Уверен, что многие из вас слышали или читали о недавнем приземлении на Марс аппарата Perseverance, а вскоре Красная планета уже ждет аравийскую Hope и китайский Tianwen-1. Интересно, а как все эти зонды передают данные о своих исследованиях на Землю? О космической связи сегодня и пойдет речь.
Полеты к другим планетам были мечтой человечества во все времена. На эту тему снято кучу художественных и документальных фильмов, где почти подробно рассказывается, как происходит сам процесс полета, как себя чувствуют или будут чувствовать члены экипажа, что надо делать в такой обстановке.
Недавно весь мир с восхищением наблюдал, как марсоход Perseverance приземлялся на поверхность Красной планеты и как делал первые съемки после посадки. Мы уже имеем первые фотографии марсохода, который, напомню, приземлился на Марсе 18 февраля 2021, а также первую фотографию самого аппарата.
Это технические фотографии, сделанные сразу после посадки, фотографии колес марсохода, а также фотография самого ровера во время приземления, которая сделана камерами, установленными на ракетном модуле.
Но я всегда задумывался над тем, как им удается так быстро соединяться с Землей и передавать отснятый материал? Мне стало интересно, это правда или научная фантастика? Сегодня попробую поделиться своими мыслями на эту тему.
Читайте также: Чем на Марсе будут заниматься Perseverance и Ingenuity?
Как далеко Марс, и что из чего следует?
Напомню, что Марс, в зависимости от времени года, находится на расстоянии примерно от 55 до 401 миллионов километров от Земли. Здесь все зависит от совпадения орбит вращения, в том числе и вокруг Солнца. И поскольку наиболее быстрой формой общения являются электромагнитные волны, время, необходимое для передачи информации на Красную планету, будет определяться скоростью света. То есть, если мы хотим послать команду такому марсоходу или зонду, или получить какие-то данные от них, нам придется немного подождать.
Машины не могут повлиять на задержки сигнала, так же как и человек, поэтому отставание может быть до 60 мс. А за это время радиосигнал пройдет около 18 000 километров. В случае с космическими аппаратами отрицательной стороной этого явления является невозможность управлять ими в режиме реального времени. Единственное, что остается – это переход на автономную работу, это касается и самого Perseverance и, наверное, еще в большей степени вертолета Ingenuity, который должен начать свою 30-дневную миссию в течение следующих нескольких десятков дней. То есть, с поверхности Марса мы получаем сигнал со значительной задержкой, но современные приборы почти минимизировали ее. Да, это лишило нас возможности управлять аппаратами с Земли, но дало толчок развитию еще большей автономности таких приборов.
Как непосредственно осуществляется связь между Землей и миссиями, которые работают на Марсе
Уверен, что этот вопрос интересует многих, кто следит за подобными миссиями. Так вот, для этого была создана сеть радиотелескопов под названием Deep Space Network (DSN), которая является частью еще более крупной структуры, которая называется SCaN (космическая связь и навигация).
Этот центр объединяет все передатчики и приемники на Земле, которые используются для связи с аппаратами и астронавтами в космосе. DSN контролирует Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) от NASA.
Радиотелескопы, крупнейшие из которых имеют диаметр до 70 метров, расположены вблизи Мадрида в Испании, Канберры в Австралии и в Голдстоуне в пустыне Мохаве в США. Такое расположение в разных точках поверхности Земли минимизирует риск перебоев в связи и дает возможность повысить скорость приема и передачи сигнала.
Интересно, что Китай, чтобы стать независимым от других сетей, построил собственный радиотелескоп размером также около 70 м, с помощью которого осуществляет связь с Тяньвен-1. Среди прочих, первые снимки планеты были сделаны именно с этой орбиты.
Читайте также: Что может помешать нам колонизировать Марс?
Между мощностью исходящего и принимаемого сигнала – гигантская разница
Теперь перейдем к техническим возможностям этих передатчиков. Здесь тоже много интересного. Так, мы знаем, что передатчики, установленные на этих антеннах и направленные на космические объекты, имеют мощность от 20 кВт в диапазоне X (частоты от 8 до примерно 12 ГГц) до 400 кВт (но следует помнить, что использование мощности более 100 кВт требует корректировки в зависимости от состава воздуха и способа управления трафиком) в диапазоне S (частоты примерно от 2 до 4 ГГц, то есть подобны сигналу домашнего Wi-Fi или некоторых мобильных сетей). Для сравнения, мощность сильнейших передатчиков базовой станции 5G составляет 120 Вт, но обычно она намного меньше, а луч формируется иначе, чем в случае передачи на космические аппараты.
При получении сигнала крупнейшие антенны сети DSN способны улавливать луч мощностью порядка 10-18 Вт. Такую мощность, например, имеет сигнал от Voyager 2. Сигналы с Марса также примерно такого порядка, учитывая расстояние и ограниченный энергетический ресурс зондов.
MRO (Mars Recoinassance Orbiter) имеет два усилителя сигнала мощностью 100 Вт для каждого диапазона X, и еще один резервный, на случай, если один из основных выйдет из строя. У него также есть экспериментальный передатчик, работающий в диапазоне Ка (частоты в диапазоне 26-40 ГГц), который осуществляет передачу с мощностью 35 Вт, но только для целей тестирования.
Страница DSN наглядно показывает, кому или от кого данные сейчас направляются или принимаются. Кроме всего прочего, после нажатия на ярлык с указанием миссии, мы можем увидеть дополнительные данные. Марсоход Perseverance сокращенно называется M20, и данные получаются главным образом от MRO.
Читайте также: Космос в вашем компьютере. 5 лучших программ по астрономии
Чем дальше в космос, тем сигнал медленнее
DSN также осуществляет связь и с другими зондами, но вы знаете, что чем дальше они от Земли, тем медленнее скорость передачи данных. Многое также зависит от мощности передатчика на данном космическом аппарате. Voyager 1, наиболее удаленный от Земли, передает данные со скоростью 160 бит/с, это лишь немногим быстрее, чем первые модемы 1950-х. Чтобы открыть веб-сайт root-nation.com с этим текстом с такого расстояния, вам пришлось бы подождать более суток.
В свою очередь, сигнал, поступающий на зонд с Земли, значительно сильнее, но антенна Voyager 1 имеет диаметр всего 3,7 метра, что, разумеется, делает эффективность приема сигнала гораздо слабее, чем если бы это была 70-метровая антенна.
Сколько данных передает марсианский зонд или марсоход во время своей миссии?
Миссии на Марс обычно занимают два базовых года плюс продолжительность расширенной миссии, и могут длиться более десяти лет. Зонды и приборы, выполняющие визуальные наблюдения, требуют наибольшей пропускной способности, так как фотографии – это, по крайней мере, мегабайты данных. Сигнал может содержать гораздо больше числовых данных, характеризующих другие измерения, параметры атмосферы, магнитного поля, температуры и тому подобное. Поэтому время как раз на пользу космическим зондам. Они не транслируют слишком быстро, но делают это настойчиво годами.
Зонд MRO (Mars Recoinassance Orbiter), который фотографировал Марс с 2005 года, уже сделал более 50 000 оборотов вокруг планеты и более 90 000 фотографий, охватывающих 99% поверхности планеты (данные за 2017). Кроме того, он передает трансляции и снимки от марсоходов. Например, Curiosity уже сделал почти миллион необработанных фотографий (не все из них преобразованы в снимки, которыми мы восхищаемся). Объем собранных данных на Земле, полученных от MRO, приближается к 0,5 петабайта (приблизительные данные на начало 2021).
Однако MRO – это миссия, ориентированная на фотографии и передачу данных. Для сравнения, зонд Cassini, который уже несколько лет изучает Сатурн и его спутники, прислал на Землю только 635 ГБ данных, которые включали 453 000 фотографий. В свою очередь, марсоход Opportunity, который путешествовал по Марсу в течение 15 лет, прислал на Землю к 2018 году (вскоре после этого мы навсегда потеряли с ним контакт) более 225 000 фотографий.
Количество данных, направляемых на Марс, значительно меньше. Поскольку это в основном команды и подтверждение их выполнения, или программные исправления (весящие больше всего), для их передачи даже очень мощные передатчики не нужны.
Как зонд или марсоход “разговаривает” с Землей?
Мы уже знаем, как данные с Марса получают на Земле, но как инициируется связь от аппаратов на Красной планете? Зонды, которые находятся на орбите, имеют более благоприятные условия для того, чтобы связаться с Землей и передать большие объемы данных. Для такой связи используется наиболее часто упоминаемый диапазон X. Марсоход Perseverance, как и Curiosity, использует для связи два передатчика (низкой и высокой мощности), работающих на этой полосе.
С их помощью марсоход может самостоятельно “звонить” домой, но скорость передачи данных от мощного передатчика составляет максимум 800 бит/с когда сигнал принимается 70-метровой антенной, или 160 бит/с когда это 34-метровая антенна. Маломощный передатчик является лишь крайним средством, поскольку он имеет только 10-битный канал для передачи и 30-битный для приема данных.
Поэтому сегодня марсоходы Curiosity и Perserance обычно сначала подключаются в диапазоне УВЧ к своей “базовой станции” на орбите Марса – зондам, которые оборудованы гораздо большими передающими антеннами. Для этого используются MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey, European Mars Express и TGO (Trace Gas Orbiter). Они образуют сеть под названием MRN (Mars Relay Network).
До того, как была создана такая ретрансляционная сеть, аппаратам, таким как Viking 1 и 2, приходилось полагаться на сопутствующие орбиты. Для прямой связи с Землей использовали передатчики мощностью 20 Вт и диапазон S, связь осуществлялась на частоте 381 МГц (диапазон УВЧ), подобно марсоходам сегодня.
Читайте также: Не Crew Dragon единым: какие корабли отправятся в космос в ближайшие годы
Какова максимальная скорость передачи Марс-Земля?
Здесь много нюансов. Так, Perserance сначала посылает изображения и другие данные на зонды на орбите с частотой 400 МГц с помощью антенны, расположенной в задней части аппарата, рядом с экраном радиоизотопного термоэлектрического генератора. Пропускная способность линии связи от поверхности до орбиты Красной планеты составляет до 2 Мбит/с. Эффективность соединения с орбитой Марса зависит от ее удаленности от Земли, а это, как известно, колеблется в широких пределах.
Максимальная скорость соединения варьируется от 500 кбит/с, когда Марс находится дальше всего от Земли, до более 3 Мбит/с, когда Марс максимально приближается к нашей планете. Обычно используются 34-метровые антенны DSN, примерно в течение 8 часов в день. Это, однако, не означает, что передача постоянно происходит с максимальной скоростью, что можно увидеть из данных антенн DSN.
Есть также возможность установить непосредственную связь между Землей и аппаратами, которые находятся на поверхности Марса, минуя зонды, которые находятся на орбите планеты. Но такие соединения могут осуществляться только в аварийных ситуациях или для передачи только простых команд управления. Такие ограничения связаны с тем, что полоса пропускания сигнала к Марсу с орбиты планеты в 3-4 раза больше, чем при прямой передаче с Земли к марсианской поверхности. Для такой связи используются антенны, работающие в диапазоне Х, как на Земле, так и на марсоходе.
Но существуют и перерывы в связи, на которые мы сегодня никак не можем влиять. Их причина – Солнце. Именно Солнце может препятствовать передаче данных от зондов, проходящих вблизи него, ведь Красная планета время от времени от нас просто закрывается ним. И поскольку у нас еще нет хорошо развитой коммуникационной сети в Солнечной системе, каждые два года Марсу требуется около 10 дней, чтобы проскользнуть за солнечным диском. Именно в этот период связь с марсоходами и зондами полностью отсутствует.
Иногда другого выхода нет, приходится много работать и ждать данных днями, а то и месяцами
К счастью, в случае с марсианскими миссиями у ученых пока не было таких проблем. Но если кто-то из вас помнит зонд «Галилео» 1990-х годов, то знаете, что тогда возникли большие проблемы с наземным управлением. Передающая антенна зонда была развернута лишь частично, поэтому не смогла достичь прогнозируемой пропускной способности 134 кбит/с. Ученым пришлось разработать новые методы сжатия данных, чтобы не потерять связь с зондом. Им удалось увеличить производительность второй антенны с низким коэффициентом усиления с 8-16 бит/с (да, биты в секунду) до 160 бит/с, а затем примерно до 1 кбит/с. Это было еще очень мало, но оказалось достаточным, чтобы спасти миссию.
С другой стороны, очень далекие космические аппараты должны быть оснащены очень мощными передающими антеннами и источниками энергии, так как передача длится долго. От зонда New Horizons, передающая антенна которого имеет мощность 12 Вт, после его пролета вблизи Плутона ученые месяцами ждали передачи полного набора данных.
Можно ли решить эту проблему? Да, можно, но для этого нам нужно строить коммуникационные сети по всей Солнечной системе, но это требует много времени, усилий и, конечно же, огромных финансовых вливаний.
Чего нам ждать дальше?
Я уверен, что нас ждет очень много интересной информации с поверхности Марса и не только. Человечество стремится вырваться за пределы Земли и исследовать далекие планеты и другие солнечные системы. Возможно, через несколько десятилетий эта моя статья вызовет только улыбку у учащихся школ на Марсе или где-то в Альфа Центавра. Возможно, человечество уже тогда будет летать на другие планеты так же легко и просто, как мы сейчас из Киева в Нью-Йорк. В одном я уверен, остановить желание человечества осваивать космос невозможно!
Тоже интересно: