Впевнений, що багато хто з вас чув чи читав про недавнє приземлення на Марс апарату Perseverance, а невдовзі Червона планета вже чекає на аравійську Hope та китайський Tianwen-1. Цікаво, а як всі ці зонди передають дані своїх досліджень на Землю? Про космічний зв’язок сьогодні й піде мова.
Польоти до інших планет були мрією людства у всі часи. На цю тему знято купу художніх і документальних фільмів, де майже детально розказується, як відбувається сам процес польоту, як себе почувають або почуватимуться члени екіпажу, що треба робити в такій обстановці.
Нещодавно весь світ з захопленням спостерігав, як марсохід Perseverance приземлявся на поверхню Червоної планети і як робив перші зйомки після посадки. Ми вже маємо перші фотографії з марсохода, який, нагадаю, приземлився на Марсі 18 лютого 2021 року, а також першу фотографію самого апарату.
Це технічні фотографії, зроблені відразу після посадки, фотографії коліс, а також фотографія самого ровера під час приземлення, яка зроблена камерами, встановленими на ракетному модулі.
Але я завжди ловив себе на думці, а як їм вдається так швидко з’єднуватись з Землею і передавати відзнятий матеріал? Мені стало цікаво, це правда чи наукова фантастика? Сьогодні спробую поділитись своїми думками на цю тему.
Читайте також: Чим на Марсі займатимуться Perseverance та Ingenuity?
Як далеко Марс, і що з чого випливає?
Нагадаю, що Марс, залежно від пори року, знаходиться на відстані приблизно від 55 до 401 мільйонів кілометрів від Землі. Тут все залежить від співпадіння орбіт обертання, в тому числі й навколо Сонця. І оскільки найбільш швидкою формою спілкування є електромагнітні хвилі, час, необхідний для надсилання інформації на Червону планету, буде визначатися швидкістю світла. Тобто, якщо ми хочемо надіслати команду такому марсоходу чи зонду, або отримати дані, нам доведеться трохи почекати.
Машини не можуть вплинути на затримки сигналу, так само як і людина, тому відставання може бути до 60 мс. І за цей час радіосигнал пройде близько 18 000 кілометрів. У випадку з космічними апаратами негативною стороною цього явища є неможливість керувати ними в режимі реального часу. Єдине, що залишається – це перехід на автономну роботу, це стосується і самого Perseverance і, напевно, ще більшою мірою вертольота Ingenuity, який повинен розпочати свою 30-денну місію протягом наступних кількох десятків днів. Тобто, з поверхні Марсу ми отримуємо сигнал зі значною затримкою, але сучасні прилади майже мінімізували її. Так, це позбавило нас можливості керувати апаратами з Землі, але дало поштовх розвитку ще більшої автоматизації таких приладів.
Читайте також: Топ-10 фактiв про масивнi чорнi діри, виявленi у 2020 році
Як безпосередньо здійснюється зв’язок між Землею і місіями, які працюють на Марсі
Впевнений, що це питання цікавить майже всіх, хто слідкує за подібними місіями. Так от, для цього була створена мережа радіотелескопів під назвою Deep Space Network (DSN), яка є частиною ще більшої структури, яка називається SCaN (космічний зв’язок та навігація).
Цей центр з’єднує всі передавачі та приймачі на Землі, які використовуються для зв’язку з апаратами та астронавтами в космосі. DSN контролює Лабораторія реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory) від NASA.
Радіотелескопи, найбільші з яких мають діаметр до 70 метрів, розташовані поблизу Мадрида в Іспанії, Канберри в Австралії та в Голдстоуні в пустелі Мохаве в США. Таке розташування у різних точках поверхні Землі мінімізує ризик перебоїв у зв’язку і дає можливість підвищити швидкість прийому та передачі сигналу.
Цікаво, що Китай, щоб стати незалежним від інших мереж, побудував власний радіотелескоп, розміром також близько 70 м, за допомогою якого здійснює зв’язок з Тяньвен-1. Серед інших, перші знімки планети були зроблені саме з цієї орбіти.
Читайте також: Що може завадити нам колонізувати Марс?
Між потужністю вихідного і прийнятого сигналу – гігантська різниця
Тепер перейдемо до технічних можливостей цих передавачів. Тут теж багато цікавого. Так ми знаємо, що передавачі, встановлені на цих антенах і спрямовані на космічні об’єкти, мають потужність від 20 кВт в діапазоні X (частоти від 8 до приблизно 12 ГГц) до 400 кВт (але слід пам’ятати, що використання потужності понад 100 кВт вимагає корегування в залежності від складу повітря і способу управління трафіком) в діапазоні S (частоти приблизно від 2 до 4 ГГц, тобто подібні до домашнього Wi-Fi або деяких мобільних мереж). Для порівняння, потужність найсильніших передавачів базової станції 5G становить 120 Вт, але зазвичай вона набагато менша, а промінь формується інакше, ніж у випадку передачі на космічні апарати.
При отриманні сигналу найбільші антени мережі DSN здатні вловлювати промінь потужністю порядку 10-18 Вт. Таку потужність, наприклад, має сигнал від Voyager 2. Сигнали з Марса також приблизно такого порядку, враховуючи відстань та обмежений енергетичний ресурс зондів.
MRO (Mars Recoinassance Orbiter) має два підсилювачі сигналу потужністю 100 Вт для кожного діапазону X, і ще один резервний, якщо один з основних виходить з ладу. Він також має експериментальний передавач, що працює в діапазоні Ка (частоти в діапазоні 26-40 ГГц), який здійснює передачу з потужністю 35 Вт, але тільки для цілей тестування.
Сторінка DSN наочно показує, кому або від кого дані зараз надсилаються або отримуються. Крім усього іншого, після натискання на ярлик із зазначенням місії, ми можемо побачити додаткові дані. Марсохід Perseverance скорочено називається M20, і дані отримуються головним чином від MRO.
Читайте також: Космос на вашому комп’ютері: 5 найкращих програм з астрономії
Чим далі в космос, тим сигнал повільніший
DSN також має зв’язок з іншими зондами, але ви знаєте, чим далі вони від Землі, тим повільніша швидкість передачі даних. Багато також залежить від потужності передавача на даному космічному апараті. Voyager 1, найвіддаленіший від Землі, передає дані зі швидкістю 160 біт/с, це лише трохи швидше, ніж перші модеми 1950-х. Щоб відкрити веб-сайт root-nation.com з цим текстом з такої відстані, вам доведеться почекати більше доби.
У свою чергу, сигнал, що надходить на зонд з Землі, значно сильніший, але антена Voyager 1 має діаметр лише 3,7 метра, що, зрозуміло, робить ефективність прийому сигналу набагато слабкішою, ніж якби це була 70-метрова антена.
Читайте також: Сонячний зонд Parker Solar Probe показав нічний бік Венери
Скільки даних передає марсіанський зонд або ровер під час своєї місії?
Місії на Марс зазвичай займають два базових роки плюс тривалість розширеної місії, і можуть тривати більше десяти років. Зонди та прилади, які виконують візуальні спостереження, вимагають найбільшої пропускної здатності, тому що фотографії – це, принаймні, мегабайти даних. Сигнал може містити набагато більше числових даних, що характеризують інші вимірювання, параметри атмосфери, магнітного поля, температури, тощо. Тому час якраз на користь космічних зондів. Вони не транслюють занадто швидко, але роблять це наполегливо роками.
Зонд MRO (Mars Recoinassance Orbiter), який фотографував Марс з 2005 року, вже зробив понад 50 000 обертів навколо планети та понад 90 000 фотографій, що охоплюють 99% поверхні планети (дані за 2017 рік). Крім того, він передає трансляції та знімки від марсоходів. Наприклад, Curiosity вже зробив майже мільйон необроблених фотографій (не всі з них перероблені на знімки, якими ми захоплюємося). Обсяг зібраних даних на Землі, отриманих від MRO, наближається до 0,5 петабайта (приблизні дані на початок 2021 рік).
Однак MRO – це місія, орієнтована на фотографії та передачу даних. Для порівняння, зонд Cassini, який вже кілька років вивчає Сатурн та його супутники, надіслав на Землю лише 635 ГБ даних, які включали 453 000 фотографій. У свою чергу, марсохід Opportunity, який подорожував навколо Марса протягом 15 років, надіслав на Землю до 2018 року (невдовзі після цього ми назавжди втратили з ним контакт) понад 225 000 фотографій.
Кількість даних, що надсилаються на Марс, значно менша. Оскільки це в основному команди та підтвердження їх виконання, або програмні виправлення (що важать найбільше), для їх передачі навіть дуже потужні передавачі не потрібні.
Читайте також: Стало відомо, коли закінчиться атмосферний кисень Землі
Як зонд чи марсохід “розмовляє” з Землею?
Ми вже знаємо, як дані з Марса отримують на Землі, але як ініціюється зв’язок від апаратів на Червоній планеті? Зонди, які знаходяться на орбіті, мають більш сприятливі умови для того, щоб зв’язатися з Землю і надіслати великі обсяги даних. Для такого зв’язку використовується найчастіше згадуваний діапазон X. Марсохід Perseverance, як і Curiosity, використовує для зв’язку два передавачі (низької та високої потужності), що працюють на цій смузі.
З їх допомогою ровер може самостійно “дзвонити” додому, але швидкість передачі даних від потужного передавача становить максимум 800 біт/с коли сигнал приймається 70-метровою антеною, або 160 біт/с коли це 34-метрова антена. Малопотужний передавач є лише крайнім засобом, оскільки він має лише 10-бітовий канал для передачі і 30 бітовий для прийому даних.
Тому сьогодні марсоходи Curiosity та Perserance зазвичай спочатку підключаються в діапазоні УВЧ до своєї “базової станції” на орбіті Марса – зондів, які мають набагато більші передавальні антени. Для цього використовуються MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey та European Mars Express та TGO (Trace Gas Orbiter). Вони утворюють мережу під назвою MRN (Mars Relay Network).
До того, як була створена така ретрансляційна мережа, апаратам, таким як Viking 1 і 2, довелося покладатися на супутні орбіти. Для прямого зв’язку з Землею використовували передавачі потужністю 20 Вт та діапазон S, зв’язок здійснювався на частоті 381 МГц (діапазон УВЧ), подібно до марсоходів сьогодні.
Читайте також: Не Crew Dragon єдиним: які кораблі відправляться в космос в найближчі роки
Яка максимальна швидкість зв’язку Марс-Земля?
Тут є багато нюансів. Так, Perserance спочатку надсилає зображення та інші дані на зонди на орбіті з частотою 400 МГц за допомогою антени, розташованої в задній частині апарата, поруч із екраном радіоізотопного термоелектричного генератора. Пропускна здатність лінії зв’язку від поверхні до орбіти Червоної планети становить до 2 Мбіт/с. Ефективність з’єднання з орбітою Марса залежить від її віддаленості від Землі, і це, як відомо, коливається в широких межах.
Максимальна швидкість з’єднання варіюється від 500 кбіт/с, коли Марс знаходиться найдальше від Землі, до понад 3 Мбіт/с, коли Марс максимально наближається до нашої планети. Зазвичай використовуються 34-метрові антени DSN, приблизно протягом 8 годин на день. Це, однак, не означає, що передача постійно відбувається з максимальною швидкістю, що можна побачити з даних антен DSN.
Є також можливість встановити безпосередній зв’язок між Землею і апаратами, які знаходяться на поверхні Марса, оминаючи зонди, які знаходяться на орбіті планети. Але такі з’єднання можуть здійснюватись лише в аварійних ситуаціях або для надсилання лише простих команд управління. Такі обмеження пов’язані з тим, що смуга пропускання сигналу до Марса з орбіти планети у 3-4 рази більша, ніж при прямій передачі з Землі до марсіанської поверхні. Для такого зв’язку використовуються антени, які працюють у діапазоні Х, як на Землі, так і на марсоході.
Але існують і перерви у зв’язку, на які ми сьогодні ніяк не можемо впливати. Їх причина – Сонце. Саме Сонце може перешкоджати передачі даних від зондів, що проходять поблизу нього, адже Червона планета ним час від часу від нас просто затуляється. І оскільки у нас ще немає добре розвиненої комунікаційної мережі в Сонячній системі, кожні два роки Марсу потрібно близько 10 днів, щоб прослизнути повз сонячний диск. Саме в цей період зв’язок з марсоходами та зондами повністю відсутній.
Іноді іншого виходу немає, доводиться багато працювати і чекати даних днями, а то й місяцями
На щастя, у випадку з марсіанськими місіями у вчених поки не було таких проблем. Але якщо хтось з вас пам’ятає зонд “Галілео” 1990-х років, то знаєте, що тоді виникли великі проблеми з наземним управлінням. Передавальна антена зонду була розгорнута лише частково, тому не змогла досягти передбачуваної пропускної здатності 134 кбіт/с. Вченим довелося розробити нові методи стискання даних, щоб не втратити зв’язок з зондом. Їм вдалося збільшити продуктивність другої антени з низьким коефіцієнтом посилення з 8-16 біт/с (так, біти в секунду) до 160 біт/с, а потім приблизно до 1 кбіт/с. Це було ще дуже мало, але виявилося достатньо, щоб врятувати місію.
З іншого боку, дуже далекі космічні апарати повинні бути оснащені дуже потужними передавальними антенами та джерелами енергії, тому що передача триває довго. Від зонда New Horizons, передавальна антена якого має потужність 12 Вт, після його прольоту поблизу Плутона вчені місяцями чекали повного набору переданих даних.
Чи можна вирішити цю проблему? Так, можна, але для цього нам потрібно будувати комунікаційні мережі по всій Сонячній системі, але це потребує багато часу, і, звичайно ж, величезних фінансових вливань.
Чого нам чекати далі?
Я впевнений, що на нас чекає дуже багато цікавої інформації з поверхні Марсу і не тільки. Людство прагне вирватись за межі Землі і досліджувати далекі планети та інші сонячні системи. Можливо, через декілька десятиліть ця моя стаття викличе тільки усмішку у учнів шкіл на Марсі або десь в Альфа Центавра. Можливо, людство вже тоді буде літати на інші планети так легко і просто, як ми зараз з Києва до Нью-Йорку. В одному я впевнений, зупинити бажання людства освоювати космос неможливо!
Теж цікаво: