Sigurado ako na marami sa inyo ang nakarinig o nakabasa tungkol sa kamakailan Pagtitiyaga lumapag sa Mars, at sa lalong madaling panahon ang Red Planet ay naghihintay na para sa Arabian Hope at Chinese Tianwen-1. Nagtataka ako kung paano ipinapadala ng lahat ng mga probes na ito ang data ng kanilang pananaliksik sa Earth? Tatalakayin ngayon ang komunikasyon sa espasyo.
Ang mga paglipad sa ibang mga planeta ay palaging pangarap ng sangkatauhan. Maraming tampok na pelikula at dokumentaryo ang kinunan tungkol sa paksang ito, na halos detalyadong nagsasabi kung paano nagaganap ang proseso ng paglipad, kung ano ang nararamdaman o mararamdaman ng mga tripulante, kung ano ang dapat gawin sa gayong kapaligiran.
Kamakailan, ang buong mundo ay nanonood nang may kagalakan habang ang Perseverance rover ay lumapag sa ibabaw ng Red Planet at kumuha ng mga unang larawan pagkatapos lumapag. Mayroon na kaming mga unang larawan mula sa rover, na, ipapaalala ko sa iyo, ay nakarating sa Mars noong Pebrero 18, 2021, pati na rin ang unang larawan ng device mismo.
Ito ay mga teknikal na larawan na kinuha kaagad pagkatapos ng landing, mga larawan ng mga gulong, pati na rin ang isang larawan ng rover mismo sa panahon ng landing, na kinuha ng mga camera na naka-mount sa rocket module.
Ngunit palagi kong nahuhuli ang aking sarili na iniisip, paano nila nagagawang kumonekta sa Earth nang napakabilis at ipinadala ang footage? Naisip ko kung totoo ba ito o science fiction? Ngayon ay susubukan kong ibahagi ang aking mga saloobin sa paksang ito.
Basahin din: Ano ang gagawin ng Perseverance at Ingenuity sa Mars?
Gaano kalayo ang Mars, at ano ang ibig sabihin nito?
Ipaalala ko sa iyo na ang Mars, depende sa panahon, ay humigit-kumulang 55 hanggang 401 milyong kilometro mula sa Earth. Narito ang lahat ay nakasalalay sa pagkakaisa ng mga orbit ng pag-ikot, kabilang ang paligid ng Araw. At dahil ang pinakamabilis na paraan ng komunikasyon ay mga electromagnetic wave, ang oras na kinakailangan upang magpadala ng impormasyon sa Red Planet ay matutukoy ng bilis ng liwanag. Ibig sabihin, kung gusto nating magpadala ng command sa naturang rover o probe, o tumanggap ng data, kailangan nating maghintay ng kaunti.
Ang mga makina ay hindi makakaapekto sa mga pagkaantala ng signal sa parehong paraan na magagawa ng mga tao, kaya ang pagkaantala ay maaaring hanggang 60ms. At sa panahong ito, ang signal ng radyo ay maglalakbay nang humigit-kumulang 18 kilometro. Sa kaso ng mga sasakyang pangkalawakan, ang negatibong bahagi ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang imposibilidad ng pagkontrol sa kanila sa real time. Ang tanging bagay na natitira ay ang paglipat sa autonomous na operasyon, at ito ay nalalapat sa Perseverance mismo at marahil higit pa sa Ingenuity helicopter, na dapat magsimula sa kanyang 000-araw na misyon sa susunod na ilang dosenang araw. Iyon ay, mula sa ibabaw ng Mars nakakatanggap kami ng isang senyas na may makabuluhang pagkaantala, ngunit ang mga modernong aparato ay halos pinaliit ito. Oo, inalis nito sa amin ang pagkakataong kontrolin ang mga device mula sa Earth, ngunit nagbigay ito ng impetus sa pagbuo ng mas malaking automation ng mga naturang device.
Basahin din: Nangungunang 10 katotohanan tungkol sa napakalaking black hole na natuklasan noong 2020
Paano ang direktang komunikasyon sa pagitan ng Earth at ng mga misyon na tumatakbo sa Mars
Sigurado ako na ang tanong na ito ay interesado sa halos lahat ng sumusunod sa mga katulad na misyon. Kaya, para dito, nilikha ang isang network ng mga radio teleskopyo na tinatawag na Deep Space Network (DSN), na bahagi ng isang mas malaking istraktura na tinatawag na SCaN (Space Communication and Navigation).
Ang sentrong ito ay nag-uugnay sa lahat ng mga transmitters at receiver sa Earth na ginagamit upang makipag-usap sa spacecraft at mga astronaut sa kalawakan. Ang DSN ay kinokontrol ng Jet Propulsion Laboratory ng NASA.
Ang mga teleskopyo ng radyo, na ang pinakamalaki ay hanggang 70 metro ang diyametro, ay matatagpuan malapit sa Madrid sa Spain, Canberra sa Australia, at Goldstone sa Mojave Desert sa United States. Ang pag-aayos na ito sa iba't ibang mga punto sa ibabaw ng Earth ay nagpapaliit sa panganib ng mga pagkaantala sa komunikasyon at ginagawang posible upang mapataas ang bilis ng pagtanggap at paghahatid ng signal.
Ito ay kagiliw-giliw na ang China, upang maging independyente mula sa iba pang mga network, ay nagtayo ng sarili nitong teleskopyo sa radyo, mga 70 m din ang laki, kung saan ito ay nakikipag-usap sa Tianwen-1. Sa iba pa, ang mga unang larawan ng planeta ay kinuha mula sa orbit na ito.
Basahin din: Ano ang makahahadlang sa atin sa kolonisasyon ng Mars?
Mayroong malaking pagkakaiba sa pagitan ng output at natanggap na kapangyarihan ng signal
Ngayon ay lumipat tayo sa mga teknikal na kakayahan ng mga transmitters na ito. Marami ring mga kawili-wiling bagay dito. Kaya alam namin na ang mga transmitters na naka-mount sa mga antenna na ito at naglalayong sa mga bagay sa kalawakan ay may kapangyarihan mula 20 kW sa X-band (mga frequency mula 8 hanggang 12 GHz) hanggang 400 kW (ngunit dapat tandaan na ang paggamit ng kapangyarihan ay higit sa 100 Nangangailangan ang kW ng mga pagsasaayos depende sa komposisyon ng hangin at pamamahala ng trapiko) sa S-band (mga frequency sa paligid ng 2 hanggang 4 GHz, ibig sabihin, katulad ng home Wi-Fi o ilang mga mobile network). Sa paghahambing, ang kapangyarihan ng pinakamalakas na 5G base station transmitters ay 120 watts, ngunit ito ay kadalasang mas mababa at ang sinag ay nabuo nang iba kaysa sa kaso ng mga pagpapadala sa spacecraft.
Kapag tumatanggap ng isang senyas, ang pinakamalaking antenna ng network ng DSN ay nakakakuha ng isang sinag na may lakas ng pagkakasunud-sunod na 10-18 W. Ang ganitong kapangyarihan, halimbawa, ay may signal mula sa Voyager 2. Ang mga signal mula sa Mars ay humigit-kumulang din sa pagkakasunud-sunod na ito, dahil sa distansya at limitadong mapagkukunan ng enerhiya ng mga probe.
Ang Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ay may dalawang 100-watt signal booster para sa bawat X-band, na may isang back-up kung nabigo ang isa sa mga pangunahing. Mayroon din itong pang-eksperimentong transmitter na gumagana sa Ka band (mga frequency sa 26-40 GHz range) na nagpapadala sa 35 watts, ngunit para lamang sa mga layunin ng pagsubok.
pahina ng DSN malinaw na nagpapakita kung kanino o mula kanino ang data ay kasalukuyang ipinapadala o natatanggap. Sa iba pang mga bagay, pagkatapos mag-click sa shortcut na nagpapahiwatig ng misyon, maaari naming makita ang karagdagang data. Ang Perseverance rover ay tinatawag na M20 para sa maikli, at ang data ay pangunahing nagmumula sa MRO.
Basahin din: Space sa iyong computer: 5 pinakamahusay na programa para sa astronomy
Ang mas malayo sa kalawakan, mas mabagal ang signal
Nakikipag-ugnayan din ang DSN sa iba pang mga probe, ngunit alam mo kung mas malayo sila sa Earth, mas mabagal ang rate ng data. Malaki rin ang nakasalalay sa kapangyarihan ng transmitter sa isang ibinigay na spacecraft. Ang Voyager 1, ang pinakamalayo sa Earth, ay nagpapadala ng data sa 160 bps, mas mabilis lang ng bahagya kaysa sa mga unang modem noong 1950s. Upang magbukas ng isang website root-nation.com sa text na ito mula sa ganoong kalayuan, kakailanganin mong maghintay ng higit sa isang araw.
Sa turn, ang signal na umaabot sa probe mula sa Earth ay mas malakas, ngunit ang antenna ng Voyager 1 ay 3,7 metro lamang ang lapad, na, siyempre, ay ginagawang mas mahina ang pagtanggap ng signal kaysa sa kung ito ay isang 70-meter antenna.
Basahin din: Ipinakita ng Parker Solar Probe ang night side ng Venus
Gaano karaming data ang ipinapadala ng isang Martian probe o rover sa panahon ng misyon nito?
Ang mga misyon sa Mars ay karaniwang tumatagal ng dalawang batayang taon kasama ang tagal ng isang pinalawig na misyon, at maaaring tumagal ng higit sa isang dekada. Ang mga probe at instrumento na nagsasagawa ng mga visual na obserbasyon ay nangangailangan ng pinakamaraming bandwidth dahil ang mga litrato ay hindi bababa sa megabytes ng data. Ang signal ay maaaring maglaman ng higit pang numerical data na nagpapakilala sa iba pang mga sukat, mga parameter ng atmospera, magnetic field, temperatura, atbp. Samakatuwid, ang oras ay tama na pabor sa mga space probes. Hindi sila masyadong mabilis na nagbo-broadcast, ngunit paulit-ulit nilang ginagawa ito sa loob ng maraming taon.
Ang Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), na kumukuha ng larawan sa Mars mula noong 2005, ay nakakuha na ng higit sa 50 orbit sa paligid ng planeta at higit sa 000 mga larawan na sumasaklaw sa 90% ng ibabaw ng planeta (mula noong 000). Bilang karagdagan, nagpapadala ito ng mga broadcast at mga imahe mula sa Mars rovers. Halimbawa, ang Curiosity ay nakakuha na ng halos isang milyong hilaw na larawan (hindi lahat ng ito ay naging mga larawan na hinahangaan natin). Ang dami ng nakolektang data sa Earth mula sa MRO ay papalapit na sa 99 petabytes (tinantyang data noong unang bahagi ng 2017).
Gayunpaman, ang MRO ay isang misyon na nakatuon sa larawan at data. Sa paghahambing, ang Cassini probe, na pinag-aaralan ang Saturn at ang mga buwan nito sa loob ng ilang taon, ay nagpadala lamang ng 635 GB ng data pabalik sa Earth, na may kasamang 453 mga larawan. Sa turn, ang rover OppoAng rtunity, na naglakbay sa paligid ng Mars sa loob ng 15 taon, ay nagpadala ng higit sa 2018 mga larawan pabalik sa Earth pagsapit ng 225 (di-nagtagal pagkatapos naming mawalan ng contact dito magpakailanman).
Ang dami ng data na ipinadala sa Mars ay mas maliit. Dahil ang mga ito ay pangunahing mga utos at kumpirmasyon ng kanilang pagpapatupad, o mga pag-aayos ng software (na pinakamahalaga), hindi sila nangangailangan ng kahit na napakalakas na mga transmiter upang ipadala ang mga ito.
Basahin din: Nalaman ito kung kailan mauubos ang atmospheric oxygen ng Earth
Paano "nakikipag-usap" ang isang probe o rover sa Earth?
Alam na natin kung paano natatanggap ang data mula sa Mars sa Earth, ngunit paano sinisimulan ang komunikasyon mula sa mga device sa Red Planet? Ang mga probe na nasa orbit ay may mas kanais-nais na mga kondisyon upang makipag-ugnayan sa Earth at magpadala ng malaking halaga ng data. Para sa naturang komunikasyon, ginagamit ang pinakamadalas na binanggit na X-band. Ang Perseverance rover, tulad ng Curiosity, ay gumagamit ng dalawang transmitter (mababa at mataas na kapangyarihan) na tumatakbo sa banda na ito para sa komunikasyon.
Sa kanilang tulong, ang rover ay maaaring nakapag-iisa na "tumawag" sa bahay, ngunit ang rate ng paglilipat ng data mula sa malakas na transmiter ay maximum na 800 bps kapag ang signal ay natanggap ng isang 70-meter antenna, o 160 bps kapag ito ay isang 34-meter antenna. Ang isang low-power transmitter ay isang huling paraan lamang dahil mayroon lamang itong 10-bit na channel para sa pagpapadala at isang 30-bit na channel para sa pagtanggap ng data.
Samakatuwid, ngayon ang Curiosity at Perserance rover ay karaniwang unang kumokonekta sa hanay ng UHF sa kanilang "base station" sa Mars orbit - mga probe na may mas malalaking transmitting antenna. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey at European Mars Express at TGO (Trace Gas Orbiter) ang ginagamit para dito. Bumubuo sila ng isang network na tinatawag na MRN (Mars Relay Network).
Bago naitatag ang naturang relay network, ang spacecraft gaya ng Viking 1 at 2 ay kailangang umasa sa mga kasamang orbit. Para sa direktang komunikasyon sa Earth, ginamit ang 20 W transmitters at S-band, ang komunikasyon ay isinagawa sa dalas ng 381 MHz (UHF band), katulad ng mga rover ngayon.
Basahin din: Ang Crew Dragon ay hindi lamang isa: kung aling mga barko ang pupunta sa kalawakan sa mga darating na taon
Ano ang pinakamataas na bilis ng komunikasyon ng Mars-Earth?
Mayroong maraming mga nuances dito. Kaya, ang Perserance ay unang nagpapadala ng mga larawan at iba pang data sa mga nag-oorbit na probe sa 400 MHz gamit ang isang antenna na matatagpuan sa likod ng rover, sa tabi ng radioisotope thermoelectric generator screen. Ang bandwidth ng linya ng komunikasyon mula sa ibabaw hanggang sa orbit ng Red Planet ay hanggang 2 Mbit/s. Ang kahusayan ng koneksyon sa orbit ng Mars ay nakasalalay sa distansya nito mula sa Earth, at ito, tulad ng alam mo, ay malawak na nag-iiba.
Ang maximum na bilis ng koneksyon ay nag-iiba mula sa 500 kbps kapag ang Mars ay pinakamalayo mula sa Earth hanggang sa higit sa 3 Mbps kapag ang Mars ay pinakamalapit sa ating planeta. Karaniwang 34m DSN antenna ang ginagamit, para sa mga 8 oras sa isang araw. Gayunpaman, hindi ito nangangahulugan na ang paghahatid ay palaging nasa pinakamataas na bilis na makikita mula sa data ng mga DSN antenna.
Mayroon ding pagkakataon na magtatag ng direktang koneksyon sa pagitan ng Earth at ng mga device na nasa ibabaw ng Mars, na lumalampas sa mga probe na nasa orbit ng planeta. Ngunit ang ganitong mga koneksyon ay maaari lamang gawin sa mga sitwasyong pang-emergency o magpadala lamang ng mga simpleng control command. Ang ganitong mga limitasyon ay dahil sa ang katunayan na ang bandwidth ng signal sa Mars mula sa orbit ng planeta ay 3-4 beses na mas malaki kaysa sa direktang paghahatid mula sa Earth hanggang sa ibabaw ng Martian. Ang mga antena na tumatakbo sa X band ay ginagamit para sa naturang komunikasyon, kapwa sa Earth at sa rover.
Ngunit mayroon ding mga pagkagambala sa komunikasyon, na hindi natin maimpluwensyahan ngayon. Ang kanilang dahilan ay ang Araw. Ang Araw mismo ay maaaring makagambala sa paghahatid ng data mula sa mga probe na dumadaan malapit dito, dahil ang Red Planet ay nagtatago lamang mula sa amin paminsan-minsan. At dahil wala pa tayong mahusay na binuong network ng komunikasyon sa solar system, tumatagal ng humigit-kumulang 10 araw ang Mars para makalampas sa solar disk bawat dalawang taon. Sa panahong ito na ang komunikasyon sa mga rover at probes ay ganap na wala.
Minsan walang ibang paraan, kailangan mong magtrabaho nang husto at maghintay para sa data ng mga araw o kahit na buwan
Sa kabutihang palad, sa kaso ng mga misyon sa Mars, ang mga siyentipiko ay walang ganoong mga problema sa ngayon. Ngunit kung naaalala ng sinuman sa inyo ang pagsisiyasat ng Galileo noong 1990s, alam mo na may malalaking problema sa kontrol sa lupa noon. Ang transmit antenna ng probe ay bahagyang na-deploy, kaya hindi nito naabot ang nilalayong bandwidth na 134 kbps. Kinailangan ng mga siyentipiko na bumuo ng mga bagong paraan ng compression ng data upang hindi mawalan ng kontak sa probe. Nagawa nilang pataasin ang performance ng pangalawang low-gain antenna mula 8-16 bps (oo, bits per second) sa 160 bps at pagkatapos ay sa humigit-kumulang 1 kbit/s. Ito ay napakaliit pa, ngunit ito ay naging sapat na upang iligtas ang misyon.
Sa kabilang banda, ang napakalayo na spacecraft ay dapat na nilagyan ng napakalakas na transmitting antenna at power source dahil ang paghahatid ay tumatagal ng mahabang panahon. Mula sa New Horizons probe, na ang transmitting antenna ay may lakas na 12 W, pagkatapos nitong lumipad malapit sa Pluto, ilang buwang naghintay ang mga siyentipiko para sa kumpletong set ng ipinadalang data.
Malutas ba ang problemang ito? Oo, posible, ngunit para dito kailangan nating bumuo ng mga network ng komunikasyon sa buong solar system, ngunit nangangailangan ito ng maraming oras, at, siyempre, malaking mga pagbubuhos sa pananalapi.
Ano ang maaari nating asahan sa susunod?
Sigurado ako na maraming kawili-wiling impormasyon ang naghihintay sa atin mula sa ibabaw ng Mars at higit pa. Ang sangkatauhan ay sabik na lumabas sa Earth at tuklasin ang malalayong planeta at iba pang solar system. Marahil, sa loob ng ilang dekada, ang artikulo kong ito ay magpapangiti lamang sa mga mag-aaral sa Mars o sa isang lugar sa Alpha Centauri. Marahil ay lilipad ang sangkatauhan sa ibang mga planeta nang kasingdali at kasimple natin ngayon mula sa Kyiv hanggang New York. Sigurado ako sa isang bagay, imposibleng pigilan ang pagnanais ng sangkatauhan na tuklasin ang kalawakan!
Kawili-wili din:
