Sunt sigur că mulți dintre voi ați auzit sau citit despre cel recent Aterizare perseverență pe Marte, iar în curând Planeta Roșie așteaptă deja Arabian Hope și chinezul Tianwen-1. Mă întreb cum transmit toate aceste sonde datele cercetării lor către Pământ? Comunicarea spațială va fi discutată astăzi.
Zborurile către alte planete au fost întotdeauna un vis al omenirii. Pe această temă au fost filmate o mulțime de lungmetraje și documentare, care spun aproape în detaliu cum se desfășoară procesul de zbor în sine, cum se simt sau se vor simți membrii echipajului, ce ar trebui făcut într-un astfel de mediu.
Recent, întreaga lume a privit cu încântare cum roverul Perseverance a aterizat pe suprafața Planetei Roșii și a făcut primele poze după aterizare. Avem deja primele fotografii de pe rover, care, vă reamintesc, a aterizat pe Marte pe 18 februarie 2021, precum și prima fotografie a dispozitivului în sine.
Acestea sunt fotografii tehnice făcute imediat după aterizare, fotografii ale roților, precum și o fotografie a roverului în sine în timpul aterizării, care a fost făcută de camerele montate pe modulul rachetei.
Dar m-am surprins mereu gândindu-mă, cum reușesc ei să se conecteze la Pământ atât de repede și să transmită filmările? M-am întrebat dacă asta e adevărat sau science fiction? Astăzi voi încerca să-mi împărtășesc gândurile despre acest subiect.
Citeste si: Ce vor face Perseverența și Ingeniozitatea pe Marte?
Cât de departe este Marte și ce înseamnă asta?
Permiteți-mi să vă reamintesc că Marte, în funcție de sezon, se află la aproximativ 55 până la 401 milioane de kilometri de Pământ. Aici totul depinde de coincidența orbitelor de rotație, inclusiv în jurul Soarelui. Și întrucât cea mai rapidă formă de comunicare sunt undele electromagnetice, timpul necesar pentru a trimite informații către Planeta Roșie va fi determinat de viteza luminii. Adică, dacă vrem să trimitem o comandă unui astfel de rover sau sondă sau să primim date, va trebui să așteptăm puțin.
Aparatele nu pot afecta întârzierile semnalului în același mod în care o fac oamenii, astfel încât întârzierea poate fi de până la 60 ms. Și în acest timp, semnalul radio va parcurge aproximativ 18 de kilometri. În cazul vehiculelor spațiale, partea negativă a acestui fenomen este imposibilitatea de a le controla în timp real. Singurul lucru care rămâne este trecerea la operațiune autonomă, iar asta se aplică pentru Perseverance în sine și probabil chiar mai mult pentru elicopterul Ingenuity, care ar trebui să își înceapă misiunea de 000 de zile în următoarele câteva zeci de zile. Adică de pe suprafața lui Marte primim un semnal cu o întârziere semnificativă, dar dispozitivele moderne aproape că l-au minimizat. Da, ne-a lipsit de posibilitatea de a controla dispozitivele de pe Pământ, dar a dat un impuls dezvoltării unei automatizări și mai mari a unor astfel de dispozitive.
Citeste si: Top 10 fapte despre găurile negre masive descoperite în 2020
Cum este comunicarea directă între Pământ și misiunile care operează pe Marte
Sunt sigur că această întrebare este de interes pentru aproape toți cei care urmează misiuni similare. Deci, pentru aceasta, a fost creată o rețea de radiotelescoape numită Deep Space Network (DSN), care face parte dintr-o structură și mai mare numită SCaN (Space Communication and Navigation).
Acest centru conectează toate emițătoarele și receptoarele de pe Pământ folosite pentru a comunica cu navele spațiale și astronauții din spațiu. DSN este controlat de Jet Propulsion Laboratory al NASA.
Radiotelescoapele, dintre care cele mai mari au un diametru de până la 70 de metri, sunt situate lângă Madrid în Spania, Canberra în Australia și Goldstone în deșertul Mojave din Statele Unite. Această aranjare în diferite puncte de pe suprafața Pământului minimizează riscul de întrerupere a comunicațiilor și face posibilă creșterea vitezei de recepție și transmisie a semnalului.
Interesant este faptul că China, pentru a deveni independentă de alte rețele, și-a construit propriul radiotelescop, tot de aproximativ 70 m dimensiune, cu care comunică cu Tianwen-1. Printre altele, de pe această orbită au fost făcute primele imagini ale planetei.
Citeste si: Ce ne poate împiedica să colonizăm Marte?
Există o diferență uriașă între puterea semnalului de ieșire și cea primită
Acum să trecem la capacitățile tehnice ale acestor transmițătoare. Există, de asemenea, o mulțime de lucruri interesante aici. Așa că știm că emițătoarele montate pe aceste antene și care vizează obiectele spațiale au putere de la 20 kW în banda X (frecvențe de la 8 până la aproximativ 12 GHz) până la 400 kW (dar trebuie amintit că utilizarea puterii peste 100 kW necesită ajustări în funcție de compoziția aerului și gestionarea traficului) în banda S (frecvențe în jur de 2 până la 4 GHz, adică similare cu Wi-Fi-ul de acasă sau unele rețele mobile). Prin comparație, puterea celor mai puternice emițătoare de stație de bază 5G este de 120 de wați, dar de obicei este mult mai mică, iar fasciculul este format diferit decât în cazul transmisiilor către nave spațiale.
La recepționarea unui semnal, cele mai mari antene ale rețelei DSN sunt capabile să prindă un fascicul cu o putere de ordinul 10-18 W. O astfel de putere, de exemplu, are semnalul de la Voyager 2. Semnalele de pe Marte sunt, de asemenea, aproximativ de acest ordin, având în vedere distanța și resursele energetice limitate ale sondelor.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) are două amplificatoare de semnal de 100 de wați pentru fiecare bandă X, cu o rezervă în cazul în care una dintre cele principale eșuează. De asemenea, are un transmițător experimental care funcționează în banda Ka (frecvențe în intervalul 26-40 GHz) care transmite la 35 de wați, dar numai în scop de testare.
pagina DSN arată clar cui sau de la cine sunt trimise sau primite în prezent datele. Printre altele, după ce facem clic pe scurtătura care indică misiunea, putem vedea date suplimentare. Roverul Perseverance se numește pe scurt M20, iar datele provin în principal de la MRO.
Citeste si: Spațiu pe computer: 5 cele mai bune programe pentru astronomie
Cu cât mai departe în spațiu, cu atât semnalul este mai lent
DSN comunică și cu alte sonde, dar știți că, cu cât sunt mai departe de Pământ, cu atât este mai lentă rata de transmitere a datelor. Depinde mult și de puterea transmițătorului de pe o anumită navă spațială. Voyager 1, cel mai îndepărtat de Pământ, transmite date la 160 bps, doar puțin mai rapid decât primele modemuri din anii 1950. Pentru a deschide un site web root-nation.com cu acest text de la o asemenea distanta, va trebui sa astepti mai mult de o zi.
La rândul său, semnalul care ajunge la sonda de pe Pământ este mult mai puternic, dar antena lui Voyager 1 are doar 3,7 metri în diametru, ceea ce, desigur, face recepția semnalului mult mai slabă decât dacă ar fi o antenă de 70 de metri.
Citeste si: Parker Solar Probe a arătat partea nocturnă a lui Venus
Câte date transmite o sondă sau un rover marțian în timpul misiunii sale?
Misiunile pe Marte durează de obicei doi ani de bază plus durata unei misiuni extinse și pot dura mai mult de un deceniu. Sondele și instrumentele care efectuează observații vizuale necesită cea mai mare lățime de bandă, deoarece fotografiile sunt cel puțin megaocteți de date. Semnalul poate conține mult mai multe date numerice care caracterizează alte măsurători, parametri ai atmosferei, câmp magnetic, temperatură etc. Prin urmare, timpul este potrivit în favoarea sondelor spațiale. Ei nu difuzează prea repede, dar o fac cu insistență ani de zile.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), care fotografiază Marte din 2005, a realizat deja peste 50 de orbite în jurul planetei și peste 000 de fotografii acoperind 90% din suprafața planetei (din 000). În plus, transmite transmisii și imagini de pe roverele de pe Marte. De exemplu, Curiosity a făcut deja aproape un milion de fotografii brute (nu toate s-au transformat în imagini pe care le admirăm). Cantitatea de date colectate pe Pământ de la MRO se apropie de 99 petaocteți (date estimate la începutul anului 2017).
Cu toate acestea, MRO este o misiune orientată pe fotografii și date. Prin comparație, sonda Cassini, care studiază Saturn și lunile sale de câțiva ani, a trimis doar 635 GB de date înapoi pe Pământ, care au inclus 453 de fotografii. La rândul său, roverul Opportunity, care a călătorit în jurul lui Marte timp de 15 ani, a trimis peste 2018 de fotografii înapoi pe Pământ până în 225 (la scurt timp după ce am pierdut contactul cu acesta pentru totdeauna).
Cantitatea de date trimisă pe Marte este mult mai mică. Deoarece acestea sunt în principal comenzi și confirmări ale execuției lor, sau remedieri software (care sunt cele mai importante), nu necesită nici măcar emițătoare foarte puternice pentru a le transmite.
Citeste si: A devenit cunoscut când se va epuiza oxigenul atmosferic al Pământului
Cum „vorbește” o sondă sau un rover cu Pământul?
Știm deja cum sunt primite datele de pe Marte pe Pământ, dar cum este inițiată comunicarea de la dispozitivele de pe Planeta Roșie? Sondele care se află pe orbită au condiții mai favorabile pentru a comunica cu Pământul și a trimite cantități mari de date. Pentru o astfel de comunicare se folosește banda X menționată cel mai frecvent. Roverul Perseverance, la fel ca Curiosity, utilizează două transmițătoare (putere mică și mare) care funcționează pe această bandă pentru comunicare.
Cu ajutorul lor, rover-ul poate „apela” în mod independent acasă, dar rata de transfer de date de la transmițătorul puternic este de maximum 800 bps atunci când semnalul este recepționat de o antenă de 70 de metri sau 160 bps când este de 34 de metri. antenă. Un transmițător de putere redusă este doar o ultimă soluție, deoarece are doar un canal de 10 biți pentru transmitere și un canal de 30 de biți pentru primirea datelor.
Prin urmare, astăzi roverele Curiosity și Perserance se conectează, de obicei, mai întâi în intervalul UHF la „stația lor de bază” pe orbita lui Marte - sonde care au antene de transmisie mult mai mari. Pentru aceasta sunt folosite MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey și European Mars Express și TGO (Trace Gas Orbiter). Ele formează o rețea numită MRN (Mars Relay Network).
Înainte ca o astfel de rețea de relee să fie înființată, navele spațiale precum Viking 1 și 2 trebuiau să se bazeze pe orbite însoțitoare. Pentru comunicarea directă cu Pământul s-au folosit transmițătoare de 20 W și banda S, comunicarea s-a realizat la o frecvență de 381 MHz (banda UHF), similară rover-urilor de astăzi.
Citeste si: Crew Dragon nu este singurul: ce nave vor merge în spațiu în următorii ani
Care este viteza maximă de comunicare Marte-Pământ?
Sunt multe nuanțe aici. Deci, Perserance trimite mai întâi imagini și alte date către sondele care orbitează la 400 MHz folosind o antenă situată în spatele roverului, lângă ecranul generatorului termoelectric radioizotop. Lățimea de bandă a liniei de comunicație de la suprafață până pe orbita Planetei Roșii este de până la 2 Mbit/s. Eficiența conexiunii cu orbita lui Marte depinde de distanța sa față de Pământ, iar aceasta, după cum știți, variază foarte mult.
Viteza maximă a conexiunii variază de la 500 kbps când Marte este cel mai îndepărtat de Pământ la mai mult de 3 Mbps când Marte este cel mai aproape de planeta noastră. De obicei se folosesc antene DSN de 34 m, aproximativ 8 ore pe zi. Acest lucru, însă, nu înseamnă că transmisia este întotdeauna la viteza maximă care poate fi văzută din datele antenelor DSN.
Există, de asemenea, posibilitatea de a stabili o conexiune directă între Pământ și dispozitivele care se află pe suprafața lui Marte, ocolind sondele care se află pe orbita planetei. Dar astfel de conexiuni se pot face doar în situații de urgență sau pentru a trimite doar comenzi simple de control. Astfel de limitări se datorează faptului că lățimea de bandă a semnalului către Marte de pe orbita planetei este de 3-4 ori mai mare decât în cazul transmisiei directe de la Pământ la suprafața marțiană. Pentru o astfel de comunicare sunt folosite antene care funcționează în banda X, atât pe Pământ, cât și pe rover.
Dar există și întreruperi în comunicare, pe care astăzi nu le putem influența. Cauza lor este Soarele. Soarele însuși poate interfera cu transmiterea datelor de la sondele care trec pe lângă el, deoarece Planeta Roșie pur și simplu se ascunde de noi din când în când. Și din moment ce nu avem încă o rețea de comunicații bine dezvoltată în sistemul solar, Marte durează aproximativ 10 zile să treacă pe lângă discul solar la fiecare doi ani. În această perioadă, comunicarea cu rovere și sonde este complet absentă.
Uneori nu există altă cale de ieșire, trebuie să muncești din greu și să aștepți date zile sau chiar luni
Din fericire, în cazul misiunilor pe Marte, oamenii de știință nu au avut astfel de probleme până acum. Dar dacă cineva dintre voi își amintește sonda Galileo din anii 1990, știți că atunci au fost mari probleme cu controlul la sol. Antena de transmisie a sondei a fost instalată doar parțial, așa că nu a putut atinge lățimea de bandă prevăzută de 134 kbps. Oamenii de știință au fost nevoiți să dezvolte noi metode de comprimare a datelor pentru a nu pierde contactul cu sonda. Au fost capabili să crească performanța celei de-a doua antene cu câștig scăzut de la 8-16 bps (da, biți pe secundă) la 160 bps și apoi la aproximativ 1 kbit/s. Era încă foarte puțin, dar s-a dovedit a fi suficient pentru a salva misiunea.
Pe de altă parte, navele spațiale foarte îndepărtate trebuie să fie echipate cu antene de transmisie și surse de energie foarte puternice, deoarece transmisia durează mult timp. De la sonda New Horizons, a cărei antenă de transmisie are o putere de 12 W, după zborul său lângă Pluto, oamenii de știință au așteptat luni de zile un set complet de date transmise.
Poate fi rezolvată această problemă? Da, se poate, dar pentru asta trebuie să construim rețele de comunicații în întreg sistemul solar, dar asta necesită mult timp și, desigur, infuzii financiare uriașe.
La ce ne putem aștepta în continuare?
Sunt sigur că ne așteaptă o mulțime de informații interesante de pe suprafața lui Marte și nu numai. Omenirea este dornică să iasă din Pământ și să exploreze planete îndepărtate și alte sisteme solare. Poate că, în câteva decenii, acest articol al meu nu va face decât să zâmbească școlarii de pe Marte sau de undeva în Alpha Centauri. Poate că atunci omenirea va zbura pe alte planete la fel de ușor și simplu cum suntem acum de la Kiev la New York. Sunt sigur de un lucru, este imposibil să oprești dorința umanității de a explora spațiul!
Interesant de asemenea: