Tôi chắc rằng nhiều bạn đã nghe hoặc đọc về cái gần đây Kiên trì hạ cánh trên sao Hỏa, và chẳng mấy chốc, Hành tinh Đỏ đã chờ đợi Hy vọng Ả Rập và Tianwen-1 của Trung Quốc. Tôi tự hỏi làm thế nào tất cả các tàu thăm dò này truyền dữ liệu nghiên cứu của họ đến Trái đất? Truyền thông không gian sẽ được thảo luận ngày hôm nay.
Những chuyến bay đến hành tinh khác luôn là giấc mơ của nhân loại. Rất nhiều phim truyện và phim tài liệu đã được quay về chủ đề này, kể lại gần như chi tiết quá trình bay diễn ra như thế nào, các thành viên phi hành đoàn cảm thấy hoặc sẽ cảm thấy như thế nào, nên làm gì trong môi trường như vậy.
Mới đây, cả thế giới thích thú theo dõi khi tàu thám hiểm Perseverance đáp xuống bề mặt Hành tinh Đỏ và chụp những bức ảnh đầu tiên sau khi hạ cánh. Chúng tôi đã có những bức ảnh đầu tiên từ xe tự hành, mà tôi xin nhắc bạn, đã hạ cánh xuống sao Hỏa vào ngày 18 tháng 2021 năm , cũng như bức ảnh đầu tiên của chính thiết bị.
Đây là những bức ảnh kỹ thuật được chụp ngay sau khi hạ cánh, ảnh chụp các bánh xe, cũng như ảnh chụp chính người điều khiển trong khi hạ cánh, được chụp bởi các camera gắn trên mô-đun tên lửa.
Nhưng tôi luôn bắt mình suy nghĩ, làm thế nào để họ có thể kết nối với Trái đất nhanh như vậy và truyền tải các cảnh quay? Tôi tự hỏi nếu điều này là sự thật hay khoa học viễn tưởng. Hôm nay tôi sẽ cố gắng chia sẻ suy nghĩ của mình về chủ đề này.
Đọc thêm: Sự kiên trì và sự khéo léo sẽ làm được gì trên sao Hỏa?
Sao Hỏa cách bao xa, và điều đó có nghĩa là gì?
Để tôi nhắc bạn rằng sao Hỏa, tùy theo mùa, cách Trái đất khoảng 55 đến 401 triệu km. Ở đây mọi thứ phụ thuộc vào sự trùng hợp của các quỹ đạo quay, kể cả xung quanh Mặt trời. Và vì hình thức liên lạc nhanh nhất là sóng điện từ nên thời gian gửi thông tin đến Hành tinh Đỏ sẽ được xác định bởi tốc độ ánh sáng. Tức là, nếu chúng tôi muốn gửi lệnh đến một người tự hành hoặc thăm dò, hoặc nhận dữ liệu, chúng tôi sẽ phải đợi một chút.
Máy móc không thể ảnh hưởng đến độ trễ tín hiệu giống như cách con người có thể làm, vì vậy độ trễ có thể lên tới 60 mili giây. Và trong thời gian này, tín hiệu vô tuyến sẽ truyền đi khoảng 18 km. Trong trường hợp phương tiện không gian, mặt tiêu cực của hiện tượng này là không thể kiểm soát chúng trong thời gian thực. Điều duy nhất còn lại là quá trình chuyển đổi sang hoạt động tự trị và điều này áp dụng cho chính Perseverance và thậm chí có thể nhiều hơn cho máy bay trực thăng Ingenuity, sẽ bắt đầu sứ mệnh 000 ngày trong vài chục ngày tới. Đó là, từ bề mặt sao Hỏa, chúng tôi nhận được tín hiệu có độ trễ đáng kể, nhưng các thiết bị hiện đại gần như đã giảm thiểu nó. Đúng vậy, nó đã tước đi cơ hội điều khiển các thiết bị từ Trái đất của chúng ta, nhưng nó đã tạo động lực cho sự phát triển tự động hóa thậm chí còn lớn hơn của các thiết bị đó.
Đọc thêm: 10 sự thật hàng đầu về các lỗ đen lớn được phát hiện vào năm 2020
Làm thế nào là liên lạc trực tiếp giữa Trái đất và các nhiệm vụ hoạt động trên sao Hỏa
Tôi chắc chắn rằng câu hỏi này được hầu hết những người theo dõi các nhiệm vụ tương tự quan tâm. Vì vậy, đối với điều này, một mạng lưới các kính viễn vọng vô tuyến có tên là Mạng không gian sâu (DSN) đã được tạo ra, đây là một phần của cấu trúc thậm chí còn lớn hơn có tên là SCaN (Truyền thông và điều hướng không gian).
Trung tâm này kết nối tất cả các máy phát và máy thu trên Trái đất được sử dụng để liên lạc với tàu vũ trụ và các phi hành gia trong không gian. DSN được kiểm soát bởi Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA.
Kính viễn vọng vô tuyến, loại lớn nhất có đường kính lên tới 70 mét, được đặt gần Madrid ở Tây Ban Nha, Canberra ở Úc và Goldstone ở sa mạc Mojave ở Hoa Kỳ. Sự sắp xếp này tại các điểm khác nhau trên bề mặt Trái đất giúp giảm thiểu nguy cơ gián đoạn liên lạc và giúp tăng tốc độ nhận và truyền tín hiệu.
Điều thú vị là Trung Quốc, để trở nên độc lập với các mạng khác, đã chế tạo kính viễn vọng vô tuyến của riêng mình, cũng có kích thước khoảng 70 m, để liên lạc với Tianwen-1. Trong số những người khác, những bức ảnh đầu tiên của hành tinh được chụp từ quỹ đạo này.
Đọc thêm: Điều gì có thể ngăn cản chúng ta xâm chiếm sao Hỏa?
Có sự khác biệt lớn giữa công suất tín hiệu đầu ra và nhận được
Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang khả năng kỹ thuật của các máy phát này. Ở đây cũng có rất nhiều điều thú vị. Vì vậy, chúng tôi biết rằng các máy phát được gắn trên các ăng-ten này và nhắm vào các vật thể không gian có công suất từ 20 kW trong băng tần X (tần số từ 8 đến khoảng 12 GHz) đến 400 kW (nhưng nên nhớ rằng việc sử dụng công suất trên 100 kW yêu cầu điều chỉnh tùy thuộc vào thành phần không khí và quản lý lưu lượng) trong băng tần S (tần số khoảng 2 đến 4 GHz, tức là tương tự như Wi-Fi gia đình hoặc một số mạng di động). Để so sánh, công suất của các máy phát trạm gốc 5G mạnh nhất là 120 watt, nhưng nó thường thấp hơn nhiều và chùm tia được hình thành khác với trường hợp truyền tới tàu vũ trụ.
Khi nhận được tín hiệu, các ăng-ten lớn nhất của mạng DSN có thể bắt được chùm tia có công suất vào khoảng 10-18 W. Ví dụ, năng lượng như vậy có tín hiệu từ Du hành 2. Tín hiệu từ Sao Hỏa cũng xấp xỉ theo thứ tự này, do khoảng cách và nguồn năng lượng hạn chế của các tàu thăm dò.
Tàu quỹ đạo trinh sát sao Hỏa (MRO) có hai bộ tăng tốc tín hiệu 100 watt cho mỗi dải X, với một bộ dự phòng nếu một trong những bộ chính bị lỗi. Nó cũng có một máy phát thử nghiệm hoạt động ở băng tần Ka (tần số trong dải 26-40 GHz) truyền ở mức 35 watt, nhưng chỉ dành cho mục đích thử nghiệm.
trang DSN hiển thị rõ ràng cho ai hoặc từ ai mà dữ liệu hiện đang được gửi hoặc nhận. Trong số những thứ khác, sau khi nhấp vào phím tắt biểu thị nhiệm vụ, chúng ta có thể xem dữ liệu bổ sung. Rover Perseverance được gọi tắt là M20 và dữ liệu chủ yếu đến từ MRO.
Đọc thêm: Không gian trên máy tính của bạn: 5 chương trình tốt nhất cho thiên văn học
Càng đi xa vào không gian, tín hiệu càng chậm
DSN cũng liên lạc với các tàu thăm dò khác, nhưng bạn biết rằng chúng càng ở xa Trái đất thì tốc độ dữ liệu càng chậm. Phần lớn cũng phụ thuộc vào sức mạnh của máy phát trên một con tàu vũ trụ nhất định. Du hành 1, xa Trái đất nhất, truyền dữ liệu với tốc độ 160 bps, chỉ nhanh hơn một chút so với modem đầu tiên của những năm 1950. Để mở một trang web root-nation.com với văn bản này từ một khoảng cách như vậy, bạn sẽ phải đợi hơn một ngày.
Đổi lại, tín hiệu đến tàu thăm dò từ Trái đất mạnh hơn nhiều, nhưng ăng-ten của Du hành 1 chỉ có đường kính 3,7 mét, tất nhiên, điều này làm cho việc thu tín hiệu yếu hơn nhiều so với ăng-ten dài 70 mét.
Đọc thêm: Parker Solar Probe cho thấy mặt đêm của sao Kim
Bao nhiêu dữ liệu mà một tàu thăm dò hoặc người tự hành trên sao Hỏa truyền tải trong nhiệm vụ của nó?
Các sứ mệnh sao Hỏa thường mất hai năm cơ sở cộng với thời gian của một sứ mệnh kéo dài và có thể kéo dài hơn một thập kỷ. Các đầu dò và công cụ thực hiện các quan sát trực quan đòi hỏi nhiều băng thông nhất vì các bức ảnh chứa ít nhất megabyte dữ liệu. Tín hiệu có thể chứa nhiều dữ liệu số hơn đặc trưng cho các phép đo khác, các tham số của khí quyển, từ trường, nhiệt độ, v.v. Do đó, đã đến lúc ủng hộ các tàu thăm dò không gian. Họ không phát sóng quá nhanh, nhưng họ làm điều đó một cách bền bỉ trong nhiều năm.
Tàu quỹ đạo trinh sát sao Hỏa (MRO), đã chụp ảnh sao Hỏa từ năm 2005, đã thực hiện hơn 50 quỹ đạo quanh hành tinh và hơn 000 bức ảnh bao phủ 90% bề mặt hành tinh (tính đến năm 000). Ngoài ra, nó còn truyền các chương trình phát sóng và hình ảnh từ các xe tự hành trên sao Hỏa. Ví dụ: Curiosity đã chụp gần một triệu bức ảnh thô (không phải tất cả chúng đều trở thành những bức ảnh mà chúng ta ngưỡng mộ). Lượng dữ liệu được thu thập trên Trái đất từ MRO đang đạt gần 99 petabyte (dữ liệu ước tính vào đầu năm 2017).
Tuy nhiên, MRO là một sứ mệnh hướng đến hình ảnh và dữ liệu. Để so sánh, tàu thăm dò Cassini, vốn đã nghiên cứu Sao Thổ và các mặt trăng của nó trong vài năm, chỉ gửi về Trái đất 635 GB dữ liệu, bao gồm 453 bức ảnh. Đổi lại, xe thám hiểm Opportunity, đã du hành quanh sao Hỏa trong 15 năm, đã gửi hơn 2018 bức ảnh về Trái đất vào năm 225 (ngay sau khi chúng ta mất liên lạc với nó mãi mãi).
Lượng dữ liệu gửi lên sao Hỏa nhỏ hơn nhiều. Vì đây chủ yếu là các lệnh và xác nhận việc thực thi chúng hoặc các bản sửa lỗi phần mềm (quan trọng nhất), chúng không yêu cầu các máy phát thậm chí rất mạnh để truyền chúng.
Đọc thêm: Người ta đã biết khi nào oxy trong khí quyển của Trái đất sẽ cạn kiệt
Làm thế nào để một tàu thăm dò hoặc rover "nói chuyện" với Trái đất?
Chúng ta đã biết cách nhận dữ liệu từ Sao Hỏa trên Trái đất, nhưng làm thế nào để truyền thông được bắt đầu từ các thiết bị trên Hành tinh Đỏ? Các tàu thăm dò trên quỹ đạo có điều kiện thuận lợi hơn để liên lạc với Trái đất và gửi một lượng lớn dữ liệu. Để liên lạc như vậy, băng tần X được đề cập thường xuyên nhất được sử dụng. Máy tự hành Perseverance, giống như Curiosity, sử dụng hai máy phát (công suất thấp và cao) hoạt động trên băng tần này để liên lạc.
Với sự giúp đỡ của họ, người đi đường có thể độc lập "gọi" về nhà, nhưng tốc độ truyền dữ liệu từ bộ phát mạnh mẽ tối đa là 800 bps khi tín hiệu được nhận bởi ăng-ten 70 mét hoặc 160 bps khi nó là 34 mét anten. Bộ phát công suất thấp chỉ là giải pháp cuối cùng vì nó chỉ có kênh 10 bit để truyền và kênh 30 bit để nhận dữ liệu.
Do đó, ngày nay, các xe tự hành Curiosity và Perserance thường kết nối đầu tiên trong phạm vi UHF với "trạm cơ sở" của chúng trên quỹ đạo Sao Hỏa - các tàu thăm dò có ăng-ten phát lớn hơn nhiều. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey và European Mars Express và TGO (Trace Gas Orbiter) được sử dụng cho việc này. Chúng tạo thành một mạng gọi là MRN (Mars Relay Network).
Trước khi mạng chuyển tiếp như vậy được thành lập, các tàu vũ trụ như Viking 1 và 2 phải dựa vào các quỹ đạo đồng hành. Để liên lạc trực tiếp với Trái đất, các máy phát 20 W và băng tần S đã được sử dụng, liên lạc được thực hiện ở tần số 381 MHz (băng tần UHF), tương tự như các máy tự động ngày nay.
Đọc thêm: Crew Dragon không phải là người duy nhất: tàu nào sẽ đi vào vũ trụ trong những năm tới
Tốc độ tối đa của giao tiếp Sao Hỏa-Trái đất là bao nhiêu?
Có rất nhiều sắc thái ở đây. Vì vậy, trước tiên, Perserance gửi hình ảnh và dữ liệu khác đến các tàu thăm dò đang quay quanh quỹ đạo ở tần số 400 MHz bằng cách sử dụng một ăng-ten nằm ở phía sau máy tự hành, bên cạnh màn hình máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ. Băng thông của đường truyền thông từ bề mặt đến quỹ đạo của Hành tinh Đỏ lên tới 2 Mbit/s. Hiệu quả của kết nối với quỹ đạo của Sao Hỏa phụ thuộc vào khoảng cách của nó với Trái đất và điều này, như bạn biết, rất khác nhau.
Tốc độ kết nối tối đa thay đổi từ 500 kbps khi sao Hỏa ở xa Trái đất nhất đến hơn 3 Mbps khi sao Hỏa ở gần hành tinh của chúng ta nhất. Thông thường ăng-ten DSN 34m được sử dụng, trong khoảng 8 giờ một ngày. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là đường truyền luôn ở tốc độ tối đa có thể nhìn thấy từ dữ liệu của ăng-ten DSN.
Ngoài ra còn có cơ hội thiết lập kết nối trực tiếp giữa Trái đất và các thiết bị trên bề mặt Sao Hỏa, bỏ qua các tàu thăm dò trên quỹ đạo của hành tinh. Nhưng những kết nối như vậy chỉ có thể được thực hiện trong các tình huống khẩn cấp hoặc chỉ để gửi các lệnh điều khiển đơn giản. Những hạn chế như vậy là do băng thông của tín hiệu đến Sao Hỏa từ quỹ đạo của hành tinh lớn hơn 3-4 lần so với truyền trực tiếp từ Trái đất đến bề mặt Sao Hỏa. Ăng-ten hoạt động trong băng tần X được sử dụng để liên lạc như vậy, cả trên Trái đất và trên xe tự hành.
Nhưng cũng có những gián đoạn trong giao tiếp mà ngày nay chúng ta không thể tác động được. Nguyên nhân của chúng là Mặt trời. Bản thân Mặt trời có thể cản trở việc truyền dữ liệu từ các tàu thăm dò đi qua gần nó, bởi vì Hành tinh Đỏ thỉnh thoảng ẩn nấp khỏi chúng ta. Và vì chúng ta chưa có mạng lưới liên lạc phát triển tốt trong hệ mặt trời, sao Hỏa mất khoảng 10 ngày để trượt qua đĩa mặt trời cứ sau hai năm. Chính trong thời kỳ này, việc liên lạc với người lái và tàu thăm dò hoàn toàn không có.
Đôi khi không còn cách nào khác, bạn phải làm việc cật lực và chờ dữ liệu hàng ngày, thậm chí hàng tháng trời
May mắn thay, trong trường hợp các sứ mệnh sao Hỏa, cho đến nay các nhà khoa học chưa gặp vấn đề như vậy. Nhưng nếu bất kỳ ai trong số các bạn còn nhớ tàu thăm dò Galileo của những năm 1990, thì bạn sẽ biết rằng đã có những vấn đề lớn với việc kiểm soát mặt đất khi đó. Ăng-ten phát của đầu dò chỉ được triển khai một phần, vì vậy nó không thể đạt được băng thông dự kiến là 134 kbps. Các nhà khoa học đã phải phát triển các phương pháp nén dữ liệu mới để không làm mất liên lạc với tàu thăm dò. Họ đã có thể tăng hiệu suất của ăng-ten độ lợi thấp thứ hai từ 8-16 bps (có, bit trên giây) lên 160 bps và sau đó lên khoảng 1 kbit/s. Nó vẫn còn rất ít, nhưng hóa ra là đủ để cứu nhiệm vụ.
Mặt khác, các tàu vũ trụ ở rất xa phải được trang bị ăng-ten truyền và nguồn năng lượng rất mạnh vì quá trình truyền mất nhiều thời gian. Từ tàu thăm dò New Horizons, có ăng-ten phát có công suất 12 W, sau khi bay ngang qua gần Sao Diêm Vương, các nhà khoa học đã chờ đợi hàng tháng trời để có được một bộ dữ liệu được truyền hoàn chỉnh.
Vấn đề này có thể được giải quyết? Vâng, điều đó là có thể, nhưng để làm được điều này, chúng ta cần xây dựng mạng lưới liên lạc trên toàn hệ mặt trời, nhưng điều này đòi hỏi rất nhiều thời gian và tất nhiên là cả nguồn tài chính khổng lồ.
Chúng ta có thể mong đợi điều gì tiếp theo?
Tôi chắc chắn rằng rất nhiều thông tin thú vị đang chờ đợi chúng ta từ bề mặt sao Hỏa và hơn thế nữa. Nhân loại háo hức thoát ra khỏi Trái đất và khám phá các hành tinh xa xôi cũng như các hệ mặt trời khác. Có lẽ vài chục năm nữa, bài viết này của tôi mới khiến lũ học sinh trên sao Hỏa hay đâu đó trong Alpha Centauri mỉm cười. Biết đâu khi đó loài người sẽ bay đến các hành tinh khác dễ dàng và đơn giản như chúng ta đang bay từ Kyiv đến New York bây giờ. Tôi chắc chắn một điều rằng, không thể nào ngăn cản được khát vọng khám phá không gian của nhân loại!
Cũng thú vị:
