Esmu pārliecināts, ka daudzi no jums ir dzirdējuši vai lasījuši par neseno Neatlaidības nolaišanās uz Marsa, un drīz Sarkano planētu jau gaida arābu cerība un ķīniešu Tianwen-1. Interesanti, kā visas šīs zondes nosūta savu pētījumu datus uz Zemi? Šodien tiks apspriesta kosmosa komunikācija.
Lidojumi uz citām planētām vienmēr ir bijuši cilvēces sapnis. Par šo tēmu ir uzņemtas daudz spēlfilmu un dokumentālo filmu, kurās gandrīz detalizēti pastāstīts, kā notiek pats lidojuma process, kā jūtas vai jutīsies apkalpes locekļi, kas būtu jādara šādā vidē.
Nesen visa pasaule ar sajūsmu vēroja, kā Perseverance roveris nolaidās uz Sarkanās planētas virsmas un uzņēma pirmos attēlus pēc nosēšanās. Mums jau ir pirmās fotogrāfijas no rovera, kas, atgādināšu, nolaidās uz Marsa 18. gada 2021. februārī, kā arī pašas ierīces pirmais foto.
Tās ir tehniskas fotogrāfijas, kas uzņemtas uzreiz pēc nosēšanās, riteņu fotogrāfijas, kā arī paša rovera foto nosēšanās laikā, kas uzņemts ar raķetes modulim uzstādītajām kamerām.
Bet es vienmēr pieķēru sevi pie domas, kā viņiem izdodas tik ātri izveidot savienojumu ar Zemi un pārraidīt uzņemtos materiālus? Es domāju, vai tā ir patiesība vai zinātniskā fantastika? Šodien mēģināšu dalīties savās pārdomās par šo tēmu.
Lasi arī: Ko neatlaidība un atjautība darīs uz Marsa?
Cik tālu ir Marss, un ko tas nozīmē?
Atgādināšu, ka Marss atkarībā no gadalaika atrodas aptuveni 55 līdz 401 miljona kilometru attālumā no Zemes. Šeit viss ir atkarīgs no rotācijas orbītu sakritības, arī ap Sauli. Un tā kā ātrākais saziņas veids ir elektromagnētiskie viļņi, laiks, kas nepieciešams informācijas nosūtīšanai uz Sarkano planētu, tiks noteikts pēc gaismas ātruma. Tas ir, ja mēs vēlamies nosūtīt komandu šādam roveram vai zondei vai saņemt datus, mums būs nedaudz jāgaida.
Mašīnas nevar ietekmēt signāla aizkavēšanos tāpat kā cilvēki, tāpēc aizkave var būt līdz 60 ms. Un šajā laikā radio signāls nobrauks aptuveni 18 000 kilometru. Kosmosa transportlīdzekļu gadījumā šīs parādības negatīvā puse ir neiespējamība tos kontrolēt reāllaikā. Vienīgais, kas paliek, ir pāreja uz autonomu darbību, un tas attiecas uz pašu Perseverance un, iespējams, vēl jo vairāk uz Ingenuity helikopteru, kam tuvāko pāris desmitu dienu laikā vajadzētu sākt savu 30 dienu misiju. Tas ir, no Marsa virsmas mēs saņemam signālu ar ievērojamu kavēšanos, taču mūsdienu ierīces to ir gandrīz samazinājušas. Jā, tas mums atņēma iespēju vadīt ierīces no Zemes, taču tas deva impulsu šādu ierīču vēl lielākas automatizācijas attīstībai.
Lasi arī: 10 populārākie fakti par masīvajiem melnajiem caurumiem, kas atklāti 2020. gadā
Kā notiek tiešā saziņa starp Zemi un misijām, kas darbojas uz Marsa
Esmu pārliecināts, ka šis jautājums interesē gandrīz ikvienu, kas seko līdzīgām misijām. Tāpēc šim nolūkam tika izveidots radioteleskopu tīkls ar nosaukumu Deep Space Network (DSN), kas ir daļa no vēl lielākas struktūras, ko sauc par SCaN (Space Communication and Navigation).
Šis centrs savieno visus raidītājus un uztvērējus uz Zemes, ko izmanto, lai sazinātos ar kosmosa kuģiem un astronautiem kosmosā. DSN kontrolē NASA reaktīvo dzinēju laboratorija.
Radioteleskopi, no kuriem lielākie ir līdz 70 metriem diametrā, atrodas netālu no Madrides Spānijā, Kanberas Austrālijā un Goldstonas Mohaves tuksnesī ASV. Šāds izvietojums dažādos Zemes virsmas punktos samazina sakaru pārtraukumu risku un ļauj palielināt signāla uztveršanas un pārraides ātrumu.
Interesanti, ka Ķīna, lai kļūtu neatkarīga no citiem tīkliem, uzbūvēja savu radioteleskopu, arī aptuveni 70 m lielu, ar kuru sazinās ar Tianwen-1. Cita starpā no šīs orbītas tika uzņemti pirmie planētas attēli.
Lasi arī: Kas var neļaut mums kolonizēt Marsu?
Pastāv milzīga atšķirība starp izejas un saņemtā signāla jaudu
Tagad pāriesim pie šo raidītāju tehniskajām iespējām. Šeit ir arī daudz interesantu lietu. Tātad mēs zinām, ka uz šīm antenām uzstādīto un uz kosmosa objektiem vērsto raidītāju jauda ir no 20 kW X joslā (frekvences no 8 līdz aptuveni 12 GHz) līdz 400 kW (bet jāatceras, ka jaudas izmantošana pārsniedz 100 kW ir jāpielāgo atkarībā no gaisa sastāva un satiksmes pārvaldības) S-joslā (frekvences no 2 līdz 4 GHz, t.i., līdzīgas mājas Wi-Fi vai dažiem mobilajiem tīkliem). Salīdzinājumam, spēcīgāko 5G bāzes staciju raidītāju jauda ir 120 vati, taču tā parasti ir daudz mazāka un staru kūlis veidojas savādāk nekā pārraidēm uz kosmosa kuģiem.
Uztverot signālu, lielākās DSN tīkla antenas spēj uztvert staru ar jaudu 10-18 W. Šādai jaudai, piemēram, ir signāls no Voyager 2. Signāli no Marsa arī ir aptuveni šādā secībā, ņemot vērā zondes attālumu un ierobežotos enerģijas resursus.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ir divi 100 vatu signāla pastiprinātāji katrai X joslai, ar vienu rezerves sistēmu, ja kāds no galvenajiem neizdodas. Tam ir arī eksperimentāls raidītājs, kas darbojas Ka joslā (frekvences 26-40 GHz diapazonā), kas pārraida ar 35 vatiem, bet tikai testēšanas nolūkos.
DSN lapa skaidri parāda, kam vai no kā dati pašlaik tiek sūtīti vai saņemti. Cita starpā, noklikšķinot uz īsceļa, kas norāda misiju, mēs varam redzēt papildu datus. Perseverance rover saīsināti sauc par M20, un dati galvenokārt nāk no MRO.
Lasi arī: Vieta datorā: 5 labākās astronomijas programmas
Jo tālāk kosmosā, jo lēnāks signāls
DSN sazinās arī ar citām zondēm, taču jūs zināt, jo tālāk tās atrodas no Zemes, jo lēnāks ir datu pārraides ātrums. Daudz kas ir atkarīgs arī no raidītāja jaudas konkrētajā kosmosa kuģī. Voyager 1, kas ir vistālāk no Zemes, pārraida datus ar ātrumu 160 bps, tikai nedaudz ātrāk nekā pirmie 1950. gadu modemi. Lai atvērtu vietni root-nation.com ar šo tekstu no tāda attāluma būs jāgaida vairāk nekā diena.
Savukārt signāls, kas zondi sasniedz no Zemes, ir daudz spēcīgāks, bet Voyager 1 antenas diametrs ir tikai 3,7 metri, kas, protams, signāla uztveršanu padara daudz vājāku nekā tad, ja tā būtu 70 metru antena.
Lasi arī: Parker Solar Probe parādīja Venēras nakts pusi
Cik daudz datu Marsa zonde vai roveris pārraida savas misijas laikā?
Marsa misijas parasti aizņem divus bāzes gadus plus pagarinātās misijas ilgums, un tās var ilgt vairāk nekā desmit gadus. Zondēm un instrumentiem, kas veic vizuālus novērojumus, ir nepieciešams vislielākais joslas platums, jo fotogrāfijas ir vismaz megabaiti datu. Signālā var būt daudz vairāk skaitlisku datu, kas raksturo citus mērījumus, atmosfēras parametrus, magnētisko lauku, temperatūru utt. Tāpēc īstais laiks ir par labu kosmosa zondēm. Viņi pārraida ne pārāk ātri, bet dara to neatlaidīgi gadiem ilgi.
Marsa Reconnaissance Orbiter (MRO), kas Marsu fotografē kopš 2005. gada, jau ir uzņēmis vairāk nekā 50 000 orbītu ap planētu un vairāk nekā 90 000 fotoattēlu, kas aptver 99% planētas virsmas (no 2017. gada). Turklāt tas pārraida raidījumus un attēlus no Marsa roveriem. Piemēram, Curiosity jau ir uzņēmis gandrīz miljonu neapstrādātu fotoattēlu (ne visas ir pārvērtušās par attēliem, par kuriem mēs apbrīnojam). No MRO savākto datu apjoms uz Zemes tuvojas 0,5 petabaitiem (aptuvenie dati uz 2021. gada sākumu).
Tomēr MRO ir uz fotogrāfijām un datiem orientēta misija. Salīdzinājumam, Cassini zonde, kas vairākus gadus pētījusi Saturnu un tā pavadoņus, nosūtīja atpakaļ uz Zemi tikai 635 GB datu, kas ietvēra 453 000 fotoattēlu. Savukārt roveris Opportunity, kas 15 gadus ceļoja ap Marsu, līdz 2018. gadam (īsi pēc tam, kad mēs uz visiem laikiem zaudējām kontaktus ar to) uz Zemi nosūtīja vairāk nekā 225 000 fotoattēlu.
Uz Marsu nosūtīto datu apjoms ir daudz mazāks. Tā kā tās galvenokārt ir komandas un to izpildes apstiprinājumi vai programmatūras labojumi (kas ir vissvarīgākie), to pārraidīšanai nav nepieciešami pat ļoti spēcīgi raidītāji.
Lasi arī: Kļuva zināms, kad Zemes atmosfēras skābeklis beigsies
Kā zonde vai roveris "runā" ar Zemi?
Mēs jau zinām, kā dati no Marsa tiek saņemti uz Zemes, bet kā tiek uzsākta saziņa no ierīcēm uz Sarkanās planētas? Zondēm, kas atrodas orbītā, ir labvēlīgāki apstākļi, lai sazinātos ar Zemi un nosūtītu lielu datu apjomu. Šādai saziņai tiek izmantota visbiežāk minētā X josla.. Perseverance rover, tāpat kā Curiosity, saziņai izmanto divus raidītājus (mazu un lielu jaudu), kas darbojas šajā joslā.
Ar viņu palīdzību roveris var patstāvīgi "zvanīt" uz mājām, bet datu pārraides ātrums no jaudīgā raidītāja ir maksimāli 800 bps, ja signālu uztver 70 metru antena, vai 160 bps, ja tas ir 34 metrus. antena. Mazjaudas raidītājs ir tikai pēdējais līdzeklis, jo tam ir tikai 10 bitu kanāls pārraidīšanai un 30 bitu kanāls datu saņemšanai.
Tāpēc mūsdienās Curiosity un Perserance roveri parasti vispirms UHF diapazonā pieslēdzas savai "bāzes stacijai" Marsa orbītā - zondēm, kurām ir daudz lielākas raidīšanas antenas. Šim nolūkam tiek izmantoti MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey un European Mars Express un TGO (Trace Gas Orbiter). Tie veido tīklu, ko sauc par MRN (Mars Relay Network).
Pirms šāda releju tīkla izveides kosmosa kuģiem, piemēram, Viking 1 un 2, bija jāpaļaujas uz pavadošajām orbītām. Tiešai saziņai ar Zemi tika izmantoti 20 W raidītāji un S-josla, sakari tika veikti ar frekvenci 381 MHz (UHF josla), līdzīgi kā mūsdienu roveriem.
Lasi arī: Crew Dragon nav vienīgais: kuri kuģi nākamajos gados dosies kosmosā
Kāds ir maksimālais Marsa un Zemes komunikācijas ātrums?
Šeit ir daudz nianšu. Tātad, Perserance vispirms nosūta attēlus un citus datus orbītas zondēm 400 MHz frekvencē, izmantojot antenu, kas atrodas rovera aizmugurē blakus radioizotopu termoelektriskā ģeneratora ekrānam. Sakaru līnijas joslas platums no virsmas līdz Sarkanās planētas orbītai ir līdz 2 Mbit/s. Savienojuma ar Marsa orbītu efektivitāte ir atkarīga no tā attāluma no Zemes, un tas, kā zināms, ir ļoti atšķirīgs.
Maksimālais savienojuma ātrums svārstās no 500 kb/s, kad Marss atrodas vistālāk no Zemes, līdz vairāk nekā 3 Mb/s, kad Marss ir vistuvāk mūsu planētai. Parasti tiek izmantotas 34m DSN antenas, apmēram 8 stundas dienā. Tomēr tas nenozīmē, ka pārraide vienmēr ir maksimālajā ātrumā, ko var redzēt no DSN antenu datiem.
Tāpat ir iespēja izveidot tiešu savienojumu starp Zemi un ierīcēm, kas atrodas uz Marsa virsmas, apejot zondes, kas atrodas planētas orbītā. Bet šādus savienojumus var izveidot tikai ārkārtas situācijās vai nosūtīt tikai vienkāršas vadības komandas. Šādi ierobežojumi ir saistīti ar faktu, ka signāla joslas platums uz Marsu no planētas orbītas ir 3-4 reizes lielāks nekā ar tiešu pārraidi no Zemes uz Marsa virsmu. Šādai saziņai tiek izmantotas antenas, kas darbojas X joslā, gan uz Zemes, gan uz rovera.
Bet ir arī komunikācijas pārtraukumi, kurus mēs šodien nevaram ietekmēt. Viņu cēlonis ir Saule. Pati Saule var traucēt datu pārraidi no tās tuvumā ejošajām zondēm, jo Sarkanā planēta ik pa laikam vienkārši paslēpjas no mums. Un tā kā mums vēl nav labi attīstīta sakaru tīkla Saules sistēmā, Marsam ir nepieciešamas apmēram 10 dienas, lai ik pēc diviem gadiem paslīdētu garām Saules diskam. Tieši šajā periodā saziņa ar roveriem un zondēm pilnībā nepastāv.
Reizēm citas izejas nav, ir smagi jāstrādā un jāgaida dati dienām vai pat mēnešiem
Par laimi, Marsa misiju gadījumā zinātniekiem šādas problēmas līdz šim nav bijušas. Bet, ja kāds no jums atceras deviņdesmito gadu Galileo zondi, jūs zināt, ka toreiz bija lielas problēmas ar zemes kontroli. Zondes raidīšanas antena bija tikai daļēji izvietota, tāpēc tā nevarēja sasniegt paredzēto joslas platumu 1990 kbps. Zinātniekiem bija jāizstrādā jaunas datu saspiešanas metodes, lai nezaudētu kontaktu ar zondi. Viņi spēja palielināt otrās zema pastiprinājuma antenas veiktspēju no 134-8 bps (jā, biti sekundē) līdz 16 bps un pēc tam līdz aptuveni 160 kbit/s. Tas joprojām bija ļoti maz, bet izrādījās pietiekami, lai glābtu misiju.
No otras puses, ļoti tālu esošiem kosmosa kuģiem jābūt aprīkotiem ar ļoti jaudīgām raidīšanas antenām un strāvas avotiem, jo pārraide aizņem ilgu laiku. No New Horizons zondes, kuras raidīšanas antenas jauda ir 12 W, pēc tās pārlidojuma netālu no Plutona zinātnieki vairākus mēnešus gaidīja pilnīgu pārraidīto datu kopumu.
Vai šo problēmu var atrisināt? Jā, tas ir iespējams, taču šim nolūkam mums ir jāizveido sakaru tīkli visā Saules sistēmā, taču tas prasa daudz laika un, protams, milzīgus finanšu iepludinājumus.
Ko mēs varam sagaidīt tālāk?
Esmu pārliecināts, ka mūs sagaida daudz interesantas informācijas no Marsa virsmas un ārpus tās. Cilvēce vēlas izlauzties no Zemes un izpētīt tālas planētas un citas Saules sistēmas. Iespējams, pēc dažām desmitgadēm šis mans raksts tikai liks pasmaidīt skolēniem uz Marsa vai kaut kur Alfa Kentauri. Varbūt tad cilvēce aizlidos uz citām planētām tikpat viegli un vienkārši, kā mēs tagad no Kijevas uz Ņujorku. Es esmu pārliecināts par vienu lietu, nav iespējams apturēt cilvēces vēlmi izpētīt kosmosu!
Interesanti arī:
