เชื่อว่าหลายๆ คนคงเคยได้ยินหรืออ่านเกี่ยวกับเรื่องล่าสุดมาบ้างแล้ว ความเพียรลงจอดบนดาวอังคารและในไม่ช้า Red Planet ก็กำลังรอ Arabian Hope และ Tianwen-1 ของจีนอยู่แล้ว ฉันสงสัยว่าโพรบเหล่านี้ส่งข้อมูลการวิจัยของพวกเขาไปยังโลกได้อย่างไร การสื่อสารในอวกาศจะมีการหารือในวันนี้
เที่ยวบินไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นเป็นความฝันของมนุษยชาติมาโดยตลอด มีการถ่ายทำภาพยนตร์สารคดีและสารคดีจำนวนมากในหัวข้อนี้ ซึ่งบอกรายละเอียดเกือบทั้งหมดว่ากระบวนการบินเกิดขึ้นได้อย่างไร ลูกเรือรู้สึกอย่างไรหรือรู้สึกอย่างไร สิ่งที่ควรทำในสภาพแวดล้อมเช่นนี้
เมื่อเร็วๆ นี้ ผู้คนทั้งโลกต่างเฝ้ามองด้วยความยินดีเมื่อรถแลนด์โรเวอร์ Perseverance ลงจอดบนพื้นผิวของดาวเคราะห์สีแดงและถ่ายภาพแรกหลังจากลงจอด เรามีรูปถ่ายแรกจากรถแลนด์โรเวอร์อยู่แล้วซึ่งฉันจะเตือนคุณว่าลงจอดบนดาวอังคารเมื่อวันที่ 18 กุมภาพันธ์ 2021 รวมถึงภาพถ่ายแรกของอุปกรณ์ด้วย
ภาพถ่ายเหล่านี้เป็นภาพถ่ายทางเทคนิคที่ถ่ายทันทีหลังจากลงจอด ภาพถ่ายของล้อ รวมถึงภาพถ่ายของยานสำรวจในระหว่างการลงจอด ซึ่งถ่ายโดยกล้องที่ติดตั้งบนโมดูลจรวด
แต่ฉันคิดอยู่เสมอว่าพวกเขาจะเชื่อมต่อกับโลกอย่างรวดเร็วและส่งภาพได้อย่างไร ฉันสงสัยว่านี่เป็นเรื่องจริงหรือนิยายวิทยาศาสตร์? วันนี้ฉันจะพยายามแบ่งปันความคิดของฉันในหัวข้อนี้
อ่าน: ความเพียรและความเฉลียวฉลาดจะทำอะไรบนดาวอังคาร?
ดาวอังคารอยู่ไกลแค่ไหน และนั่นหมายถึงอะไร?
ผมขอเตือนคุณว่าดาวอังคารขึ้นอยู่กับฤดูกาล อยู่ห่างจากโลกประมาณ 55 ถึง 401 ล้านกิโลเมตร ทุกอย่างขึ้นอยู่กับความบังเอิญของโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งรวมถึงรอบดวงอาทิตย์ด้วย และเนื่องจากรูปแบบการสื่อสารที่เร็วที่สุดคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เวลาที่ใช้ในการส่งข้อมูลไปยังดาวเคราะห์แดงจะถูกกำหนดโดยความเร็วของแสง นั่นคือถ้าเราต้องการส่งคำสั่งไปยังรถแลนด์โรเวอร์หรือโพรบดังกล่าว หรือรับข้อมูล เราจะต้องรออีกหน่อย
เครื่องไม่สามารถส่งผลต่อการหน่วงสัญญาณแบบเดียวกับที่มนุษย์ทำได้ ดังนั้นการหน่วงเวลาอาจสูงถึง 60 มิลลิวินาที และในช่วงนี้สัญญาณวิทยุจะเดินทางประมาณ 18 กิโลเมตร ในกรณีของยานอวกาศ ด้านลบของปรากฏการณ์นี้คือความเป็นไปไม่ได้ที่จะควบคุมพวกมันแบบเรียลไทม์ สิ่งเดียวที่เหลืออยู่คือการเปลี่ยนไปใช้ปฏิบัติการอิสระ และสิ่งนี้ใช้ได้กับความเพียรพยายาม และอาจมากกว่านั้นกับเฮลิคอปเตอร์ Ingenuity ซึ่งควรเริ่มภารกิจ 000 วันในอีกไม่กี่สิบวันข้างหน้า นั่นคือจากพื้นผิวของดาวอังคารเรารับสัญญาณที่มีความล่าช้าอย่างมาก แต่อุปกรณ์ที่ทันสมัยได้ย่อให้เล็กที่สุดแล้ว ใช่ มันทำให้เราขาดโอกาสในการควบคุมอุปกรณ์จากโลก แต่กลับเป็นแรงผลักดันให้พัฒนาระบบอัตโนมัติที่ยิ่งใหญ่กว่าของอุปกรณ์ดังกล่าว
อ่าน: ข้อเท็จจริง 10 อันดับแรกเกี่ยวกับหลุมดำขนาดใหญ่ที่ค้นพบในปี 2020
การสื่อสารโดยตรงระหว่างโลกกับภารกิจบนดาวอังคารเป็นอย่างไร?
ฉันแน่ใจว่าคำถามนี้เป็นที่สนใจของทุกคนที่ติดตามภารกิจที่คล้ายกัน ด้วยเหตุนี้ จึงมีการสร้างเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่เรียกว่า Deep Space Network (DSN) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างที่ใหญ่กว่าที่เรียกว่า SCaN (Space Communication and Navigation)
ศูนย์นี้เชื่อมต่อเครื่องส่งและเครื่องรับทั้งหมดบนโลกที่ใช้สื่อสารกับยานอวกาศและนักบินอวกาศในอวกาศ DSN ถูกควบคุมโดยห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion ของ NASA
กล้องโทรทรรศน์วิทยุซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 70 เมตร ตั้งอยู่ใกล้มาดริดในสเปน แคนเบอร์ราในออสเตรเลีย และโกลด์สโตนในทะเลทรายโมฮาวีในสหรัฐอเมริกา การจัดเรียงที่จุดต่างๆ บนพื้นผิวโลกนี้ช่วยลดความเสี่ยงของการหยุดชะงักของการสื่อสารและทำให้สามารถเพิ่มความเร็วในการรับและส่งสัญญาณได้
เป็นที่น่าสนใจที่ประเทศจีน เพื่อที่จะเป็นอิสระจากเครือข่ายอื่น ๆ ได้สร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุของตัวเองขึ้น ซึ่งมีขนาดประมาณ 70 เมตร ซึ่งมันสื่อสารกับ Tianwen-1 ภาพถ่ายแรกของดาวเคราะห์ดวงนี้ถูกถ่ายจากวงโคจรนี้
อ่าน: อะไรสามารถป้องกันไม่ให้เราตั้งอาณานิคมบนดาวอังคารได้?
มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างเอาต์พุตและกำลังสัญญาณที่ได้รับ
ตอนนี้ มาดูความสามารถทางเทคนิคของเครื่องส่งสัญญาณเหล่านี้กัน นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่น่าสนใจมากมายที่นี่ ดังนั้นเราจึงรู้ว่าเครื่องส่งสัญญาณที่ติดตั้งบนเสาอากาศเหล่านี้และมุ่งเป้าไปที่วัตถุในอวกาศมีกำลังตั้งแต่ 20 kW ใน X-band (ความถี่ตั้งแต่ 8 ถึงประมาณ 12 GHz) ถึง 400 kW (แต่ควรจำไว้ว่าการใช้พลังงานมากกว่า 100 kW ต้องการการปรับเปลี่ยนตามองค์ประกอบอากาศและการจัดการจราจร) ใน S-band (ความถี่ประมาณ 2 ถึง 4 GHz เช่น คล้ายกับ Wi-Fi ในบ้านหรือเครือข่ายมือถือบางเครือข่าย) เมื่อเปรียบเทียบกัน พลังของเครื่องส่งสัญญาณสถานีฐาน 5G ที่แรงที่สุดคือ 120 วัตต์ แต่โดยปกติแล้วจะต่ำกว่ามาก และลำแสงจะก่อตัวแตกต่างจากในกรณีของการส่งสัญญาณไปยังยานอวกาศ
เมื่อรับสัญญาณเสาอากาศที่ใหญ่ที่สุดของเครือข่าย DSN จะสามารถจับลำแสงที่มีกำลัง 10-18 W ตัวอย่างเช่น พลังดังกล่าวมีสัญญาณจากยานโวเอเจอร์ 2 สัญญาณจากดาวอังคารก็ใกล้เคียงกับลำดับนี้เช่นกัน เมื่อพิจารณาจากระยะทางและทรัพยากรพลังงานที่จำกัดของยานสำรวจ
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) มีตัวขยายสัญญาณ 100 วัตต์สองตัวสำหรับ X-band แต่ละอัน โดยมีการสำรองข้อมูลหนึ่งรายการหากตัวหลักตัวใดตัวหนึ่งล้มเหลว นอกจากนี้ยังมีเครื่องส่งสัญญาณทดลองที่ทำงานในย่าน Ka (ความถี่ในช่วง 26-40 GHz) ที่ส่งที่ 35 วัตต์ แต่สำหรับการทดสอบเท่านั้น
หน้า DSN แสดงให้เห็นชัดเจนว่ากำลังส่งหรือรับข้อมูลให้ใครหรือจากใคร เหนือสิ่งอื่นใด หลังจากคลิกที่ทางลัดที่ระบุภารกิจ เราจะเห็นข้อมูลเพิ่มเติม รถแลนด์โรเวอร์ Perseverance เรียกสั้นๆ ว่า M20 และข้อมูลส่วนใหญ่มาจาก MRO
อ่าน: พื้นที่บนคอมพิวเตอร์ของคุณ: 5 โปรแกรมที่ดีที่สุดสำหรับดาราศาสตร์
ยิ่งไปในอวกาศ สัญญาณยิ่งช้า
DSN ยังสื่อสารกับโพรบอื่น ๆ ด้วย แต่คุณรู้ว่ายิ่งพวกมันอยู่ห่างจากโลกมากเท่าไหร่ อัตราข้อมูลก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น มากยังขึ้นอยู่กับพลังของเครื่องส่งสัญญาณบนยานอวกาศที่กำหนด ยานโวเอเจอร์ 1 ซึ่งอยู่ห่างจากโลกมากที่สุด ส่งข้อมูลที่ 160 bps ซึ่งเร็วกว่าโมเด็มรุ่นแรกของปี 1950 เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ในการเปิดเว็บไซต์ root-nation.com ด้วยข้อความนี้จากระยะไกล คุณจะต้องรอมากกว่าหนึ่งวัน
ในทางกลับกัน สัญญาณที่ไปถึงโพรบจากโลกนั้นแรงกว่ามาก แต่เสาอากาศของยานโวเอเจอร์ 1 นั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 3,7 เมตร ซึ่งแน่นอนว่าทำให้การรับสัญญาณอ่อนแอกว่าเสาอากาศ 70 เมตรมาก
อ่าน: Parker Solar Probe แสดงด้านกลางคืนของดาวศุกร์
ยานสำรวจหรือยานสำรวจดาวอังคารส่งข้อมูลไปมากน้อยเพียงใดระหว่างภารกิจ
ภารกิจบนดาวอังคารมักใช้เวลาสองปีฐานบวกกับระยะเวลาของภารกิจที่ขยายออกไป และสามารถอยู่ได้นานกว่าทศวรรษ โพรบและเครื่องมือที่ทำการสังเกตด้วยภาพนั้นต้องการแบนด์วิดธ์มากที่สุด เนื่องจากภาพถ่ายมีข้อมูลอย่างน้อยหนึ่งเมกะไบต์ สัญญาณสามารถมีข้อมูลที่เป็นตัวเลขมากขึ้นซึ่งแสดงลักษณะการวัดอื่นๆ พารามิเตอร์ของบรรยากาศ สนามแม่เหล็ก อุณหภูมิ ฯลฯ ดังนั้นเวลาจึงเหมาะสมสำหรับยานสำรวจอวกาศ พวกเขาไม่ได้ออกอากาศเร็วเกินไป แต่พวกเขาทำอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายปี
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ซึ่งถ่ายภาพดาวอังคารมาตั้งแต่ปี 2005 ได้ทำการโคจรรอบโลกไปแล้วมากกว่า 50 รอบและภาพถ่ายมากกว่า 000 ภาพครอบคลุม 90% ของพื้นผิวโลก (ณ ปี 000) นอกจากนี้ยังส่งการออกอากาศและภาพจากยานสำรวจดาวอังคาร ตัวอย่างเช่น Curiosity ถ่ายภาพดิบไปเกือบล้านภาพแล้ว (ไม่ใช่ทุกภาพที่กลายเป็นภาพที่เราชื่นชม) ปริมาณข้อมูลที่รวบรวมได้บนโลกจาก MRO นั้นใกล้จะถึง 99 เพตาไบต์ (ข้อมูลโดยประมาณ ณ ต้นปี 2017)
อย่างไรก็ตาม MRO เป็นภารกิจด้านภาพถ่ายและข้อมูล เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ยานแคสสินีซึ่งศึกษาดาวเสาร์และดวงจันทร์ของดาวเสาร์มาหลายปีแล้ว ส่งข้อมูลเพียง 635 GB กลับสู่โลก ซึ่งรวมถึงภาพถ่าย 453 ภาพ ในทางกลับกัน รถแลนด์โรเวอร์ Opportunity ซึ่งเดินทางรอบดาวอังคารเป็นเวลา 15 ปี ส่งภาพถ่ายมากกว่า 2018 ภาพกลับสู่โลกภายในปี 225 (ไม่นานหลังจากที่เราขาดการติดต่อกับมันตลอดไป)
ปริมาณข้อมูลที่ส่งไปยังดาวอังคารนั้นน้อยกว่ามาก เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นคำสั่งและการยืนยันการดำเนินการ หรือการแก้ไขซอฟต์แวร์ (ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญที่สุด) พวกเขาจึงไม่ต้องการตัวส่งสัญญาณที่ทรงพลังแม้แต่น้อยในการส่งสัญญาณ
อ่าน: เป็นที่ทราบกันดีว่าเมื่อใดที่ออกซิเจนในบรรยากาศของโลกจะหมดลง
ยานสำรวจหรือยานสำรวจ "พูด" กับโลกอย่างไร?
เราทราบแล้วว่าได้รับข้อมูลจากดาวอังคารบนโลกอย่างไร แต่การสื่อสารเริ่มต้นจากอุปกรณ์บนดาวเคราะห์แดงได้อย่างไร โพรบที่อยู่ในวงโคจรมีสภาวะที่เอื้ออำนวยมากกว่าเพื่อสื่อสารกับโลกและส่งข้อมูลจำนวนมาก สำหรับการสื่อสารดังกล่าว มีการใช้ X-band ที่กล่าวถึงบ่อยที่สุด รถแลนด์โรเวอร์ Perseverance เช่น Curiosity ใช้เครื่องส่งสัญญาณสองตัว (พลังงานต่ำและกำลังสูง) ที่ทำงานบนแถบความถี่นี้เพื่อการสื่อสาร
ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา รถแลนด์โรเวอร์สามารถ "โทร" กลับบ้านได้อย่างอิสระ แต่อัตราการถ่ายโอนข้อมูลจากเครื่องส่งสัญญาณที่ทรงพลังจะสูงสุด 800 bps เมื่อรับสัญญาณจากเสาอากาศ 70 เมตรหรือ 160 bps เมื่อเป็น 34 เมตร เสาอากาศ เครื่องส่งกำลังต่ำเป็นเพียงทางเลือกสุดท้ายเพราะมีเพียงช่องสัญญาณ 10 บิตสำหรับการส่งและช่องสัญญาณ 30 บิตสำหรับรับข้อมูล
ดังนั้นวันนี้รถแลนด์โรเวอร์ Curiosity and Perserance มักจะเชื่อมต่อในช่วง UHF กับ "สถานีฐาน" ในวงโคจรของดาวอังคาร - โพรบที่มีเสาอากาศส่งสัญญาณขนาดใหญ่กว่ามาก MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey และ European Mars Express และ TGO (Trace Gas Orbiter) ใช้สำหรับสิ่งนี้ พวกเขาสร้างเครือข่ายที่เรียกว่า MRN (Mars Relay Network)
ก่อนที่เครือข่ายรีเลย์จะถูกสร้างขึ้น ยานอวกาศเช่น Viking 1 และ 2 ต้องอาศัยวงโคจรของเพื่อนร่วมทาง สำหรับการสื่อสารโดยตรงกับโลกนั้นใช้เครื่องส่งสัญญาณ 20 W และ S-band การสื่อสารดำเนินการที่ความถี่ 381 MHz (แถบความถี่ UHF) ซึ่งคล้ายกับรถแลนด์โรเวอร์ในปัจจุบัน
อ่าน: Crew Dragon ไม่ใช่คนเดียว: เรือลำใดจะเข้าสู่อวกาศในปีต่อ ๆ ไป
ความเร็วสูงสุดของการสื่อสาร Mars-Earth คืออะไร?
มีความแตกต่างมากมายที่นี่ ดังนั้น Perserance จะส่งภาพและข้อมูลอื่นๆ ไปยังโพรบที่กำลังโคจรอยู่ที่ 400 MHz ก่อนโดยใช้เสาอากาศที่อยู่ด้านหลังรถแลนด์โรเวอร์ ถัดจากหน้าจอเครื่องกำเนิดความร้อนด้วยความร้อนจากไอโซโทปไอโซโทป แบนด์วิดท์ของสายการสื่อสารจากพื้นผิวถึงวงโคจรของดาวเคราะห์แดงสูงถึง 2 Mbit/s ประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อกับวงโคจรของดาวอังคารขึ้นอยู่กับระยะห่างจากโลก และอย่างที่คุณทราบ มีความแตกต่างกันอย่างมาก
ความเร็วในการเชื่อมต่อสูงสุดแตกต่างกันไปตั้งแต่ 500 kbps เมื่อดาวอังคารอยู่ห่างจากโลกมากที่สุดไปจนถึงมากกว่า 3 Mbps เมื่อดาวอังคารอยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด โดยปกติจะใช้เสาอากาศ DSN 34 ม. ประมาณ 8 ชั่วโมงต่อวัน อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ได้หมายความว่าการส่งสัญญาณจะอยู่ที่ความเร็วสูงสุดเสมอซึ่งสามารถมองเห็นได้จากข้อมูลของเสาอากาศ DSN
นอกจากนี้ยังมีโอกาสที่จะสร้างการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างโลกกับอุปกรณ์ที่อยู่บนพื้นผิวของดาวอังคาร โดยไม่ผ่านโพรบที่อยู่ในวงโคจรของดาวเคราะห์ แต่การเชื่อมต่อดังกล่าวสามารถทำได้ในสถานการณ์ฉุกเฉินหรือส่งเฉพาะคำสั่งควบคุมง่ายๆ ข้อ จำกัด ดังกล่าวเกิดจากการที่แบนด์วิดท์ของสัญญาณไปยังดาวอังคารจากวงโคจรของดาวเคราะห์นั้นมากกว่าการส่งผ่านโดยตรงจากโลกไปยังพื้นผิวดาวอังคาร 3-4 เท่า เสาอากาศที่ทำงานในแถบ X ใช้สำหรับการสื่อสารดังกล่าว ทั้งบนโลกและบนยานสำรวจ
แต่ยังมีการหยุดชะงักในการสื่อสารซึ่งเราไม่สามารถมีอิทธิพลในวันนี้ สาเหตุของพวกเขาคือดวงอาทิตย์ ตัวดวงอาทิตย์เองสามารถรบกวนการส่งข้อมูลจากโพรบที่เคลื่อนเข้าใกล้มันได้ เนื่องจากดาวเคราะห์แดงมักจะซ่อนตัวจากเราเป็นครั้งคราว และเนื่องจากเรายังไม่มีเครือข่ายการสื่อสารที่ได้รับการพัฒนาอย่างดีในระบบสุริยะ ดาวอังคารจึงใช้เวลาประมาณ 10 วันในการเลื่อนผ่านแผ่นสุริยะทุกๆ สองปี ในช่วงเวลานี้ไม่มีการสื่อสารกับรถแลนด์โรเวอร์และยานสำรวจอย่างสมบูรณ์
บางครั้งไม่มีทางออกอื่นเลย คุณต้องทำงานหนักและรอข้อมูลเป็นวันหรือเป็นเดือน
โชคดีที่ในกรณีของภารกิจบนดาวอังคาร นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เคยมีปัญหาดังกล่าวมาก่อน แต่ถ้าใครในพวกคุณจำการสำรวจของกาลิเลโอในปี 1990 ได้ คุณจะรู้ว่ามีปัญหาใหญ่กับการควบคุมภาคพื้นดินในตอนนั้น เสาอากาศส่งสัญญาณของโพรบถูกปรับใช้เพียงบางส่วนเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่สามารถบรรลุแบนด์วิดท์ที่ตั้งใจไว้ที่ 134 kbps นักวิทยาศาสตร์ต้องพัฒนาวิธีการบีบอัดข้อมูลใหม่เพื่อไม่ให้ขาดการติดต่อกับโพรบ พวกเขาสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเสาอากาศรับสัญญาณต่ำที่สองจาก 8-16 bps (ใช่ บิตต่อวินาที) เป็น 160 bps แล้วถึงประมาณ 1 kbit/s มันยังน้อยมาก แต่กลับกลายเป็นว่าเพียงพอที่จะกอบกู้ภารกิจได้
ในทางกลับกัน ยานอวกาศที่อยู่ห่างไกลออกไปจะต้องติดตั้งเสาอากาศส่งสัญญาณและแหล่งพลังงานที่ทรงพลังมาก เนื่องจากการส่งใช้เวลานาน จากโพรบ New Horizons ซึ่งมีเสาอากาศส่งกำลัง 12 W หลังจากที่มันบินผ่านใกล้ดาวพลูโต นักวิทยาศาสตร์ได้รอเป็นเวลาหลายเดือนสำหรับชุดข้อมูลที่ส่งครบชุด
ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้หรือไม่? ใช่ เป็นไปได้ แต่สำหรับสิ่งนี้ เราจำเป็นต้องสร้างเครือข่ายการสื่อสารทั่วทั้งระบบสุริยะ แต่ต้องใช้เวลามากและแน่นอนว่าต้องมีเงินทุนมหาศาล
เราคาดหวังอะไรต่อไป
ฉันแน่ใจว่ามีข้อมูลที่น่าสนใจมากมายรอเราอยู่จากพื้นผิวดาวอังคารและที่ไกลออกไป มนุษยชาติกระตือรือร้นที่จะแยกตัวออกจากโลกและสำรวจดาวเคราะห์ที่ห่างไกลและระบบสุริยะอื่น ๆ บางที ในอีกไม่กี่ทศวรรษ บทความนี้ของฉันจะทำให้เด็กนักเรียนบนดาวอังคารหรือที่ไหนสักแห่งใน Alpha Centauri ยิ้มได้ บางทีแล้วมนุษยชาติจะบินไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นอย่างง่ายดายและเรียบง่ายเหมือนที่เราตอนนี้จาก Kyiv ไปนิวยอร์ก ฉันแน่ใจอย่างหนึ่งว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะหยุดความปรารถนาของมนุษย์ในการสำรวจอวกาศ!
ที่น่าสนใจเช่นกัน:
