Jeg er sikker på at mange av dere har hørt eller lest om den nylige Utholdenhet lander på Mars, og snart venter den røde planeten allerede på det arabiske håpet og det kinesiske Tianwen-1. Jeg lurer på hvordan alle disse sondene overfører data fra forskningen deres til jorden? Romkommunikasjon vil bli diskutert i dag.
Flyreiser til andre planeter har alltid vært en drøm for menneskeheten. Det er spilt inn mange spillefilmer og dokumentarer om dette temaet, som nesten i detalj forteller hvordan selve flyprosessen foregår, hvordan besetningsmedlemmene har det eller vil ha det, hva som bør gjøres i et slikt miljø.
Nylig så hele verden med glede på at Perseverance-roveren landet på overflaten av den røde planeten og tok de første bildene etter landing. Vi har allerede de første bildene fra roveren, som, jeg vil minne deg på, landet på Mars 18. februar 2021, samt det første bildet av selve enheten.
Dette er tekniske bilder tatt rett etter landing, bilder av hjulene, samt et bilde av selve roveren under landing, som er tatt av kameraer montert på rakettmodulen.
Men jeg tok meg selv i å tenke, hvordan klarer de å koble seg til jorden så raskt og overføre opptakene? Jeg lurte på om dette var sant eller science fiction? I dag skal jeg prøve å dele mine tanker om dette emnet.
Les også: Hva vil utholdenhet og oppfinnsomhet gjøre på Mars?
Hvor langt er Mars, og hva betyr det?
La meg minne deg på at Mars, avhengig av årstid, er omtrent 55 til 401 millioner kilometer fra Jorden. Her avhenger alt av sammenfallet av rotasjonsbanene, inkludert rundt solen. Og siden den raskeste formen for kommunikasjon er elektromagnetiske bølger, vil tiden det tar å sende informasjon til den røde planeten bli bestemt av lysets hastighet. Det vil si at hvis vi ønsker å sende en kommando til en slik rover eller sonde, eller motta data, må vi vente litt.
Maskiner kan ikke påvirke signalforsinkelser på samme måte som mennesker kan, så forsinkelsen kan være opptil 60 ms. Og i løpet av denne tiden vil radiosignalet reise rundt 18 000 kilometer. Når det gjelder romfartøyer, er den negative siden av dette fenomenet umuligheten av å kontrollere dem i sanntid. Det eneste som gjenstår er overgangen til autonom drift, og det gjelder selve Perseverance og trolig enda mer for Ingenuity-helikopteret, som skal begynne sitt 30 dager lange oppdrag i løpet av de neste dusin dagene. Det vil si at fra overflaten til Mars mottar vi et signal med en betydelig forsinkelse, men moderne enheter har nesten minimert det. Ja, det fratok oss muligheten til å kontrollere enheter fra jorden, men det ga en drivkraft til utviklingen av enda større automatisering av slike enheter.
Les også: Topp 10 fakta om massive sorte hull oppdaget i 2020
Hvordan er direkte kommunikasjon mellom jorden og oppdragene som opererer på Mars
Jeg er sikker på at dette spørsmålet er av interesse for nesten alle som følger lignende oppdrag. Så for dette ble det opprettet et nettverk av radioteleskoper kalt Deep Space Network (DSN), som er en del av en enda større struktur kalt SCaN (Space Communication and Navigation).
Dette senteret kobler sammen alle sendere og mottakere på jorden som brukes til å kommunisere med romfartøy og astronauter i verdensrommet. DSN kontrolleres av NASAs Jet Propulsion Laboratory.
Radioteleskoper, hvorav de største er opptil 70 meter i diameter, befinner seg nær Madrid i Spania, Canberra i Australia og Goldstone i Mojave-ørkenen i USA. Dette arrangementet på ulike punkter på jordoverflaten minimerer risikoen for kommunikasjonsavbrudd og gjør det mulig å øke hastigheten på signalmottak og overføring.
Det er interessant at Kina, for å bli uavhengig av andre nettverk, bygde sitt eget radioteleskop, også rundt 70 m stort, som det kommuniserer med Tianwen-1 med. Blant annet ble de første bildene av planeten tatt fra denne banen.
Les også: Hva kan hindre oss i å kolonisere Mars?
Det er en enorm forskjell mellom utgangs- og mottatt signaleffekt
La oss nå gå videre til de tekniske egenskapene til disse senderne. Det er også mye interessant her. Så vi vet at senderne som er montert på disse antennene og rettet mot romobjekter har effekt fra 20 kW i X-båndet (frekvenser fra 8 til ca. 12 GHz) til 400 kW (men det bør huskes at bruk av strøm over 100 kW krever justeringer avhengig av luftsammensetning og trafikkstyring) i S-båndet (frekvenser rundt 2 til 4 GHz, dvs. ligner på hjemme-Wi-Fi eller enkelte mobilnettverk). Til sammenligning er effekten til de sterkeste 5G-basestasjonens sendere 120 watt, men den er vanligvis mye lavere og strålen dannes annerledes enn ved overføringer til romfartøy.
Når du mottar et signal, er de største antennene i DSN-nettverket i stand til å fange en stråle med en effekt i størrelsesorden 10-18 W. Slik kraft har for eksempel signalet fra Voyager 2. Signaler fra Mars er også omtrent av denne størrelsesorden, gitt avstanden og begrensede energiressurser til sondene.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) har to 100-watts signalforsterkere for hvert X-bånd, med en backup hvis en av de viktigste svikter. Den har også en eksperimentell sender som opererer i Ka-båndet (frekvenser i området 26-40 GHz) som sender med 35 watt, men kun for testformål.
DSN-siden viser tydelig til hvem eller fra hvem data sendes eller mottas for øyeblikket. Blant annet, etter å ha klikket på snarveien som indikerer oppdraget, kan vi se ytterligere data. Perseverance-roveren kalles for kort M20, og dataene kommer hovedsakelig fra MRO.
Les også: Plass på datamaskinen din: 5 beste programmer for astronomi
Jo lenger ut i verdensrommet, jo langsommere er signalet
DSN kommuniserer også med andre sonder, men du vet jo lenger de er fra jorden, desto langsommere er datahastigheten. Mye avhenger også av kraften til senderen på et gitt romfartøy. Voyager 1, som er lengst unna jorden, overfører data med 160 bps, bare litt raskere enn de første modemene på 1950-tallet. For å åpne et nettsted root-nation.com med denne teksten fra en slik avstand, må du vente mer enn en dag.
På sin side er signalet som når sonden fra jorden mye sterkere, men Voyager 1s antenne er bare 3,7 meter i diameter, noe som selvfølgelig gjør signalmottaket mye svakere enn om det var en 70 meter lang antenne.
Les også: Parker Solar Probe viste nattsiden av Venus
Hvor mye data overfører en Mars-sonde eller rover under oppdraget sitt?
Mars-oppdrag tar vanligvis to basisår pluss varigheten av et utvidet oppdrag, og kan vare mer enn et tiår. Prober og instrumenter som utfører visuelle observasjoner krever mest båndbredde fordi fotografier er minst megabyte med data. Signalet kan inneholde mye mer numeriske data som karakteriserer andre målinger, parametere for atmosfæren, magnetfelt, temperatur, etc. Derfor er tiden inne til fordel for romsonder. De sender ikke for fort, men de gjør det vedvarende i årevis.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), som har fotografert Mars siden 2005, har allerede tatt mer enn 50 000 baner rundt planeten og mer enn 90 000 bilder som dekker 99 % av planetens overflate (per 2017). I tillegg overfører den sendinger og bilder fra Mars-rovere. For eksempel har Curiosity allerede tatt nesten en million rå bilder (ikke alle ble til bilder som vi beundrer). Mengden innsamlede data på jorden fra MRO nærmer seg 0,5 petabyte (estimerte data fra begynnelsen av 2021).
Imidlertid er MRO et foto- og dataorientert oppdrag. Til sammenligning sendte Cassini-sonden, som har studert Saturn og dens måner i flere år, bare 635 GB data tilbake til jorden, som inkluderte 453 000 bilder. I sin tur roveren Opportunity, som reiste rundt Mars i 15 år, sendte mer enn 2018 225 bilder tilbake til jorden innen 000 (kort tid etter at vi mistet kontakten med den for alltid).
Mengden data som sendes til Mars er mye mindre. Siden dette hovedsakelig er kommandoer og bekreftelser på utførelse av dem, eller programvarefikser (som er de viktigste), krever de ikke engang veldig kraftige sendere for å overføre dem.
Les også: Det ble kjent når jordens atmosfæriske oksygen vil gå tom
Hvordan "snakker" en sonde eller rover til jorden?
Vi vet allerede hvordan data fra Mars mottas på jorden, men hvordan startes kommunikasjon fra enheter på den røde planeten? Sonder som er i bane har gunstigere forhold for å kunne kommunisere med jorden og sende store datamengder. For slik kommunikasjon brukes det oftest nevnte X-båndet Perseverance-roveren bruker i likhet med Curiosity to sendere (lav og høy effekt) som opererer på dette båndet for kommunikasjon.
Med deres hjelp kan roveren uavhengig "ringe" hjem, men dataoverføringshastigheten fra den kraftige senderen er maksimalt 800 bps når signalet mottas av en 70-meters antenne, eller 160 bps når det er en 34-meters antenne. En laveffektsender er bare en siste utvei fordi den kun har en 10-bits kanal for overføring og en 30-bits kanal for å motta data.
Derfor kobler Curiosity- og Perserance-roverne i dag seg vanligvis først i UHF-området til deres "basestasjon" i Mars-bane – sonder som har mye større senderantenner. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey og European Mars Express og TGO (Trace Gas Orbiter) brukes til dette. De danner et nettverk kalt MRN (Mars Relay Network).
Før et slikt relénettverk ble etablert, måtte romfartøyer som Viking 1 og 2 stole på ledsagerbaner. For direkte kommunikasjon med Jorden ble det brukt 20 W-sendere og S-bånd, kommunikasjon ble utført med en frekvens på 381 MHz (UHF-bånd), tilsvarende dagens rovere.
Les også: Crew Dragon er ikke den eneste: hvilke skip vil gå ut i verdensrommet i de kommende årene
Hva er maksimal hastighet for kommunikasjon mellom Mars og Jorden?
Det er mange nyanser her. Så, Perserance sender først bilder og andre data til de kretsende sondene på 400 MHz ved hjelp av en antenne som er plassert på baksiden av roveren, ved siden av skjermen til den termoelektriske radioisotopgeneratoren. Båndbredden til kommunikasjonslinjen fra overflaten til den røde planetens bane er opptil 2 Mbit/s. Effektiviteten til forbindelsen med Mars bane avhenger av avstanden fra jorden, og dette varierer som kjent mye.
Maksimal tilkoblingshastighet varierer fra 500 kbps når Mars er lengst fra jorden til mer enn 3 Mbps når Mars er nærmest planeten vår. Vanligvis brukes 34m DSN-antenner, ca. 8 timer om dagen. Dette betyr imidlertid ikke at overføringen alltid er på den maksimale hastigheten som kan sees fra dataene til DSN-antennene.
Det er også en mulighet til å etablere en direkte forbindelse mellom jorden og enhetene som er på overflaten av Mars, og omgå sondene som er i planetens bane. Men slike tilkoblinger kan bare gjøres i nødssituasjoner eller for å sende bare enkle kontrollkommandoer. Slike begrensninger skyldes det faktum at båndbredden til signalet til Mars fra planetens bane er 3-4 ganger større enn ved direkte overføring fra jorden til Mars-overflaten. Antenner som opererer i X-båndet brukes til slik kommunikasjon, både på jorden og på roveren.
Men det er også avbrudd i kommunikasjonen, som vi ikke kan påvirke i dag. Årsaken deres er solen. Solen selv kan forstyrre overføringen av data fra sonder som passerer i nærheten av den, fordi den røde planeten rett og slett gjemmer seg for oss fra tid til annen. Og siden vi ennå ikke har et velutviklet kommunikasjonsnettverk i solsystemet, bruker Mars omtrent 10 dager på å skli forbi solskiven hvert annet år. Det er i denne perioden kommunikasjon med rovere og sonder er helt fraværende.
Noen ganger er det ingen annen utvei, du må jobbe hardt og vente på data i dager eller måneder
Heldigvis, når det gjelder Mars-oppdrag, har ikke forskere hatt slike problemer så langt. Men hvis noen av dere husker Galileo-sonden på 1990-tallet, vet dere at det var store problemer med bakkekontroll da. Sondens sendeantenne var bare delvis utplassert, så den klarte ikke å oppnå den tiltenkte båndbredden på 134 kbps. Forskere måtte utvikle nye datakomprimeringsmetoder for ikke å miste kontakten med sonden. De var i stand til å øke ytelsen til den andre lavforsterkningsantennen fra 8-16 bps (ja, bits per sekund) til 160 bps og deretter til omtrent 1 kbit/s. Det var fortsatt veldig lite, men det viste seg å være nok til å redde oppdraget.
På den annen side må svært fjerne romfartøyer utstyres med svært kraftige sendeantenner og strømkilder fordi overføringen tar lang tid. Fra New Horizons-sonden, hvis sendeantenne har en effekt på 12 W, etter flybyen nær Pluto, ventet forskere i flere måneder på et komplett sett med overførte data.
Kan dette problemet løses? Ja, det er mulig, men for dette må vi bygge kommunikasjonsnettverk i hele solsystemet, men dette krever mye tid, og selvfølgelig enorme økonomiske tilførsler.
Hva kan vi forvente videre?
Jeg er sikker på at mye interessant informasjon venter på oss fra overflaten til Mars og utover. Menneskeheten er ivrig etter å bryte ut av jorden og utforske fjerne planeter og andre solsystemer. Kanskje, om noen tiår, vil denne artikkelen min bare få skolebarn på Mars eller et sted i Alpha Centauri til å smile. Kanskje da vil menneskeheten fly til andre planeter like enkelt og enkelt som vi er nå fra Kiev til New York. Jeg er sikker på én ting, det er umulig å stoppe menneskehetens ønske om å utforske verdensrommet!
Også interessant:
