 여행한 rtunity는 2018년까지 225장 이상의 사진을 지구로 보냈습니다(우리가 지구와 영원히 연락이 끊긴 직후).
화성으로 보내는 데이터의 양은 훨씬 적습니다. 이것들은 주로 명령 및 실행 확인 또는 소프트웨어 수정(가장 중요함)이기 때문에 전송하는 데 매우 강력한 송신기가 필요하지 않습니다.
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탐사선이나 탐사선은 어떻게 지구와 "대화"합니까?
우리는 이미 화성의 데이터가 지구에서 어떻게 수신되는지 알고 있지만 붉은 행성의 장치에서 통신이 어떻게 시작됩니까? 궤도에 있는 탐사선은 지구와 통신하고 많은 양의 데이터를 보내기에 더 유리한 조건을 가지고 있습니다. 이러한 통신을 위해 가장 많이 언급되는 X-band가 사용되며, Perseverance 로버는 Curiosity와 마찬가지로 이 대역에서 작동하는 두 개의 송신기(저전력 및 고전력)를 사용하여 통신합니다.
그들의 도움으로 로버는 독립적으로 집에 "콜"할 수 있지만 강력한 송신기의 데이터 전송 속도는 800 미터 안테나에서 신호를 수신 할 때 최대 70 bps 또는 160 미터 안테나에서 34 bps입니다 안테나. 저전력 송신기는 송신용 10비트 채널과 데이터 수신용 30비트 채널만 있기 때문에 최후의 수단일 뿐입니다.
따라서 오늘날 Curiosity 및 Perserance 로버는 일반적으로 UHF 범위에서 화성 궤도의 "기지국"에 먼저 연결합니다. 프로브는 훨씬 더 큰 송신 안테나를 가지고 있습니다. 이를 위해 MRO, MAVEN(Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey 및 European Mars Express 및 TGO(Trace Gas Orbiter)가 사용됩니다. 그들은 MRN(Mars Relay Network)이라는 네트워크를 형성합니다.
이러한 중계 네트워크가 구축되기 전에는 바이킹 1호, 2호와 같은 우주선이 동반자 궤도에 의존해야 했습니다. 지구와의 직접 통신을 위해 20W 송신기와 S-band를 사용하였으며, 통신은 오늘날의 로버와 유사한 381MHz(UHF 대역)의 주파수로 이루어졌다.
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화성-지구 통신의 최대 속도는 얼마입니까?
여기에는 많은 뉘앙스가 있습니다. 따라서 Perserance는 먼저 로버 뒤쪽의 방사성 동위원소 열전 발전기 화면 옆에 있는 안테나를 사용하여 400MHz의 궤도 탐사선에 이미지와 기타 데이터를 보냅니다. 표면에서 화성 궤도까지의 통신 회선의 대역폭은 최대 2Mbit/s입니다. 화성 궤도와의 연결 효율성은 지구로부터의 거리에 따라 달라지며, 아시다시피 이것은 매우 다양합니다.
최대 연결 속도는 화성이 지구에서 가장 멀 때 500kbps에서 화성이 지구에 가장 가까울 때 3Mbps 이상까지 다양합니다. 일반적으로 하루에 약 34시간 동안 8m DSN 안테나가 사용됩니다. 그러나 이것이 항상 DSN 안테나의 데이터에서 볼 수 있는 최대 속도로 전송된다는 것을 의미하지는 않습니다.
지구 궤도에 있는 탐사선을 우회하여 화성 표면에 있는 장치와 지구를 직접 연결할 기회도 있습니다. 그러나 이러한 연결은 비상 상황이나 간단한 제어 명령만 보낼 때만 가능합니다. 이러한 제한은 행성 궤도에서 화성으로 가는 신호의 대역폭이 지구에서 화성 표면으로 직접 전송하는 것보다 3-4배 더 크다는 사실 때문입니다. X 대역에서 작동하는 안테나는 지구와 로버 모두에서 이러한 통신에 사용됩니다.
그러나 오늘날 우리가 영향을 줄 수 없는 의사 소통의 중단도 있습니다. 그들의 원인은 태양입니다. 붉은 행성은 때때로 우리에게서 단순히 숨어 있기 때문에 태양 자체는 근처를 지나가는 탐사선의 데이터 전송을 방해할 수 있습니다. 그리고 우리는 아직 태양계에서 잘 발달된 통신 네트워크가 없기 때문에 화성이 10년마다 태양 디스크를 지나치는 데 약 일이 걸립니다. 이 기간 동안 로버 및 프로브와의 통신이 완전히 부재합니다.
어쩔 수 없이 일을 하고 며칠, 몇 달을 데이터를 기다려야 하는 경우도 있습니다.
다행히 화성 탐사의 경우 과학자들은 지금까지 그런 문제를 겪지 않았다. 그러나 1990년대의 갈릴레오 탐사선을 기억하는 사람이 있다면 당시 지상 통제에 큰 문제가 있었다는 것을 알고 있습니다. 프로브의 송신 안테나는 부분적으로만 배치되어 의도한 대역폭인 134kbps를 달성할 수 없었습니다. 과학자들은 탐사선과의 접촉을 잃지 않기 위해 새로운 데이터 압축 방법을 개발해야 했습니다. 그들은 두 번째 저이득 안테나의 성능을 8-16bps(예, 초당 비트 수)에서 160bps로, 그리고 나서 약 1kbit/s로 높일 수 있었습니다. 아직은 미미하지만 미션을 살리기에 충분하다는 것이 밝혀졌다.
반면에 아주 먼 우주선은 전송 시간이 오래 걸리기 때문에 매우 강력한 전송 안테나와 전원을 장착해야 합니다. 송신 안테나가 12W인 New Horizons 탐사선에서 명왕성 근처를 비행한 후 과학자들은 전송된 데이터의 완전한 세트를 몇 달 동안 기다렸습니다.
이 문제를 해결할 수 있습니까? 네, 가능합니다. 하지만 이를 위해서는 태양계 전체에 통신 네트워크를 구축해야 합니다. 하지만 이를 위해서는 많은 시간과 막대한 재정적 투입이 필요합니다.
다음에 무엇을 기대할 수 있습니까?
화성 표면과 그 너머에서 많은 흥미로운 정보가 우리를 기다리고 있다고 확신합니다. 인류는 지구에서 탈출하여 먼 행성과 다른 태양계를 탐험하기를 열망하고 있습니다. 아마도 수십 년 안에 내 이 기사는 화성이나 알파 센타우리 어딘가에 있는 학생들만 미소 짓게 만들 것입니다. 그러면 인류는 지금 키예프에서 뉴욕으로 가는 것처럼 쉽고 간단하게 다른 행성으로 날아갈 것입니다. 나는 한 가지 확신합니다. 우주를 탐험하려는 인류의 욕망을 막는 것은 불가능합니다!
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