Eminim çoğunuz sonuncusunu duymuş veya okumuşsunuzdur. Azim Mars'a inişve yakında Kızıl Gezegen, Arabian Hope ve Çin Tianwen-1'i bekliyor. Merak ediyorum, tüm bu sondalar araştırmalarının verilerini Dünya'ya nasıl iletiyorlar? Bugün uzay iletişimi tartışılacak.
Diğer gezegenlere uçuşlar her zaman insanlığın bir hayali olmuştur. Bu konuda uçuş sürecinin nasıl gerçekleştiğini, mürettebatın nasıl hissettiğini veya hissedeceğini, böyle bir ortamda ne yapılması gerektiğini neredeyse ayrıntılı olarak anlatan birçok uzun metrajlı film ve belgesel çekildi.
Son zamanlarda, Perseverance gezicisinin Kızıl Gezegen'in yüzeyine inişini ve inişten sonra ilk fotoğrafları çekmesini tüm dünya zevkle izledi. Size hatırlatacağım, 18 Şubat 2021'de Mars'a inen gezicinin ilk fotoğraflarına ve cihazın kendisinin ilk fotoğrafına zaten sahibiz.
Bunlar inişten hemen sonra çekilen teknik fotoğraflar, tekerleklerin fotoğrafları ve roket modülüne monte edilmiş kameralar tarafından çekilen iniş sırasında gezicinin bir fotoğrafı.
Ama hep kendimi düşünürken yakaladım, Dünya'ya bu kadar çabuk bağlanmayı ve görüntüleri nasıl iletmeyi başarıyorlar? Bunun doğru mu yoksa bilim kurgu mu olduğunu merak ettim. Bugün bu konu hakkındaki düşüncelerimi paylaşmaya çalışacağım.
Ayrıca okuyun: Azim ve Yaratıcılık Mars'ta ne yapacak?
Mars ne kadar uzakta ve bu ne anlama geliyor?
Mars'ın mevsime bağlı olarak Dünya'dan yaklaşık 55 ila 401 milyon kilometre uzakta olduğunu hatırlatmama izin verin. Burada her şey, Güneş'in çevresi de dahil olmak üzere, dönme yörüngelerinin tesadüfüne bağlıdır. Ve en hızlı iletişim şekli elektromanyetik dalgalar olduğu için Kızıl Gezegene bilgi gönderme süresi ışık hızına göre belirlenecek. Yani böyle bir gezici veya sondaya komut göndermek veya veri almak istiyorsak biraz beklememiz gerekecek.
Makineler, sinyal gecikmelerini insanlar gibi etkileyemez, bu nedenle gecikme 60 ms'ye kadar çıkabilir. Ve bu süre zarfında, radyo sinyali yaklaşık 18 kilometre yol alacaktır. Uzay araçları söz konusu olduğunda, bu olgunun olumsuz yanı, onları gerçek zamanlı olarak kontrol etmenin imkansız olmasıdır. Geriye kalan tek şey, otonom operasyona geçiştir ve bu, Perseverance'ın kendisi ve muhtemelen önümüzdeki birkaç düzine gün içinde 000 günlük görevine başlaması gereken Ingenuity helikopteri için de geçerlidir. Yani, Mars yüzeyinden önemli bir gecikmeye sahip bir sinyal alıyoruz, ancak modern cihazlar bunu neredeyse en aza indirdi. Evet, bizi Dünya'dan cihazları kontrol etme fırsatından mahrum etti, ancak bu tür cihazların daha da fazla otomasyonunun geliştirilmesine ivme kazandırdı.
Ayrıca okuyun: 10'de keşfedilen devasa kara delikler hakkında en önemli 2020 gerçek
Dünya ile Mars'ta faaliyet gösteren misyonlar arasındaki doğrudan iletişim nasıldır?
Bu sorunun benzer görevleri takip eden hemen hemen herkesin ilgisini çekeceğine eminim. Bunun için, SCaN (Uzay İletişimi ve Navigasyon) adı verilen daha da büyük bir yapının parçası olan Derin Uzay Ağı (DSN) adı verilen bir radyo teleskop ağı oluşturuldu.
Bu merkez, uzay aracı ve uzaydaki astronotlarla iletişim kurmak için kullanılan Dünya üzerindeki tüm vericileri ve alıcıları birbirine bağlar. DSN, NASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı tarafından kontrol edilmektedir.
En büyüğü 70 metreye kadar çapa sahip olan radyo teleskopları, İspanya'da Madrid, Avustralya'da Canberra ve Amerika Birleşik Devletleri'nde Mojave Çölü'nde Goldstone yakınlarında bulunmaktadır. Dünya yüzeyinin çeşitli noktalarındaki bu düzenleme, iletişim kesintisi riskini en aza indirir ve sinyal alım ve iletim hızının artırılmasını mümkün kılar.
Çin'in diğer ağlardan bağımsız olmak için Tianwen-70 ile iletişim kurduğu yaklaşık 1 m büyüklüğünde kendi radyo teleskopunu inşa etmesi ilginçtir. Diğerlerinin yanı sıra, gezegenin ilk fotoğrafları bu yörüngeden çekildi.
Ayrıca okuyun: Mars'ı kolonileştirmemizi ne engelleyebilir?
Çıkış ve alınan sinyal gücü arasında büyük bir fark var
Şimdi bu vericilerin teknik özelliklerine geçelim. Ayrıca burada çok ilginç şeyler var. Dolayısıyla, bu antenlere monte edilen ve uzay nesnelerini hedefleyen vericilerin X bandında (20 ila 8 GHz arasındaki frekanslar) 12 kW'tan 400 kW'a kadar güce sahip olduğunu biliyoruz (ancak 100'ün üzerinde güç kullanımının olduğu unutulmamalıdır). kW, S-bandında (2 ila 4 GHz civarında frekanslar, yani ev Wi-Fi'sine veya bazı mobil ağlara benzer) hava bileşimine ve trafik yönetimine bağlı olarak ayarlamalar gerektirir. Karşılaştırıldığında, en güçlü 5G baz istasyonu vericilerinin gücü 120 watt'tır, ancak genellikle çok daha düşüktür ve ışın, uzay aracına iletim durumundan farklı şekilde oluşturulur.
Bir sinyal alırken, DSN ağının en büyük antenleri, 10-18 W gücünde bir ışını yakalayabilir. Bu tür bir güç, örneğin, Voyager 2'den gelen sinyale sahiptir. Sondaların uzaklığı ve sınırlı enerji kaynakları göz önüne alındığında, Mars'tan gelen sinyaller de yaklaşık olarak bu sıradadır.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), her X-bandı için iki adet 100 watt'lık sinyal güçlendiriciye sahiptir ve ana olanlardan biri başarısız olursa bir yedek. Ayrıca Ka bandında (26-40 GHz aralığındaki frekanslar) çalışan ve 35 watt'ta iletim yapan, ancak yalnızca test amaçlı deneysel bir vericiye sahiptir.
DSN sayfası verilerin şu anda kime veya kimden gönderildiğini veya alındığını açıkça gösterir. Diğer şeylerin yanı sıra, görevi gösteren kısayola tıkladıktan sonra ek verileri görebiliriz. Azim gezici kısaca M20 olarak adlandırılır ve veriler esas olarak MRO'dan gelir.
Ayrıca okuyun: Bilgisayarınızdaki boşluk: astronomi için en iyi 5 program
Uzaya ne kadar uzak olursa, sinyal o kadar yavaş olur
DSN ayrıca diğer sondalarla da iletişim kurar, ancak bunların Dünya'dan ne kadar uzakta olduklarını bilirsiniz, veri hızı o kadar yavaştır. Çoğu, belirli bir uzay aracındaki vericinin gücüne de bağlıdır. Dünya'dan en uzak olan Voyager 1, 160'lerin ilk modemlerinden sadece biraz daha hızlı olan 1950 bps'de veri iletir. Bir web sitesi açmak için root-nation.com bu kadar mesafeden bu yazı ile bir günden fazla beklemeniz gerekecek.
Buna karşılık, Dünya'dan sondaya ulaşan sinyal çok daha güçlüdür, ancak Voyager 1'in anteni sadece 3,7 metre çapındadır, bu da elbette sinyal alımını 70 metrelik bir antenden çok daha zayıf hale getirir.
Ayrıca okuyun: Parker Solar Probe, Venüs'ün gece tarafını gösterdi
Bir Marslı sonda veya gezici görevi sırasında ne kadar veri iletir?
Mars misyonları tipik olarak iki temel yıl artı genişletilmiş bir görev süresi alır ve on yıldan fazla sürebilir. Fotoğraflar en az megabayt veri olduğundan, görsel gözlemler gerçekleştiren sondalar ve araçlar en fazla bant genişliğini gerektirir. Sinyal, diğer ölçümleri, atmosfer parametrelerini, manyetik alanı, sıcaklığı vb. karakterize eden çok daha fazla sayısal veri içerebilir. Bu nedenle, zaman uzay sondaları lehine. Çok hızlı yayın yapmıyorlar ama yıllarca ısrarla yapıyorlar.
2005'ten beri Mars'ı fotoğraflayan Mars Keşif Yörünge Aracı (MRO), gezegenin etrafında 50'den fazla yörünge ve gezegen yüzeyinin %000'unu kapsayan 90'den fazla fotoğraf çekti (000 itibariyle). Buna ek olarak, Mars gezicilerinden yayınları ve görüntüleri iletir. Örneğin, Curiosity şimdiden neredeyse bir milyon ham fotoğraf çekti (hepsi hayran olduğumuz fotoğraflara dönüşmedi). MRO'dan Dünya'da toplanan veri miktarı 99 petabayta yaklaşıyor (2017 başlarındaki tahmini veriler).
Ancak MRO, fotoğraf ve veri odaklı bir görevdir. Karşılaştırıldığında, birkaç yıldır Satürn ve uydularını inceleyen Cassini sondası, Dünya'ya 635 fotoğraf içeren sadece 453 GB veri gönderdi. Buna karşılık, gezici Oppo15 yıl boyunca Mars'ı dolaşan rtunity, 2018'e kadar (biz onunla sonsuza kadar bağlantımızı kaybettikten kısa bir süre sonra) 225'den fazla fotoğrafı Dünya'ya geri gönderdi.
Mars'a gönderilen veri miktarı çok daha küçük. Bunlar, esas olarak, bunların yürütülmesinin komutları ve onayları veya yazılım düzeltmeleri (ki bunlar en önemlisidir) olduğundan, bunları iletmek için çok güçlü vericilere bile ihtiyaç duymazlar.
Ayrıca okuyun: Dünyanın atmosferik oksijeninin ne zaman tükeneceği belli oldu
Bir sonda veya gezici Dünya ile nasıl "konuşur"?
Mars'tan Dünya'dan nasıl veri alındığını zaten biliyoruz, ancak Kızıl Gezegendeki cihazlardan iletişim nasıl başlatılıyor? Yörüngede bulunan sondalar, Dünya ile iletişim kurmak ve büyük miktarda veri göndermek için daha uygun koşullara sahiptir. Bu tür bir iletişim için en sık bahsedilen X-bandı kullanılır.Perseverance gezici, Curiosity gibi, iletişim için bu bant üzerinde çalışan iki verici (düşük ve yüksek güç) kullanır.
Onların yardımıyla, gezici bağımsız olarak evi "arayabilir", ancak güçlü vericiden gelen veri aktarım hızı, sinyal 800 metrelik bir anten tarafından alındığında maksimum 70 bps veya 160 metre olduğunda 34 bps'dir. anten. Düşük güçlü bir verici yalnızca son çaredir çünkü iletmek için yalnızca 10 bitlik bir kanala ve veri almak için 30 bitlik bir kanala sahiptir.
Bu nedenle, bugün Curiosity ve Perserance gezicileri genellikle ilk olarak UHF menzilinde Mars yörüngesindeki "baz istasyonlarına" bağlanır - çok daha büyük verici antenlere sahip sondalar. Bunun için MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey ve European Mars Express ve TGO (Trace Gas Orbiter) kullanılmaktadır. MRN (Mars Relay Network) adı verilen bir ağ oluştururlar.
Böyle bir röle ağı kurulmadan önce, Viking 1 ve 2 gibi uzay araçları, eşlik eden yörüngelere güvenmek zorundaydı. Dünya ile doğrudan iletişim için 20 W vericiler ve S-bandı kullanılmış, günümüz gezicilerine benzer şekilde 381 MHz (UHF bandı) frekansında iletişim gerçekleştirilmiştir.
Ayrıca okuyun: Crew Dragon tek değil: Önümüzdeki yıllarda hangi gemiler uzaya gidecek?
Mars-Dünya iletişiminin maksimum hızı nedir?
Burada birçok nüans var. Bu nedenle, Perserance önce radyoizotop termoelektrik jeneratör ekranının yanında gezicinin arkasında bulunan bir anten kullanarak görüntüleri ve diğer verileri 400 MHz'de yörüngedeki sondalara gönderir. Kızıl Gezegenin yüzeyinden yörüngesine kadar olan iletişim hattının bant genişliği 2 Mbit/s'ye kadardır. Mars'ın yörüngesiyle bağlantının verimliliği, Dünya'dan uzaklığına bağlıdır ve bu, bildiğiniz gibi, büyük ölçüde değişir.
Maksimum bağlantı hızı, Mars Dünya'dan en uzak olduğunda 500 kbps'den Mars gezegenimize en yakın olduğunda 3 Mbps'den fazla değişir. Genellikle günde yaklaşık 34 saat olmak üzere 8m DSN antenleri kullanılır. Ancak bu, iletimin her zaman DSN antenlerinin verilerinden görülebilen maksimum hızda olduğu anlamına gelmez.
Ayrıca, gezegenin yörüngesindeki sondaları atlayarak, Dünya ile Mars yüzeyindeki cihazlar arasında doğrudan bir bağlantı kurma fırsatı da vardır. Ancak bu tür bağlantılar sadece acil durumlarda veya sadece basit kontrol komutları göndermek için yapılabilir. Bu tür sınırlamalar, gezegenin yörüngesinden Mars'a gönderilen sinyalin bant genişliğinin, Dünya'dan Mars yüzeyine doğrudan iletimden 3-4 kat daha büyük olmasından kaynaklanmaktadır. X bandında çalışan antenler, hem Dünya'da hem de gezici üzerinde bu tür iletişim için kullanılır.
Ancak iletişimde bugün etkileyemeyeceğimiz kesintiler de var. Onların nedeni Güneş'tir. Güneş'in kendisi, yakınından geçen sondalardan gelen verilerin iletilmesine müdahale edebilir, çünkü Kızıl Gezegen zaman zaman bizden gizlenir. Güneş sisteminde henüz iyi gelişmiş bir iletişim ağımız olmadığından, Mars'ın her iki yılda bir güneş diskini geçmesi yaklaşık 10 gün sürer. Bu süre zarfında, geziciler ve sondalarla iletişim tamamen yoktur.
Bazen başka bir çıkış yolu yoktur, çok çalışmanız ve günler hatta aylarca veri beklemeniz gerekir.
Neyse ki, Mars misyonları söz konusu olduğunda, bilim adamlarının şu ana kadar böyle bir sorunu olmadı. Ama 1990'lardaki Galileo sondasını hatırlayanlarınız varsa, o zaman yer kontrolüyle ilgili büyük sorunlar olduğunu bilirsiniz. Sondanın verici anteni yalnızca kısmen konuşlandırıldı, bu nedenle 134 kbps'lik amaçlanan bant genişliğine ulaşamadı. Bilim adamları, prob ile teması kaybetmemek için yeni veri sıkıştırma yöntemleri geliştirmek zorunda kaldı. İkinci düşük kazançlı antenin performansını 8-16 bps'den (evet, saniyede bit) 160 bps'ye ve ardından yaklaşık 1 kbit/s'ye yükseltmeyi başardılar. Hala çok azdı, ama görevi kurtarmak için yeterli olduğu ortaya çıktı.
Öte yandan, çok uzak uzay araçları, iletimin uzun zaman alması nedeniyle çok güçlü verici antenler ve güç kaynakları ile donatılmalıdır. Verici anteni 12 W gücünde olan Yeni Ufuklar sondasından, Plüton'un yanından geçtikten sonra bilim adamları, aktarılan tam bir veri seti için aylarca bekledi.
Bu sorun çözülebilir mi? Evet, mümkün, ancak bunun için güneş sistemi boyunca iletişim ağları kurmamız gerekiyor, ancak bu çok zaman ve elbette büyük finansal infüzyonlar gerektiriyor.
Bundan sonra ne bekleyebiliriz?
Mars yüzeyinden ve ötesinden birçok ilginç bilginin bizi beklediğine eminim. İnsanlık, Dünya'dan ayrılmaya ve uzak gezegenleri ve diğer güneş sistemlerini keşfetmeye heveslidir. Belki birkaç on yıl içinde bu makalem sadece Mars'ta ya da Alpha Centauri'de bir yerlerde okul çağındaki çocukları gülümsetecek. Belki o zaman insanlık, şimdi Kiev'den New York'a olduğumuz kadar kolay ve basit bir şekilde diğer gezegenlere uçacaktır. Bir şeyden eminim, insanlığın uzayı keşfetme arzusunu durdurmak imkansız!
Ayrıca ilginç:
