Jag är säker på att många av er har hört eller läst om den senaste Uthållighet landar på Mars, och snart väntar den röda planeten redan på det arabiska hoppet och det kinesiska Tianwen-1. Jag undrar hur alla dessa sonder överför data från sin forskning till jorden? Rymdkommunikation kommer att diskuteras idag.
Flyg till andra planeter har alltid varit en dröm för mänskligheten. Det har spelats in en hel del långfilmer och dokumentärer om detta ämne, som nästan i detalj berättar hur själva flygprocessen går till, hur besättningsmedlemmarna känner eller kommer att känna, vad som bör göras i en sådan miljö.
Nyligen såg hela världen med förtjusning när Perseverance-rovern landade på den röda planetens yta och tog de första bilderna efter landning. Vi har redan de första bilderna från rovern, som, jag ska påminna dig, landade på Mars den 18 februari 2021, liksom det första fotot av själva enheten.
Det är tekniska bilder tagna direkt efter landning, bilder på hjulen, samt ett foto på själva rovern under landning, som tagits av kameror monterade på raketmodulen.
Men jag kom alltid på mig själv med att tänka, hur lyckas de ansluta till jorden så snabbt och överföra filmerna? Jag undrade om detta var sant eller science fiction? Idag ska jag försöka dela med mig av mina tankar om detta ämne.
Läs också: Vad kommer uthållighet och uppfinningsrikedom att göra på Mars?
Hur långt är Mars, och vad betyder det?
Låt mig påminna dig om att Mars, beroende på årstid, är cirka 55 till 401 miljoner kilometer från jorden. Här beror allt på sammanträffandet av rotationsbanorna, inklusive runt solen. Och eftersom den snabbaste formen av kommunikation är elektromagnetiska vågor, kommer tiden det tar att skicka information till den röda planeten att bestämmas av ljusets hastighet. Det vill säga, om vi vill skicka ett kommando till en sådan rover eller sond, eller ta emot data, måste vi vänta lite.
Maskiner kan inte påverka signalfördröjningar på samma sätt som människor kan, så fördröjningen kan vara upp till 60 ms. Och under denna tid kommer radiosignalen att färdas cirka 18 000 kilometer. När det gäller rymdfarkoster är den negativa sidan av detta fenomen omöjligheten att kontrollera dem i realtid. Det enda som återstår är övergången till autonom drift, och det gäller själva Perseverance och förmodligen ännu mer för Ingenuity-helikoptern som bör påbörja sitt 30-dagarsuppdrag de närmaste dussin dagarna. Det vill säga, från Mars yta får vi en signal med en betydande fördröjning, men moderna enheter har nästan minimerat den. Ja, det berövade oss möjligheten att styra enheter från jorden, men det gav en impuls till utvecklingen av ännu större automatisering av sådana enheter.
Läs också: Topp 10 fakta om massiva svarta hål som upptäcktes 2020
Hur är direkt kommunikation mellan jorden och uppdragen på Mars
Jag är säker på att denna fråga är av intresse för nästan alla som följer liknande uppdrag. Så för detta skapades ett nätverk av radioteleskop kallat Deep Space Network (DSN), som är en del av en ännu större struktur som kallas SCaN (Space Communication and Navigation).
Detta center kopplar samman alla sändare och mottagare på jorden som används för att kommunicera med rymdfarkoster och astronauter i rymden. DSN kontrolleras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory.
Radioteleskop, varav de största är upp till 70 meter i diameter, finns nära Madrid i Spanien, Canberra i Australien och Goldstone i Mojaveöknen i USA. Detta arrangemang på olika punkter på jordens yta minimerar risken för kommunikationsavbrott och gör det möjligt att öka hastigheten för signalmottagning och överföring.
Det är intressant att Kina, för att bli oberoende av andra nätverk, byggde sitt eget radioteleskop, också det cirka 70 m stort, med vilket det kommunicerar med Tianwen-1. Bland annat togs de första bilderna av planeten från denna omloppsbana.
Läs också: Vad kan hindra oss från att kolonisera Mars?
Det är en enorm skillnad mellan den utgående och mottagna signaleffekten
Låt oss nu gå vidare till de tekniska funktionerna hos dessa sändare. Här finns också mycket intressant. Så vi vet att sändarna som är monterade på dessa antenner och riktade mot rymdobjekt har effekt från 20 kW i X-bandet (frekvenser från 8 till cirka 12 GHz) till 400 kW (men man bör komma ihåg att användningen av effekt över 100 kW kräver justeringar beroende på luftsammansättning och trafikledning) i S-bandet (frekvenser runt 2 till 4 GHz, d.v.s. liknar Wi-Fi i hemmet eller vissa mobilnät). Som jämförelse är effekten hos de starkaste 5G-basstationssändarna 120 watt, men den är vanligtvis mycket lägre och strålen bildas annorlunda än vid sändningar till rymdfarkoster.
När du tar emot en signal kan de största antennerna i DSN-nätverket fånga en stråle med en effekt av storleksordningen 10-18 W. Sådan kraft har till exempel signalen från Voyager 2. Signaler från Mars är också ungefär av denna storleksordning, med tanke på avståndet och de begränsade energiresurserna hos sonderna.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) har två 100-watts signalförstärkare för varje X-band, med en backup om en av de viktigaste misslyckas. Den har också en experimentell sändare som fungerar i Ka-bandet (frekvenser i intervallet 26-40 GHz) som sänder på 35 watt, men endast för teständamål.
DSN sida visar tydligt till vem eller från vem data för närvarande skickas eller tas emot. Bland annat efter att ha klickat på genvägen som anger uppdraget kan vi se ytterligare data. Perseverance-rovern heter förkortat M20 och uppgifterna kommer huvudsakligen från MRO.
Läs också: Utrymme på din dator: 5 bästa programmen för astronomi
Ju längre ut i rymden, desto långsammare signalen
DSN kommunicerar också med andra sonder, men du vet ju längre de är från jorden, desto långsammare datahastighet. Mycket beror också på kraften hos sändaren på en given rymdfarkost. Voyager 1, längst bort från jorden, sänder data med 160 bps, bara något snabbare än de första modemen på 1950-talet. För att öppna en webbplats root-nation.com med den här texten från ett sådant avstånd måste du vänta mer än en dag.
I sin tur är signalen som når sonden från jorden mycket starkare, men Voyager 1:s antenn är bara 3,7 meter i diameter, vilket förstås gör signalmottagningen mycket svagare än om det vore en 70 meter lång antenn.
Läs också: Parker Solar Probe visade nattsidan av Venus
Hur mycket data sänder en Mars-sond eller rover under sitt uppdrag?
Marsuppdrag tar vanligtvis två basår plus varaktigheten av ett utökat uppdrag, och kan pågå mer än ett decennium. Sonder och instrument som utför visuella observationer kräver mest bandbredd eftersom fotografier är minst megabyte data. Signalen kan innehålla mycket mer numerisk data som karakteriserar andra mätningar, parametrar för atmosfären, magnetfält, temperatur, etc. Därför är tiden inne till förmån för rymdsonder. De sänder inte för snabbt, men de gör det ihärdigt i åratal.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), som har fotograferat Mars sedan 2005, har redan tagit mer än 50 000 banor runt planeten och mer än 90 000 bilder som täcker 99 % av planetens yta (från 2017). Dessutom sänder den sändningar och bilder från Mars rovers. Till exempel har Curiosity redan tagit nästan en miljon råa bilder (inte alla har blivit bilder som vi beundrar). Mängden insamlad data på jorden från MRO närmar sig 0,5 petabyte (uppskattad data från början av 2021).
MRO är dock ett foto- och dataorienterat uppdrag. Som jämförelse skickade Cassini-sonden, som har studerat Saturnus och dess månar i flera år, bara 635 GB data tillbaka till jorden, som inkluderade 453 000 bilder. I sin tur rover Opportunity, som reste runt Mars i 15 år, skickade mer än 2018 225 foton tillbaka till jorden 000 (kort efter att vi förlorade kontakten med den för alltid).
Mängden data som skickas till Mars är mycket mindre. Eftersom dessa huvudsakligen är kommandon och bekräftelser på deras exekvering, eller programfixar (som är de viktigaste), kräver de inte ens mycket kraftfulla sändare för att överföra dem.
Läs också: Det blev känt när jordens atmosfäriska syre kommer att ta slut
Hur "pratar" en sond eller rover med jorden?
Vi vet redan hur data från Mars tas emot på jorden, men hur initieras kommunikation från enheter på den röda planeten? Sonder som befinner sig i omloppsbana har gynnsammare förutsättningar för att kunna kommunicera med jorden och skicka stora mängder data. För sådan kommunikation används det vanligast nämnda X-bandet. Perseverance-rovern, liksom Curiosity, använder två sändare (låg och hög effekt) som fungerar på detta band för kommunikation.
Med deras hjälp kan rovern självständigt "ringa" hem, men dataöverföringshastigheten från den kraftfulla sändaren är maximalt 800 bps när signalen tas emot av en 70-meters antenn, eller 160 bps när det är en 34-meters antenn. En lågeffektssändare är bara en sista utväg eftersom den bara har en 10-bitars kanal för sändning och en 30-bitars kanal för att ta emot data.
Därför ansluter nu Curiosity och Perserance rovers vanligtvis först i UHF-området till sin "basstation" i Mars omloppsbana - sonder som har mycket större sändarantenner. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile Evolution), Mars Odyssey och European Mars Express och TGO (Trace Gas Orbiter) används för detta. De bildar ett nätverk som kallas MRN (Mars Relay Network).
Innan ett sådant relänätverk etablerades var rymdfarkoster som Viking 1 och 2 tvungna att förlita sig på följeslagare. För direkt kommunikation med jorden användes 20 W-sändare och S-band, kommunikationen genomfördes med en frekvens på 381 MHz (UHF-band), liknande dagens rovers.
Läs också: Crew Dragon är inte den enda: vilka fartyg kommer att gå ut i rymden under de kommande åren
Vilken är den maximala hastigheten för kommunikation mellan Mars och jorden?
Det finns många nyanser här. Så, Perserance skickar först bilder och annan data till de kretsande sonderna vid 400 MHz med hjälp av en antenn som är placerad på baksidan av rover, bredvid den radioisotop termoelektriska generatorskärmen. Bandbredden för kommunikationslinjen från ytan till den röda planetens omloppsbana är upp till 2 Mbit/s. Effektiviteten av förbindelsen med Mars omloppsbana beror på dess avstånd från jorden, och detta varierar, som du vet, mycket.
Den maximala anslutningshastigheten varierar från 500 kbps när Mars är längst bort från jorden till mer än 3 Mbps när Mars är närmast vår planet. Vanligtvis används 34m DSN-antenner, cirka 8 timmar om dagen. Detta betyder dock inte att överföringen alltid sker med den maximala hastighet som kan ses från data från DSN-antennerna.
Det finns också en möjlighet att upprätta en direkt koppling mellan jorden och enheterna som finns på Mars yta, förbi sonderna som finns i planetens omloppsbana. Men sådana anslutningar kan endast göras i nödsituationer eller för att bara skicka enkla kontrollkommandon. Sådana begränsningar beror på det faktum att bandbredden för signalen till Mars från planetens omloppsbana är 3-4 gånger större än vid direkt överföring från jorden till Mars yta. Antenner som arbetar i X-bandet används för sådan kommunikation, både på jorden och på rover.
Men det finns också avbrott i kommunikationen, som vi inte kan påverka idag. Deras orsak är solen. Solen själv kan störa överföringen av data från sonder som passerar nära den, eftersom den röda planeten helt enkelt gömmer sig från oss då och då. Och eftersom vi ännu inte har ett välutvecklat kommunikationsnätverk i solsystemet tar Mars cirka 10 dagar på sig att glida förbi solskivan vartannat år. Det är under denna period som kommunikation med rovers och sonder är helt frånvarande.
Ibland finns det ingen annan utväg, du måste arbeta hårt och vänta på data i dagar eller till och med månader
Lyckligtvis, när det gäller Mars-uppdrag, har forskare inte haft sådana problem hittills. Men om någon av er kommer ihåg Galileo-sonden på 1990-talet så vet ni att det var stora problem med markkontroll då. Sondens sändarantenn var endast delvis utplacerad, så den kunde inte uppnå den avsedda bandbredden på 134 kbps. Forskare var tvungna att utveckla nya datakomprimeringsmetoder för att inte tappa kontakten med sonden. De kunde öka prestandan hos den andra lågförstärkningsantennen från 8-16 bps (ja, bitar per sekund) till 160 bps och sedan till cirka 1 kbit/s. Det var fortfarande väldigt lite, men det visade sig räcka för att rädda uppdraget.
Å andra sidan måste mycket avlägsna rymdfarkoster utrustas med mycket kraftfulla sändarantenner och kraftkällor eftersom överföringen tar lång tid. Från New Horizons-sonden, vars sändningsantenn har en effekt på 12 W, efter dess förbiflygning nära Pluto, väntade forskare i månader på en komplett uppsättning överförda data.
Kan detta problem lösas? Ja, det är möjligt, men för detta måste vi bygga kommunikationsnätverk i hela solsystemet, men detta kräver mycket tid och, naturligtvis, enorma ekonomiska infusioner.
Vad kan vi förvänta oss härnäst?
Jag är säker på att mycket intressant information väntar på oss från Mars yta och bortom. Mänskligheten är ivrig att bryta sig ut ur jorden och utforska avlägsna planeter och andra solsystem. Kanske kommer den här artikeln om några decennier bara få skolbarn på Mars eller någonstans i Alpha Centauri att le. Kanske kommer mänskligheten att flyga till andra planeter lika enkelt och enkelt som vi är nu från Kiev till New York. Jag är säker på en sak, det är omöjligt att stoppa mänsklighetens önskan att utforska rymden!
Också intressant:
