Esu tikras, kad daugelis iš jūsų girdėjote ar skaitėte apie pastarąjį kartą Atkaklumo nusileidimas Marse, o netrukus Raudonosios planetos jau laukia arabų viltis ir kinų Tianwen-1. Įdomu, kaip visi šie zondai perduoda savo tyrimų duomenis į Žemę? Šiandien bus kalbama apie kosmoso komunikaciją.
Skrydžiai į kitas planetas visada buvo žmonijos svajonė. Šia tema buvo nufilmuota daug vaidybinių ir dokumentinių filmų, kuriuose kone detaliai pasakojama, kaip vyksta pats skrydžio procesas, kaip jaučiasi ar jausis įgulos nariai, ką tokioje aplinkoje reikėtų daryti.
Neseniai visas pasaulis su džiaugsmu stebėjo, kaip „Perseverance“ roveris nusileido ant Raudonosios planetos paviršiaus ir padarė pirmąsias nuotraukas po nusileidimo. Jau turime pirmąsias nuotraukas iš marsaeigio, kuris, priminsiu, 18 metų vasario 2021 dieną nusileido Marse, taip pat pirmąją paties įrenginio nuotrauką.
Tai techninės nuotraukos, darytos iškart po nusileidimo, ratų nuotraukos, taip pat ir paties roverio nuotrauka nusileidimo metu, kurią padarė ant raketos modulio sumontuotos kameros.
Bet vis pagavau save galvojant, kaip jiems pavyksta taip greitai prisijungti prie Žemės ir perduoti filmuotą medžiagą? Galvojau, ar tai tiesa, ar mokslinė fantastika. Šiandien pabandysiu pasidalinti savo mintimis šia tema.
Taip pat skaitykite: Ką Marse veiks atkaklumas ir išradingumas?
Kaip toli yra Marsas ir ką tai reiškia?
Priminsiu, kad Marsas, priklausomai nuo sezono, nuo Žemės nutolęs maždaug 55–401 mln. kilometrų. Čia viskas priklauso nuo sukimosi orbitų, įskaitant aplink Saulę, sutapimo. O kadangi greičiausia komunikacijos forma yra elektromagnetinės bangos, laikas, per kurį informacija nusiunčiama į Raudonąją planetą, priklausys nuo šviesos greičio. Tai yra, jei norime nusiųsti komandą tokiam roveriui ar zondui arba gauti duomenis, turėsime šiek tiek palaukti.
Mašinos negali paveikti signalo vėlavimo taip pat, kaip žmonės, todėl vėlavimas gali siekti iki 60 ms. O per šį laiką radijo signalas nukeliaus apie 18 000 kilometrų. Kosminių transporto priemonių atveju neigiama šio reiškinio pusė yra tai, kad neįmanoma jų valdyti realiu laiku. Lieka tik perėjimas prie autonominio veikimo, ir tai galioja pačiam Perseverance ir, ko gero, dar labiau sraigtasparniui „Ingenuity“, kuris savo 30 dienų misiją turėtų pradėti per artimiausias keliasdešimt dienų. Tai yra, iš Marso paviršiaus gauname signalą su dideliu vėlavimu, tačiau šiuolaikiniai įrenginiai jį beveik sumažino. Taip, tai atėmė iš mūsų galimybę valdyti įrenginius iš Žemės, bet davė postūmį plėtoti dar didesnę tokių įrenginių automatizaciją.
Taip pat skaitykite: 10 geriausių faktų apie didžiules juodąsias skyles, atrastas 2020 m
Kaip vyksta tiesioginis ryšys tarp Žemės ir Marse veikiančių misijų
Esu tikras, kad šis klausimas domina beveik visus, kurie vykdo panašias misijas. Taigi tam buvo sukurtas radijo teleskopų tinklas, vadinamas Deep Space Network (DSN), kuris yra dar didesnės struktūros, vadinamos SCaN (Space Communication and Navigation), dalis.
Šis centras jungia visus Žemėje esančius siųstuvus ir imtuvus, naudojamus bendrauti su erdvėlaiviais ir astronautais kosmose. DSN kontroliuoja NASA reaktyvinio judėjimo laboratorija.
Radijo teleskopai, iš kurių didžiausi yra iki 70 metrų skersmens, yra netoli Madrido Ispanijoje, Kanberos Australijoje ir Goldstone Mohave dykumoje JAV. Toks išdėstymas įvairiuose Žemės paviršiaus taškuose sumažina ryšio trikdžių riziką ir leidžia padidinti signalo priėmimo ir perdavimo greitį.
Įdomu tai, kad Kinija, siekdama tapti nepriklausoma nuo kitų tinklų, pastatė savo radijo teleskopą, taip pat apie 70 m dydžio, su kuriuo bendrauja su Tianwen-1. Be kita ko, iš šios orbitos buvo padarytos pirmosios planetos nuotraukos.
Taip pat skaitykite: Kas gali sutrukdyti mums kolonizuoti Marsą?
Yra didžiulis skirtumas tarp išėjimo ir gaunamo signalo galios
Dabar pereikime prie šių siųstuvų techninių galimybių. Čia taip pat yra daug įdomių dalykų. Taigi žinome, kad ant šių antenų montuojami ir į kosminius objektus nukreipti siųstuvai X juostoje turi nuo 20 kW (dažniai nuo 8 iki maždaug 12 GHz) iki 400 kW (tačiau reikia atminti, kad naudojant galią virš 100 kW reikia koreguoti atsižvelgiant į oro sudėtį ir eismo valdymą) S juostoje (dažniai nuo 2 iki 4 GHz, t. y. panašūs į namų Wi-Fi ar kai kuriuos mobiliojo ryšio tinklus). Palyginimui, stipriausių 5G bazinių stočių siųstuvų galia siekia 120 vatų, tačiau dažniausiai ji gerokai mažesnė ir spindulys formuojamas kitaip nei perduodant į erdvėlaivius.
Priimdamos signalą, didžiausios DSN tinklo antenos gali sugauti 10-18 W galios spindulį. Tokia galia, pavyzdžiui, turi „Voyager 2“ signalą. Signalai iš Marso taip pat yra maždaug tokios eilės, atsižvelgiant į zondų atstumą ir ribotus energijos išteklius.
„Mars Reconnaissance Orbiter“ (MRO) turi du 100 vatų signalo stiprintuvus kiekvienai X juostai, su vienu atsarginiu stiprintuvu, jei vienas iš pagrindinių sugenda. Jis taip pat turi eksperimentinį siųstuvą, veikiantį Ka juostoje (dažniai 26-40 GHz diapazone), kuris perduoda 35 vatus, bet tik bandymo tikslais.
DSN puslapis aiškiai parodo, kam arba iš ko šiuo metu siunčiami arba gaunami duomenys. Be kita ko, paspaudę misiją nurodantį spartųjį klavišą, matome papildomus duomenis. „Perseverance rover“ trumpai vadinamas M20, o duomenys daugiausia gaunami iš MRO.
Taip pat skaitykite: Erdvė jūsų kompiuteryje: 5 geriausios astronomijos programos
Kuo toliau į erdvę, tuo lėtesnis signalas
DSN taip pat palaiko ryšį su kitais zondais, bet žinote, kuo toliau nuo Žemės, tuo lėtesnis duomenų perdavimo greitis. Taip pat daug kas priklauso nuo tam tikro erdvėlaivio siųstuvo galios. Voyager 1, toliausiai nuo Žemės, perduoda duomenis 160 bps greičiu, tik šiek tiek greičiau nei pirmieji šeštojo dešimtmečio modemai. Norėdami atidaryti svetainę root-nation.com su šiuo tekstu iš tokio atstumo teks laukti ne vieną dieną.
Savo ruožtu signalas, pasiekiantis zondą iš Žemės, yra daug stipresnis, tačiau „Voyager 1“ antenos skersmuo yra tik 3,7 metro, todėl signalo priėmimas, žinoma, yra daug silpnesnis nei tuo atveju, jei tai būtų 70 metrų antena.
Taip pat skaitykite: Parker Solar Probe parodė naktinę Veneros pusę
Kiek duomenų Marso zondas ar roveris perduoda savo misijos metu?
Marso misijos paprastai trunka dvejus bazinius metus ir pratęstos misijos trukmę ir gali trukti ilgiau nei dešimtmetį. Vaizdinius stebėjimus atliekantiems zondams ir instrumentams reikia didžiausio pralaidumo, nes nuotraukos yra mažiausiai megabaitų duomenų. Signale gali būti daug daugiau skaitinių duomenų, apibūdinančių kitus matavimus, atmosferos parametrus, magnetinį lauką, temperatūrą ir kt. Todėl tinkamas laikas kosminiams zondams. Jie netransliuoja per greitai, bet tai daro atkakliai metų metus.
„Mars Reconnaissance Orbiter“ (MRO), fotografuojantis Marsą nuo 2005 m., jau padarė daugiau nei 50 000 orbitų aplink planetą ir daugiau nei 90 000 nuotraukų, apimančių 99% planetos paviršiaus (2017 m. duomenimis). Be to, jis perduoda transliacijas ir vaizdus iš marsaeigių. Pavyzdžiui, Curiosity jau padarė beveik milijoną neapdorotų nuotraukų (ne visos virto nuotraukomis, kuriomis žavimės). Iš MRO surinktų duomenų apie Žemę kiekis artėja prie 0,5 petabaito (apytikriai 2021 m. pradžios duomenys).
Tačiau MRO yra į nuotraukas ir duomenis orientuota misija. Palyginimui, keletą metų Saturną ir jo palydovus tyrinėjęs zondas Cassini į Žemę atsiuntė vos 635 GB duomenų, tarp kurių buvo 453 000 nuotraukų. Savo ruožtu roveris Oppo„rtunity“, 15 metų keliavusi aplink Marsą, iki 2018-ųjų (netrukus po to, kai visam laikui praradome ryšį su ja) į Žemę atsiuntė daugiau nei 225 000 nuotraukų.
Į Marsą siunčiamų duomenų kiekis yra daug mažesnis. Kadangi tai daugiausia komandos ir jų vykdymo patvirtinimai arba programinės įrangos pataisymai (kurie yra patys svarbiausi), joms perduoti nereikia net labai galingų siųstuvų.
Taip pat skaitykite: Tapo žinoma, kada baigsis Žemės atmosferos deguonis
Kaip zondas ar roveris „kalba“ su Žeme?
Jau žinome, kaip Žemėje gaunami duomenys iš Marso, bet kaip inicijuojamas ryšys iš įrenginių Raudonojoje planetoje? Orbitoje esantys zondai turi palankesnes sąlygas susisiekti su Žeme ir siųsti didelius duomenų kiekius. Tokiam ryšiui naudojama dažniausiai minima X juosta.. Rover Perseverance, kaip ir Curiosity, ryšiui naudoja du šioje juostoje veikiančius siųstuvus (mažos ir didelės galios).
Jų pagalba roveris gali savarankiškai „skambinti“ namo, tačiau duomenų perdavimo sparta iš galingo siųstuvo yra maksimali 800 bps, kai signalą priima 70 metrų antena, arba 160 bps, kai tai 34 metrų antena. antena. Mažos galios siųstuvas yra tik paskutinė išeitis, nes jis turi tik 10 bitų kanalą duomenims perduoti ir 30 bitų kanalą duomenims priimti.
Todėl šiandien „Curiosity“ ir „Perserance“ marsaeigiai dažniausiai pirmiausia UHF diapazone prisijungia prie savo „bazinės stoties“ Marso orbitoje – zondų, kurie turi daug didesnes siuntimo antenas. Tam naudojami MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey ir European Mars Express bei TGO (Trace Gas Orbiter). Jie sudaro tinklą, vadinamą MRN (Mars Relay Network).
Prieš sukuriant tokį relių tinklą, erdvėlaiviai, tokie kaip Viking 1 ir 2, turėjo pasikliauti kompanioninėmis orbitomis. Tiesioginiam ryšiui su Žeme buvo naudojami 20 W siųstuvai ir S juosta, ryšys vyko 381 MHz dažniu (UHF juosta), panašiai kaip ir šiandieniniai roveriai.
Taip pat skaitykite: „Crew Dragon“ nėra vienintelis: kurie laivai ateinančiais metais iškeliaus į kosmosą
Koks didžiausias Marso ir Žemės ryšio greitis?
Čia yra daug niuansų. Taigi, „Perserance“ pirmiausia siunčia vaizdus ir kitus duomenis į orbitinius zondus 400 MHz dažniu, naudodama anteną, esančią roverio gale, šalia radioizotopinio termoelektrinio generatoriaus ekrano. Ryšio linijos pralaidumas nuo paviršiaus iki Raudonosios planetos orbitos yra iki 2 Mbit/s. Ryšio su Marso orbita efektyvumas priklauso nuo jo atstumo nuo Žemės, o tai, kaip žinia, labai skiriasi.
Maksimalus ryšio greitis svyruoja nuo 500 kbps, kai Marsas yra toliausiai nuo Žemės, iki daugiau nei 3 Mbps, kai Marsas yra arčiausiai mūsų planetos. Paprastai naudojamos 34 m DSN antenos, apie 8 valandas per dieną. Tačiau tai nereiškia, kad perdavimas visada vyksta maksimaliu greičiu, kurį galima matyti iš DSN antenų duomenų.
Taip pat yra galimybė užmegzti tiesioginį ryšį tarp Žemės ir įrenginių, kurie yra Marso paviršiuje, aplenkiant planetos orbitoje esančius zondus. Tačiau tokius ryšius galima užmegzti tik avarinėmis situacijomis arba siųsti tik paprastas valdymo komandas. Tokie apribojimai atsiranda dėl to, kad signalo į Marsą pralaidumas iš planetos orbitos yra 3–4 kartus didesnis nei tiesiogiai perduodant iš Žemės į Marso paviršių. Tokiam ryšiui tiek Žemėje, tiek marsaeigyje naudojamos antenos, veikiančios X juostoje.
Tačiau būna ir bendravimo trukdžių, kurių šiandien negalime įtakoti. Jų priežastis yra Saulė. Pati Saulė gali trukdyti perduoti duomenis iš šalia jos prasilenkiančių zondų, nes Raudonoji planeta karts nuo karto nuo mūsų tiesiog pasislepia. O kadangi Saulės sistemoje dar neturime gerai išvystyto ryšių tinklo, Marsui kas dvejus metus reikia maždaug 10 dienų, kad praslystų pro saulės diską. Būtent šiuo laikotarpiu visiškai nėra ryšio su roveriais ir zondais.
Kartais kitos išeities nėra, tenka sunkiai dirbti ir laukti duomenų kelias dienas ar net mėnesius
Laimei, Marso misijų atveju mokslininkai iki šiol tokių problemų neturėjo. Bet jei kas nors iš jūsų prisimena 1990-ųjų „Galileo“ zondą, žinote, kad tada buvo didelių problemų su antžeminiu valdymu. Zondo perdavimo antena buvo išskleista tik iš dalies, todėl ji negalėjo pasiekti numatyto 134 kbps pralaidumo. Mokslininkai turėjo sukurti naujus duomenų glaudinimo metodus, kad neprarastų ryšio su zondu. Jie sugebėjo padidinti antrosios mažo stiprinimo antenos našumą nuo 8–16 bps (taip, bitų per sekundę) iki 160 bps, o vėliau iki maždaug 1 kbit/s. Vis dar buvo labai mažai, bet pasirodė, kad to pakako misijai išgelbėti.
Kita vertus, labai nutolusiuose erdvėlaiviuose turi būti įrengtos labai galingos perdavimo antenos ir energijos šaltiniai, nes perdavimas trunka ilgai. Iš zondo New Horizons, kurio siųstuvo antenos galia siekia 12 W, po jo praskriejimo netoli Plutono mokslininkai mėnesius laukė viso perduotų duomenų.
Ar galima išspręsti šią problemą? Taip, tai įmanoma, tačiau tam reikia nutiesti ryšių tinklus visoje Saulės sistemoje, tačiau tam reikia daug laiko ir, žinoma, didžiulių finansinių infuzijų.
Ko galime tikėtis toliau?
Esu tikras, kad mūsų laukia daug įdomios informacijos iš Marso paviršiaus ir už jo ribų. Žmonija trokšta išsiveržti iš Žemės ir tyrinėti tolimas planetas bei kitas saulės sistemas. Galbūt po kelių dešimtmečių šis mano straipsnis tik privers nusišypsoti moksleivius Marse ar kur nors Alfa Kentauryje. Galbūt tada žmonija taip lengvai ir paprastai skris į kitas planetas, kaip dabar iš Kijevo į Niujorką. Esu tikras dėl vieno dalyko – neįmanoma sustabdyti žmonijos noro tyrinėti erdvę!
Taip pat įdomu:
