Ik weet zeker dat velen van jullie hebben gehoord of gelezen over de recente Doorzettingsvermogen landing op Mars, en binnenkort wacht de Rode Planeet al op de Arabian Hope en de Chinese Tianwen-1. Ik vraag me af hoe al deze sondes de gegevens van hun onderzoek naar de aarde verzenden? Vandaag wordt ruimtecommunicatie besproken.
Vluchten naar andere planeten zijn altijd een droom van de mensheid geweest. Er zijn veel speelfilms en documentaires gemaakt over dit onderwerp, die bijna tot in detail vertellen hoe het vliegproces zelf verloopt, hoe de bemanningsleden zich voelen of zullen voelen, wat er in zo'n omgeving moet gebeuren.
Onlangs keek de hele wereld met verrukking toe hoe de Perseverance rover landde op het oppervlak van de Rode Planeet en de eerste foto's nam na de landing. We hebben al de eerste foto's van de rover, die, ik zal je eraan herinneren, op 18 februari 2021 op Mars landde, evenals de eerste foto van het apparaat zelf.
Dit zijn technische foto's die direct na de landing zijn gemaakt, foto's van de wielen, evenals een foto van de rover zelf tijdens de landing, die is gemaakt door camera's die op de raketmodule zijn gemonteerd.
Maar ik betrapte mezelf er altijd op dat ik dacht, hoe slagen ze erin om zo snel verbinding te maken met de aarde en de beelden te verzenden? Ik vroeg me af of dit waar was of sciencefiction? Vandaag zal ik proberen mijn mening over dit onderwerp te delen.
Lees ook: Wat zullen doorzettingsvermogen en vindingrijkheid doen op Mars?
Hoe ver is Mars en wat betekent dat?
Laat me je eraan herinneren dat Mars, afhankelijk van het seizoen, ongeveer 55 tot 401 miljoen kilometer van de aarde verwijderd is. Hier hangt alles af van het samenvallen van de rotatiebanen, ook rond de zon. En aangezien elektromagnetische golven de snelste vorm van communicatie zijn, wordt de tijd die nodig is om informatie naar de Rode Planeet te sturen bepaald door de snelheid van het licht. Dat wil zeggen, als we een commando naar zo'n rover of sonde willen sturen, of data willen ontvangen, zullen we even moeten wachten.
Machines kunnen signaalvertragingen niet op dezelfde manier beïnvloeden als mensen, dus de vertraging kan oplopen tot 60 ms. En gedurende deze tijd zal het radiosignaal ongeveer 18 kilometer afleggen. In het geval van ruimtevoertuigen is de negatieve kant van dit fenomeen de onmogelijkheid om ze in realtime te besturen. Het enige dat overblijft is de overgang naar autonoom opereren, en dit geldt voor Perseverance zelf en waarschijnlijk nog meer voor de Ingenuity-helikopter, die over enkele tientallen dagen aan zijn 000-daagse missie moet beginnen. Dat wil zeggen, vanaf het oppervlak van Mars ontvangen we een signaal met een aanzienlijke vertraging, maar moderne apparaten hebben het bijna geminimaliseerd. Ja, het ontnam ons de mogelijkheid om apparaten vanaf de aarde te bedienen, maar het gaf een impuls aan de ontwikkeling van een nog grotere automatisering van dergelijke apparaten.
Lees ook: Top 10 feiten over enorme zwarte gaten ontdekt in 2020
Hoe verloopt de directe communicatie tussen de aarde en de missies die op Mars plaatsvinden?
Ik weet zeker dat deze vraag van belang is voor bijna iedereen die soortgelijke missies volgt. Hiervoor werd een netwerk van radiotelescopen genaamd Deep Space Network (DSN) gecreëerd, dat deel uitmaakt van een nog grotere structuur genaamd SCaN (Space Communication and Navigation).
Dit centrum verbindt alle zenders en ontvangers op aarde die worden gebruikt om te communiceren met ruimtevaartuigen en astronauten in de ruimte. DSN wordt bestuurd door NASA's Jet Propulsion Laboratory.
Radiotelescopen, waarvan de grootste tot 70 meter in diameter zijn, bevinden zich in de buurt van Madrid in Spanje, Canberra in Australië en Goldstone in de Mojave-woestijn in de Verenigde Staten. Deze opstelling op verschillende punten op het aardoppervlak minimaliseert het risico op communicatieonderbrekingen en maakt het mogelijk om de snelheid van signaalontvangst en -overdracht te verhogen.
Het is interessant dat China, om onafhankelijk te worden van andere netwerken, zijn eigen radiotelescoop heeft gebouwd, ook ongeveer 70 m groot, waarmee het communiceert met Tianwen-1. Vanuit deze baan zijn onder meer de eerste foto's van de planeet gemaakt.
Lees ook: Wat kan ons ervan weerhouden Mars te koloniseren?
Er is een enorm verschil tussen het uitgangssignaal en het ontvangen signaalvermogen
Laten we nu verder gaan met de technische mogelijkheden van deze zenders. Er zijn hier ook veel interessante dingen. We weten dus dat de zenders die op deze antennes zijn gemonteerd en gericht zijn op ruimteobjecten een vermogen hebben van 20 kW in de X-band (frequenties van 8 tot ongeveer 12 GHz) tot 400 kW (maar er moet aan worden herinnerd dat het gebruik van vermogen van meer dan 100 kW vereist aanpassingen afhankelijk van de luchtsamenstelling en verkeersbeheer) in de S-band (frequenties rond 2 tot 4 GHz, d.w.z. vergelijkbaar met wifi thuis of sommige mobiele netwerken). Ter vergelijking: het vermogen van de sterkste 5G-basisstationzenders is 120 watt, maar het is meestal veel lager en de straal is anders gevormd dan in het geval van uitzendingen naar ruimtevaartuigen.
Bij ontvangst van een signaal kunnen de grootste antennes van het DSN-netwerk een straal opvangen met een vermogen in de orde van grootte van 10-18 W. Zo'n vermogen heeft bijvoorbeeld het signaal van Voyager 2. Signalen van Mars zijn ook ongeveer van deze orde, gezien de afstand en de beperkte energiebronnen van de sondes.
De Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) heeft twee signaalversterkers van 100 watt voor elke X-band, met één back-up als een van de belangrijkste uitvalt. Het heeft ook een experimentele zender die werkt in de Ka-band (frequenties in het 26-40 GHz-bereik) die zendt met 35 watt, maar alleen voor testdoeleinden.
DSN-pagina duidelijk laat zien naar wie of van wie op dat moment gegevens worden verzonden of ontvangen. Nadat we onder andere op de snelkoppeling hebben geklikt die de missie aangeeft, kunnen we aanvullende gegevens zien. De Perseverance-rover heet kortweg M20 en de gegevens komen voornamelijk van MRO.
Lees ook: Ruimte op je computer: 5 beste programma's voor astronomie
Hoe verder de ruimte in, hoe langzamer het signaal
DSN communiceert ook met andere sondes, maar u weet dat hoe verder ze van de aarde zijn, hoe langzamer de gegevenssnelheid. Veel hangt ook af van het vermogen van de zender op een bepaald ruimtevaartuig. Voyager 1, het verst van de aarde verwijderd, verzendt gegevens met 160 bps, slechts iets sneller dan de eerste modems van de jaren vijftig. Een website openen root-nation.com met deze tekst van zo'n afstand zul je meer dan een dag moeten wachten.
Het signaal dat de sonde vanaf de aarde bereikt, is op zijn beurt veel sterker, maar de antenne van de Voyager 1 heeft een diameter van slechts 3,7 meter, wat de signaalontvangst natuurlijk veel zwakker maakt dan wanneer het een antenne van 70 meter zou zijn.
Lees ook: Parker Solar Probe toonde de nachtzijde van Venus
Hoeveel gegevens verzendt een Mars-sonde of -rover tijdens zijn missie?
Mars-missies duren doorgaans twee basisjaren plus de duur van een langere missie, en kunnen meer dan tien jaar duren. Sondes en instrumenten die visuele waarnemingen uitvoeren, hebben de meeste bandbreedte nodig, omdat foto's minstens megabytes aan gegevens zijn. Het signaal kan veel meer numerieke gegevens bevatten die kenmerkend zijn voor andere metingen, parameters van de atmosfeer, magnetisch veld, temperatuur, enz. Daarom is de tijd rijp voor ruimtesondes. Ze zenden niet te snel uit, maar doen het jarenlang volhardend.
De Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), die sinds 2005 Mars fotografeert, heeft al meer dan 50 banen rond de planeet gemaakt en meer dan 000 foto's die 90% van het aardoppervlak beslaan (vanaf 000). Bovendien verzendt het uitzendingen en beelden van Mars-rovers. Curiosity heeft bijvoorbeeld al bijna een miljoen onbewerkte foto's gemaakt (niet allemaal omgezet in foto's die we bewonderen). De hoeveelheid verzamelde gegevens op aarde van MRO nadert de 99 petabyte (geschatte gegevens vanaf begin 2017).
MRO is echter een foto- en datagerichte missie. Ter vergelijking: de Cassini-sonde, die al enkele jaren Saturnus en zijn manen bestudeert, stuurde slechts 635 GB aan gegevens terug naar de aarde, waaronder 453 foto's. Op zijn beurt, de rover Opportunity, dat 15 jaar rond Mars reisde, stuurde in 2018 meer dan 225 foto's terug naar de aarde (kort nadat we het contact ermee voorgoed verloren hadden).
De hoeveelheid data die naar Mars wordt gestuurd is veel kleiner. Aangezien dit voornamelijk commando's en bevestigingen van hun uitvoering zijn, of softwarereparaties (die de belangrijkste zijn), hebben ze zelfs geen zeer krachtige zenders nodig om ze te verzenden.
Lees ook: Het werd bekend wanneer de atmosferische zuurstof van de aarde opraakt
Hoe "praat" een sonde of rover met de aarde?
We weten al hoe gegevens van Mars op aarde worden ontvangen, maar hoe wordt communicatie geïnitieerd vanaf apparaten op de Rode Planeet? Sondes die zich in een baan om de aarde bevinden, hebben gunstigere omstandigheden om met de aarde te communiceren en grote hoeveelheden gegevens te verzenden. Voor dergelijke communicatie wordt de meest genoemde X-band gebruikt.De Perseverance rover gebruikt, net als Curiosity, twee zenders (laag en hoog vermogen) die op deze band werken.
Met hun hulp kan de rover zelfstandig naar huis "bellen", maar de gegevensoverdrachtsnelheid van de krachtige zender is maximaal 800 bps wanneer het signaal wordt ontvangen door een antenne van 70 meter, of 160 bps wanneer het een 34 meter lange antenne is. antenne. Een zender met laag vermogen is slechts een laatste redmiddel, omdat deze alleen een 10-bits kanaal heeft voor het verzenden en een 30-bits kanaal voor het ontvangen van gegevens.
Daarom maken de Curiosity- en Perserance-rovers tegenwoordig meestal eerst verbinding in het UHF-bereik met hun "basisstation" in een baan om Mars - sondes die veel grotere zendantennes hebben. Hiervoor worden MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey en European Mars Express en TGO (Trace Gas Orbiter) ingezet. Ze vormen een netwerk genaamd MRN (Mars Relay Network).
Voordat een dergelijk relaisnetwerk werd opgezet, moesten ruimtevaartuigen zoals Viking 1 en 2 vertrouwen op begeleidende banen. Voor directe communicatie met de aarde werden 20 W-zenders en S-band gebruikt, communicatie vond plaats op een frequentie van 381 MHz (UHF-band), vergelijkbaar met de huidige rovers.
Lees ook: Crew Dragon is niet de enige: welke schepen gaan de komende jaren de ruimte in
Wat is de maximale snelheid van communicatie tussen Mars en Aarde?
Er zijn hier veel nuances. Perserance stuurt dus eerst afbeeldingen en andere gegevens naar de sondes die in een baan rond de 400 MHz draaien met behulp van een antenne aan de achterkant van de rover, naast het scherm van de thermo-elektrische generator van de radio-isotoop. De bandbreedte van de communicatielijn van het oppervlak naar de baan van de Rode Planeet is maximaal 2 Mbit/s. De efficiëntie van de verbinding met de baan van Mars hangt af van de afstand tot de aarde, en dit varieert, zoals u weet, sterk.
De maximale verbindingssnelheid varieert van 500 kbps wanneer Mars het verst van de aarde verwijderd is tot meer dan 3 Mbps wanneer Mars het dichtst bij onze planeet is. Meestal worden DSN-antennes van 34 m gebruikt, ongeveer 8 uur per dag. Dit betekent echter niet dat de transmissie altijd de maximale snelheid heeft die uit de gegevens van de DSN-antennes blijkt.
Er is ook een mogelijkheid om een directe verbinding tot stand te brengen tussen de aarde en de apparaten die zich op het oppervlak van Mars bevinden, waarbij de sondes die zich in de baan van de planeet bevinden, worden omzeild. Maar dergelijke verbindingen kunnen alleen worden gemaakt in noodsituaties of om alleen eenvoudige stuurcommando's te verzenden. Dergelijke beperkingen zijn te wijten aan het feit dat de bandbreedte van het signaal naar Mars vanuit de baan van de planeet 3-4 keer groter is dan bij directe transmissie van de aarde naar het oppervlak van Mars. Antennes die in de X-band werken, worden voor dergelijke communicatie gebruikt, zowel op aarde als op de rover.
Maar er zijn ook onderbrekingen in de communicatie, die we vandaag niet kunnen beïnvloeden. Hun oorzaak is de zon. De zon zelf kan interfereren met de overdracht van gegevens van sondes die in de buurt komen, omdat de rode planeet zich van tijd tot tijd voor ons verbergt. En aangezien we nog geen goed ontwikkeld communicatienetwerk in het zonnestelsel hebben, doet Mars er om de twee jaar ongeveer 10 dagen over om langs de zonneschijf te glippen. Het is tijdens deze periode dat communicatie met rovers en sondes volledig afwezig is.
Soms is er geen andere uitweg, moet je hard werken en dagen of zelfs maanden wachten op gegevens
Gelukkig hebben wetenschappers in het geval van Mars-missies tot nu toe niet zulke problemen gehad. Maar als iemand van jullie zich de Galileo-sonde van de jaren negentig herinnert, weet je dat er toen grote problemen waren met de grondcontrole. De zendantenne van de sonde was slechts gedeeltelijk ontplooid, waardoor de beoogde bandbreedte van 1990 kbps niet kon worden gehaald. Wetenschappers moesten nieuwe datacompressiemethoden ontwikkelen om het contact met de sonde niet te verliezen. Ze waren in staat om de prestaties van de tweede low-gain antenne te verhogen van 134-8 bps (ja, bits per seconde) naar 16 bps en vervolgens naar ongeveer 160 kbit/s. Het was nog steeds erg weinig, maar het bleek genoeg te zijn om de missie te redden.
Aan de andere kant moeten zeer verre ruimtevaartuigen worden uitgerust met zeer krachtige zendantennes en stroombronnen omdat de verzending lang duurt. Van de New Horizons-sonde, waarvan de zendantenne een vermogen van 12 W heeft, wachtten wetenschappers na zijn vlucht bij Pluto maandenlang op een complete set verzonden gegevens.
Kan dit probleem worden opgelost? Ja, het is mogelijk, maar hiervoor moeten we communicatienetwerken in het hele zonnestelsel bouwen, maar dit kost veel tijd en natuurlijk enorme financiële infusies.
Wat kunnen we hierna verwachten?
Ik ben er zeker van dat er veel interessante informatie op ons wacht vanaf het oppervlak van Mars en daarbuiten. De mensheid staat te popelen om uit de aarde te breken en verre planeten en andere zonnestelsels te verkennen. Misschien zal dit artikel van mij over een paar decennia alleen schoolkinderen op Mars of ergens in Alpha Centauri doen glimlachen. Misschien vliegt de mensheid dan net zo gemakkelijk en eenvoudig naar andere planeten als wij nu van Kiev naar New York zijn. Ik ben zeker van één ding, het is onmogelijk om het verlangen van de mensheid om de ruimte te verkennen te stoppen!
Ook interessant:
