Jestem pewien, że wielu z was słyszało lub czytało o niedawnym lądowaniu na Marsie statku kosmicznego Perseverance, a wkrótce Czerwona Planeta już czeka na emiracką Hope i chińską Tianwen-1. Zastanawiałeś się, jak te wszystkie sondy przekazują dane o swoich badaniach na Ziemię? O komunikacji kosmicznej dzisiaj porozmawiamy.
Loty na inne planety zawsze były marzeniem ludzkości. Na ten temat nakręcono wiele filmów fabularnych i dokumentalnych, w których niemal szczegółowo opisano, jak przebiega sam lot, jak czują się lub będą czuli członkowie załogi i co należy robić w takim środowisku.
Ostatnio cały świat z podziwem patrzył, jak łazik Perseverance wylądował na powierzchni Czerwonej Planety i jak wykonał pierwsze zdjęcia po wylądowaniu. Mamy już pierwsze zdjęcia łazika, który, przypomnę, wylądował na Marsie 18 lutego 2021 roku, a także pierwsze zdjęcie samego urządzenia.
Są to zdjęcia techniczne wykonane bezpośrednio po wylądowaniu, zdjęcia kół łazika, a także zdjęcie samego łazika podczas lądowania, które zostało wykonane kamerami zamontowanymi na module rakietowym.
Ale zawsze się zastanawiałem, jak udaje im się tak szybko połączyć się z Ziemią i przesłać zrobiony materiał? Zastanawiałem się, czy to prawda, czy science fiction? Dziś postaram się podzielić swoimi przemyśleniami na ten temat.
Czytaj także: Co będą robić na Marsie Perseverance i Ingenuity?
Jak daleko jest Mars i co to znaczy?
Przypomnę, że Mars, w zależności od pory roku, znajduje się w odległości od około 55 do 401 milionów kilometrów od Ziemi. Wszystko zależy od zbieżności orbit rotacji, w tym wokół Słońca. A ponieważ najszybszą formą komunikacji są fale elektromagnetyczne, czas potrzebny na przesłanie informacji do Czerwonej Planety będzie zależał od prędkości światła. Oznacza to, że jeśli będziemy chcieli wysłać polecenie do takiego łazika lub sondy, albo odebrać od nich jakieś dane, będziemy musieli trochę poczekać.
Maszyny nie mogą wpływać na opóźnienia sygnału, również ludzie, więc opóźnienie może wynosić do 60 ms. W tym czasie sygnał radiowy pokona około 18 000 kilometrów. W przypadku statków kosmicznych negatywną stroną tego zjawiska jest brak możliwości sterowania nimi w czasie rzeczywistym. Pozostaje tylko przejście do pracy autonomicznej, dotyczy to również samej Perseverance i zapewne w jeszcze większym stopniu śmigłowca Ingenuity, który już rozpoczął swoją 30-dniową misję. Oznacza to, że otrzymujemy sygnał z powierzchni Marsa ze znacznym opóźnieniem, ale nowoczesne instrumenty prawie go zminimalizowały. Owszem, pozbawiło nas to możliwości sterowania statkiem kosmicznym z Ziemi, ale dało impuls do rozwoju jeszcze większej autonomii takich urządzeń.
Jak bezpośrednio jest realizowane połączenie między Ziemią a misjami operującymi na Marsie
Jestem pewien, że to pytanie budzi ciekawość wielu osób, którzy śledzą takie misje. W tym celu stworzono sieć radioteleskopów zwaną Deep Space Network (DSN), która jest częścią jeszcze większej struktury zwanej SCaN (komunikacja kosmiczna i nawigacja).
To centrum skupia wszystkie nadajniki i odbiorniki na Ziemi, które są używane do komunikacji ze statkami kosmicznymi i astronautami. DSN jest kontrolowane przez Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA (Jet Propulsion Laboratory).
Teleskopy radiowe, z których największe mają do 70 metrów średnicy, znajdują się w pobliżu Madrytu w Hiszpanii, Canberry w Australii i Goldstone na pustyni Mojave w Stanach Zjednoczonych. Taka lokalizacja w różnych punktach na powierzchni Ziemi minimalizuje ryzyko zakłóceń komunikacji oraz pozwala na zwiększenie prędkości odbioru i transmisji sygnału.
Ciekawostką jest fakt, że Chiny chcąc uniezależnić się od innych sieci zbudowały własny radioteleskop, również o wielkości około 70 metrów z którym komunikują się z Tianwen-1. Między innymi z tej orbity wykonano pierwsze zdjęcia planety.
Czytaj także: Co może powstrzymać nas przed kolonizacją Marsa?
Ogromna różnica między siłą sygnału wychodzącego i odbieranego
Przejdźmy teraz do możliwości technicznych tych nadajników. Tutaj też jest wiele interesujących rzeczy. Wiemy, że nadajniki, zainstalowane na tych antenach i skierowane na obiekty kosmiczne, mają moc od 20 kW w paśmie X (częstotliwości od 8 do około 12 GHz) do 400 kW (ale należy pamiętać, że przy mocy powyżej 100 kW wymagana jest regulacja w zależności od składu powietrza i sposobu zarządzania ruchem) w paśmie S (częstotliwości od około 2 do 4 GHz, czyli zbliżone do sygnału domowego Wi-Fi lub niektórych sieci komórkowych). Dla porównania, najsilniejsze nadajniki stacji bazowej 5G mają 120 W, ale zwykle znacznie mniej, a wiązka jest formowana inaczej niż w przypadku transmisji do statku kosmicznego.
Podczas odbioru sygnału największe anteny DSN są w stanie odebrać wiązkę o mocy 10-18 W. Taką moc ma na przykład sygnał z sondy Voyager 2. Sygnały z Marsa mają również mniej więcej ten reżim pracy, biorąc pod uwagę odległość i ograniczone zasoby energii sond.
MRO (Mars Recoinassance Orbiter) ma dwa wzmacniacze sygnału o mocy 100 W dla każdego pasma X i rezerwowy wzmacniacz na wypadek awarii jednego z głównych. Posiada również eksperymentalny nadajnik w paśmie Ka (26-40 GHz), który nadaje z mocą 35 W, ale tylko do celów testowych.
Strona DSN wyraźnie pokazuje, do kogo lub od kogo dane są obecnie wysyłane lub odbierane. Między innymi po kliknięciu w skrót wskazujący misję możemy zobaczyć dodatkowe dane. Łazik Perseverance nazywany w skrócie M20, a dane pochodzą głównie z MRO.
Im dalej w kosmos, tym wolniejszy sygnał
DSN komunikuje się również z innymi sondami, ale wiesz, że im dalej są od Ziemi, tym wolniejsza jest szybkość transmisji danych. Wiele zależy również od mocy nadajnika na danym statku kosmicznym. Voyager 1, najdalej od Ziemi, przesyła dane z szybkością 160 b/s, tylko nieznacznie szybciej niż pierwsze modemy w latach pięćdziesiątych XX wieku. Aby otworzyć witrynę root-nation.com z tym tekstem z tej odległości, trzeba by poczekać ponad dobę.
Z kolei sygnał docierający do sondy z Ziemi jest znacznie silniejszy, ale antena Voyager 1 ma średnicę zaledwie 3,7 metra, co oczywiście sprawia, że skuteczność odbioru sygnału jest dużo słabsza niż gdyby była to antena 70-metrowa.
Ile danych przesyła sonda lub łazik podczas swojej misji?
Misje na Marsa zwykle trwają dwa lata bazowe plus czas trwania misji rozszerzonej i mogą trwać ponad dziesięć lat. Sondy i instrumenty, które wykonują obserwacje wizualne, wymagają największej przepustowości, ponieważ zdjęcia mają co najmniej megabajty danych. Sygnał może zawierać znacznie więcej danych liczbowych charakteryzujących inne pomiary, parametry atmosfery, pole magnetyczne, temperaturę i tym podobne. Dlatego czas właśnie służy sondom kosmicznym. Nie nadają zbyt szybko, ale są wytrwali od lat.
Sonda MRO (Mars Recoinassance Orbiter), która fotografuje Marsa od 2005 roku, wykonała już ponad 50 000 obrotów wokół planety i ponad 90 000 zdjęć pokrywających 99% powierzchni planety (dane z 2017 roku). Ponadto nadaje transmisje i obrazy z łazików. Na przykład, Curiosity wykonała już prawie milion surowych zdjęć (nie wszystkie z nich zostały przekonwertowane dla naszego podziwiania). Ilość danych zebranych na Ziemi z MRO zbliża się do 0,5 petabajt (dane przybliżone na początek 2021 roku).
Jednak MRO — to misja oparta na fotografii i danych. Dla porównania, sonda Cassini, która od kilku lat bada Saturna i jego księżyce, wysłała na Ziemię tylko 635 GB danych, w tym 453 000 zdjęć. Z kolei łazik Opportunity, który podróżował po Marsie przez 15 lat, wysłał na Ziemię do 2018 roku (wkrótce potem straciliśmy z nim kontakt na zawsze) ponad 225 tysięcy zdjęć.
Ilość danych wysłanych na Marsa jest znacznie mniejsza. Ponieważ są to głównie polecenia i potwierdzenia ich wykonania lub poprawki oprogramowania (które mają najwięcej danych), do ich transmisji nie są potrzebne nawet bardzo mocne nadajniki.
Czytaj także: Jak zabrać ludzi z ziemi na Marsa i bezpiecznie zawrócić?
W jaki sposób sonda lub łazik „rozmawiają” z Ziemią?
Wiemy już, w jaki sposób dane z Marsa są odbierane na Ziemi, ale w jaki sposób inicjowana jest komunikacja ze statków kosmicznych na Czerwonej Planecie? Sondy znajdujące się na orbicie mają lepsze warunki do komunikowania się z Ziemią i przesyłania dużych ilości danych. Do takiej komunikacji wykorzystuje się najczęściej wymieniane pasmo X. Łazik Perseverance, podobnie jak Curiosity, wykorzystuje do komunikacji dwa nadajniki (małej i dużej mocy), pracujące w tym paśmie.
Z ich pomocą łazik może samodzielnie „dzwonić” do domu, ale szybkość transmisji danych z potężnego nadajnika wynosi maksymalnie 800 b/s, gdy sygnał jest odbierany przez antenę 70-metrową lub 160 b/s, gdy jest to antena 34-metrowa. Nadajnik małej mocy to tylko ostatnia deska ratunku, ponieważ ma tylko 10-bitowy kanał do transmisji i 30-bitowy kanał do odbioru danych.
Dlatego dzisiaj łaziki Curiosity and Perseverance zwykle najpierw łączą się w paśmie UHF ze swoją „stacją bazową” na orbicie Marsa — sondami wyposażonymi w znacznie większe anteny nadawcze. W tym celu wykorzystuje się MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey, European Mars Express i TGO (Trace Gas Orbiter). Tworzą sieć o nazwie MRN (Mars Relay Network).
Zanim powstała taka sieć przekaźnikowa, pojazdy takie jak Viking 1 i 2 musiały polegać na orbitach towarzyszących. Do bezpośredniej komunikacji z Ziemią wykorzystano nadajniki o mocy 20 watów i paśmie S, komunikacja odbywała się na częstotliwości 381 MHz (pasmo UHF), podobnie jak w dzisiejszych łazikach.
Jaka jest maksymalna szybkość transmisji między Marsem a Ziemią?
Jest tu wiele niuansów. Na przykład Perseverance najpierw wysyła obrazy i inne dane do sond na orbicie z częstotliwością 400 MHz za pomocą anteny umieszczonej z tyłu urządzenia, obok ekranu termoelektrycznego generatora radioizotopowego. Przepustowość linii komunikacyjnej od powierzchni do orbity Czerwonej Planety wynosi do 2 Mbit/s. Skuteczność połączenia z orbitą Marsa zależy od jego odległości od Ziemi i, jak wiadomo, jest bardzo zróżnicowana.
Maksymalna prędkość połączenia waha się od 500 kb/s, gdy Mars jest najdalej od Ziemi, do ponad 3 Mb/s, gdy Mars znajduje się najbliżej naszej planety. Zwykle używane są anteny 34-metrowe DSN, przez około 8 godzin dziennie. Nie oznacza to jednak, że transmisja jest zawsze z maksymalną szybkością, co można zobaczyć na podstawie danych z anten DSN.
Istnieje również możliwość nawiązania bezpośredniego połączenia między Ziemią a urządzeniami znajdującymi się na powierzchni Marsa, z pominięciem sond znajdujących się na orbicie planety. Ale takie połączenia można realizować tylko w sytuacjach awaryjnych lub w celu przesyłania tylko prostych poleceń sterujących. Takie ograniczenia wynikają z faktu, że szerokość pasma sygnału do Marsa z orbity planety jest 3-4 razy większa niż w przypadku bezpośredniej transmisji z Ziemi na powierzchnię Marsa. Do takiej komunikacji wykorzystywane są anteny działające w paśmie X, zarówno na Ziemi, jak i na łaziku.
Ale są też przerwy w komunikacji, na które dziś nie możemy w żaden sposób wpływać. Ich przyczyną jest Słońce. To Słońce może zakłócać transmisję danych z sond przechodzących w jego pobliżu, ponieważ Czerwona Planeta od czasu do czasu po prostu ją przed nami zamyka. Ponieważ nie mamy jeszcze dobrze rozwiniętej sieci komunikacyjnej w Układzie Słonecznym, Mars potrzebuje około 10 dni co dwa lata, aby prześlizgnąć się przez dysk słoneczny. W tym okresie komunikacja z łazikami i sondami była całkowicie nieobecna.
Na szczęście w przypadku misji na Marsa naukowcy nie mieli jeszcze takich problemów. Ale jeśli ktoś z was pamięta sondę Galileo z lat 90, to wie, że wtedy były duże problemy z kontrolą naziemną. Antena nadajnika sondy została tylko częściowo rozłożona, więc nie mogła osiągnąć przewidywanej przepustowości 134 kb/s. Naukowcy musieli opracować nowe metody kompresji danych, aby nie utracić komunikacji z sondą. Udało im się zwiększyć wydajność drugiej anteny o niskim zysku z 8-16 b/s (tak, bitów na sekundę) do 160 b/s, a następnie do około 1 kb/s. Wciąż było tego zbyt mało, ale okazało się wystarczająco, aby uratować misję.
Z drugiej strony bardzo odległe statki kosmiczne muszą być wyposażone w bardzo mocne anteny nadawcze i źródła zasilania, ponieważ transmisja zajmuje dużo czasu. Z sondy New Horizons, której antena nadawcza ma moc 12 watów, naukowcy po locie w pobliżu Plutona czekali miesiącami na przesłanie pełnego zestawu danych.
Czy można rozwiązać ten problem? Tak, można, ale w tym celu musimy zbudować sieci komunikacyjne w całym Układzie Słonecznym, co wymaga dużo czasu, wysiłku i oczywiście ogromnych inwestycji finansowych.
Czego możemy się spodziewać dalej?
Jestem pewien, że z powierzchni Marsa będziemy mieli wiele ciekawych informacji i nie tylko. Ludzkość stara się wyrwać z Ziemi i zbadać odległe planety i inne układy słoneczne. Być może za kilka dziesięcioleci ten mój artykuł wywoła uśmiech tylko wśród uczniów na Marsie lub gdzieś w Alpha Centauri. Być może już wtedy ludzkość poleci na inne planety tak łatwo, jak teraz z Warszawy do Nowego Jorku. Jestem pewien, że nie można powstrzymać pragnienia eksploracji kosmosu przez ludzkość!
Czytaj także: