Сигурен сум дека многумина од вас слушнале или прочитале за неодамнешниот Упорност слетување на Марс, а наскоро Црвената планета веќе ги чека арапската надеж и кинескиот Тианвен-1. Се прашувам како сите овие сонди ги пренесуваат податоците од нивното истражување на Земјата? Денеска ќе се разговара за вселенската комуникација.
Летовите до други планети отсекогаш биле сон на човештвото. На оваа тема се снимени многу играни и документарни филмови кои речиси детално кажуваат како се одвива самиот процес на летање, како се чувствуваат или ќе се чувствуваат членовите на екипажот, што треба да се прави во таква средина.
Неодамна целиот свет со воодушевување гледаше како роверот Perseverance слета на површината на Црвената планета и ги направи првите фотографии по слетувањето. Веќе ги имаме првите фотографии од роверот, кој, ќе ве потсетам, слета на Марс на 18 февруари 2021 година, како и првата фотографија од самиот уред.
Станува збор за технички фотографии направени веднаш по слетувањето, фотографии од тркалата, како и фотографија од самиот ровер за време на слетувањето, која е направена од камери поставени на ракетниот модул.
Но, секогаш се фаќав себеси како размислувам, како успеваат толку брзо да се поврзат со Земјата и да ја пренесат снимката? Се прашував дали ова е вистина или научна фантастика. Денес ќе се обидам да ги споделам моите размислувања на оваа тема.
Прочитајте исто така: Што ќе направат упорноста и генијалноста на Марс?
До каде е Марс и што значи тоа?
Да ве потсетам дека Марс, во зависност од сезоната, е оддалечен приближно 55 до 401 милион километри од Земјата. Овде сè зависи од совпаѓањето на орбитите на ротација, вклучително и околу Сонцето. И бидејќи најбрзата форма на комуникација се електромагнетните бранови, времето потребно за испраќање информации до Црвената планета ќе се определи според брзината на светлината. Односно, ако сакаме да испратиме команда до таков ровер или сонда, или да добиеме податоци, ќе треба да почекаме малку.
Машините не можат да влијаат на одложувањата на сигналот на ист начин како луѓето, така што доцнењето може да биде до 60 ms. И за тоа време, радио сигналот ќе помине околу 18 километри. Во случајот со вселенските возила, негативната страна на оваа појава е неможноста да се контролираат во реално време. Останува само преминот кон автономна операција, а тоа се однесува и на самиот Perseverance и веројатно уште повеќе на хеликоптерот Ingenuity, кој треба да ја започне својата 000-дневна мисија во следните десетици дена. Односно, од површината на Марс добиваме сигнал со значително задоцнување, но современите уреди речиси го минимизираа. Да, ни ја одзеде можноста да контролираме уреди од Земјата, но даде поттик за развој на уште поголема автоматизација на таквите уреди.
Прочитајте исто така: Топ 10 факти за масивни црни дупки откриени во 2020 година
Како е директната комуникација помеѓу Земјата и мисиите кои работат на Марс
Сигурен сум дека ова прашање ги интересира речиси сите што следат слични мисии. Така, за ова е создадена мрежа на радио телескопи наречена Мрежа на длабока вселена (DSN), која е дел од уште поголема структура наречена SCaN (Вселенска комуникација и навигација).
Овој центар ги поврзува сите предаватели и приемници на Земјата кои се користат за комуникација со вселенски летала и астронаути во вселената. DSN е контролиран од лабораторијата за млазен погон на НАСА.
Радио телескопите, од кои најголемите се со дијаметар до 70 метри, се наоѓаат во близина на Мадрид во Шпанија, Канбера во Австралија и Голдстон во пустината Мохаве во САД. Овој распоред на различни точки на површината на Земјата го минимизира ризикот од прекини во комуникацијата и овозможува да се зголеми брзината на прием и пренос на сигналот.
Интересно е што Кина, за да се осамостои од другите мрежи, изгради свој радио телескоп, исто така со големина од околу 70 m, со кој комуницира со Tianwen-1. Меѓу другите, од оваа орбита се направени и првите слики на планетата.
Прочитајте исто така: Што може да не спречи да го колонизираме Марс?
Има огромна разлика помеѓу моќноста на излезниот и примениот сигнал
Сега да преминеме на техничките можности на овие предаватели. Тука има и многу интересни работи. Значи, знаеме дека предавателите поставени на овие антени и насочени кон вселенски објекти имаат моќност од 20 kW во X-појасот (фреквенции од 8 до околу 12 GHz) до 400 kW (но треба да се запомни дека употребата на моќност над 100 kW бара прилагодувања во зависност од составот на воздухот и управувањето со сообраќајот) во S-појасот (фреквенции околу 2 до 4 GHz, т.е. слични на домашниот Wi-Fi или некои мобилни мрежи). За споредба, моќноста на најсилните предаватели на базната станица 5G е 120 вати, но обично е многу помала и зракот се формира поинаку отколку во случајот со преносите до вселенските летала.
При примање сигнал, најголемите антени на мрежата DSN можат да фатат зрак со моќност од редот од 10-18 W. Таква моќ, на пример, има сигналот од Војаџер 2. Сигналите од Марс се исто така приближно од овој ред, со оглед на растојанието и ограничените енергетски ресурси на сондите.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) има два засилувачи на сигнал од 100 вати за секој X-бенд, со една резервна копија доколку еден од главните не успее. Има и експериментален предавател кој работи во опсегот Ka (фреквенции во опсег од 26-40 GHz) кој емитува на 35 вати, но само за цели на тестирање.
DSN страница јасно покажува на кого или од кого моментално се испраќаат или примаат податоците. Меѓу другото, по кликнување на кратенката што ја покажува мисијата, можеме да видиме дополнителни податоци. Роверот Perseverance накратко се вика М20, а податоците доаѓаат главно од МРО.
Прочитајте исто така: Простор на вашиот компјутер: 5 најдобри програми за астрономија
Колку е подалеку во вселената, толку е побавен сигналот
DSN, исто така, комуницира со други сонди, но знаете колку тие се подалеку од Земјата, толку е побавна брзината на пренос на податоци. Многу зависи и од моќта на предавателот на дадено вселенско летало. Војаџер 1, најоддалечениот од Земјата, пренесува податоци со брзина од 160 bps, само малку побрзо од првите модеми од 1950-тите. За да отворите веб-локација root-nation.com со овој текст од толкава дистанца ќе треба да чекате повеќе од еден ден.
За возврат, сигналот што стигнува до сондата од Земјата е многу посилен, но антената на Војаџер 1 е со дијаметар од само 3,7 метри, што, се разбира, го прави приемот на сигналот многу послаб отколку да се работи за антена од 70 метри.
Прочитајте исто така: Соларната сонда Паркер ја покажа ноќната страна на Венера
Колку податоци пренесува сонда или ровер на Марс за време на својата мисија?
Мисиите на Марс обично траат две базни години плус времетраењето на продолжената мисија и може да траат повеќе од една деценија. Сондите и инструментите кои вршат визуелни набљудувања бараат најголем пропусен опсег бидејќи фотографиите се најмалку мегабајти податоци. Сигналот може да содржи многу повеќе нумерички податоци кои карактеризираат други мерења, параметри на атмосферата, магнетно поле, температура итн. Затоа, вистинското време е во корист на вселенските сонди. Не емитуваат пребрзо, но тоа го прават упорно со години.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), кој го фотографира Марс од 2005 година, веќе има направено повеќе од 50 орбити околу планетата и повеќе од 000 фотографии кои покриваат 90% од површината на планетата (од 000 година). Покрај тоа, тој пренесува преноси и слики од ровери на Марс. На пример, Curiosity веќе има направено речиси милион сирови фотографии (не сите се претворија во слики на кои им се восхитуваме). Количината на собраните податоци на Земјата од МРО се приближува до 99 петабајти (проценети податоци од почетокот на 2017 година).
Сепак, МРО е мисија ориентирана кон фотографии и податоци. За споредба, сондата Касини, која го проучува Сатурн и неговите месечини веќе неколку години, испрати само 635 GB податоци назад на Земјата, кои вклучуваат 453 фотографии. За возврат, роверот Opportunity, кој патуваше околу Марс 15 години, испрати повеќе од 2018 фотографии назад на Земјата до 225 година (кратко откако засекогаш го изгубивме контактот со неа).
Количината на податоци испратени до Марс е многу помала. Бидејќи ова се главно команди и потврди за нивното извршување, или софтверски поправки (кои се најважни), тие не бараат дури и многу моќни предаватели за да ги пренесат.
Прочитајте исто така: Се дозна кога ќе истече атмосферскиот кислород на Земјата
Како сонда или ровер „разговараат“ со Земјата?
Веќе знаеме како се примаат податоците од Марс на Земјата, но како се иницира комуникацијата од уредите на Црвената планета? Сондите кои се во орбитата имаат поповолни услови за да комуницираат со Земјата и да испратат големи количини на податоци. За таква комуникација се користи најчесто споменуваниот X-бенд. Роверот Perseverance, како Curiosity, користи два предаватели (ниска и висока моќност) кои работат на овој опсег за комуникација.
Со нивна помош, роверот може самостојно да „повикува“ дома, но брзината на пренос на податоци од моќниот предавател е максимум 800 bps кога сигналот го прима антена од 70 метри, или 160 bps кога е 34 метри. антена. Предавател со мала моќност е само последна опција бидејќи има само 10-битен канал за пренос и 30-битен канал за примање податоци.
Затоа, денес роверите Curiosity и Perserance обично прво се поврзуваат во опсегот UHF со нивната „базна станица“ во орбитата на Марс - сонди кои имаат многу поголеми предавателни антени. За ова се користат MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey и European Mars Express и TGO (Trace Gas Orbiter). Тие формираат мрежа наречена MRN (Mars Relay Network).
Пред да се воспостави таква релејна мрежа, вселенските летала како Викинг 1 и 2 мораа да се потпираат на придружните орбити. За директна комуникација со Земјата се користеа предаватели од 20 W и S-појас, комуникацијата се вршеше на фреквенција од 381 MHz (UHF опсег), слично на денешните ровери.
Прочитајте исто така: Crew Dragon не е единствениот: кои бродови ќе одат во вселената во наредните години
Која е максималната брзина на комуникацијата Марс-Земја?
Тука има многу нијанси. Значи, Perserance прво испраќа слики и други податоци до орбиталните сонди на 400 MHz со помош на антена која се наоѓа на задниот дел на роверот, веднаш до екранот на термоелектричниот генератор на радиоизотоп. Пропусниот опсег на комуникациската линија од површината до орбитата на Црвената планета е до 2 Mbit/s. Ефикасноста на врската со орбитата на Марс зависи од неговата оддалеченост од Земјата, а тоа, како што знаете, многу варира.
Максималната брзина на поврзување варира од 500 kbps кога Марс е најоддалечен од Земјата до повеќе од 3 Mbps кога Марс е најблиску до нашата планета. Обично се користат 34m DSN антени, околу 8 часа на ден. Тоа, сепак, не значи дека преносот е секогаш со максимална брзина што може да се види од податоците на антените на DSN.
Исто така, постои можност да се воспостави директна врска помеѓу Земјата и уредите кои се наоѓаат на површината на Марс, заобиколувајќи ги сондите кои се во орбитата на планетата. Но, таквите врски може да се направат само во итни ситуации или да се испраќаат само едноставни контролни команди. Ваквите ограничувања се должат на фактот што пропусниот опсег на сигналот до Марс од орбитата на планетата е 3-4 пати поголем отколку со директен пренос од Земјата до површината на Марс. За таква комуникација се користат антени кои работат во опсегот X, и на Земјата и на роверот.
Но, има и прекини во комуникацијата, на кои денес не можеме да влијаеме. Нивната причина е Сонцето. Самото Сонце може да го попречи преносот на податоците од сонди кои минуваат во негова близина, бидејќи Црвената планета едноставно се крие од нас од време на време. И бидејќи сè уште немаме добро развиена комуникациска мрежа во Сончевиот систем, на Марс му требаат околу 10 дена да се провлече покрај сончевиот диск на секои две години. Во овој период комуникацијата со ровери и сонди е целосно отсутна.
Некогаш нема друг излез, треба да се работи напорно и да се чекаат податоци со денови или дури месеци
За среќа, во случајот со мисиите на Марс, научниците досега немале такви проблеми. Но, ако некој од вас се сеќава на сондата Галилео од 1990-тите, знаете дека тогаш имаше големи проблеми со контролата на земјата. Преносната антена на сондата беше само делумно распоредена, така што не беше во можност да го постигне предвидениот пропусен опсег од 134 kbps. Научниците мораа да развијат нови методи за компресија на податоци за да не изгубат контакт со сондата. Тие можеа да ги зголемат перформансите на втората антена со ниско засилување од 8-16 bps (да, битови во секунда) на 160 bps, а потоа на околу 1 kbit/s. Сè уште беше многу малку, но се покажа дека е доволно за да се спаси мисијата.
Од друга страна, многу оддалечените вселенски летала мора да бидат опремени со многу моќни предавателни антени и извори на енергија бидејќи преносот трае долго време. Од сондата New Horizons, чија предавателна антена има моќност од 12 W, по нејзиното прелетување во близина на Плутон, научниците чекаа со месеци за комплетен сет на пренесени податоци.
Дали може да се реши овој проблем? Да, тоа е можно, но за ова треба да изградиме комуникациски мрежи низ Сончевиот систем, но ова бара многу време и, се разбира, огромни финансиски инфузии.
Што можеме да очекуваме следно?
Сигурен сум дека не чекаат многу интересни информации од површината на Марс и пошироко. Човештвото е желно да излезе од Земјата и да ги истражи далечните планети и други сончеви системи. Можеби за неколку децении овој мој напис само ќе ги насмее учениците на Марс или некаде во Алфа Кентаури. Можеби тогаш човештвото ќе лета на други планети толку лесно и едноставно како што сме сега од Киев до Њујорк. Во едно сум сигурен, невозможно е да се запре желбата на човештвото за истражување на вселената!
Исто така интересно:
