他州の親戚を訪ねるときに携帯電話の電波を受信するのが面倒だと思うなら、想像してみてください。 少なくとも4,000万マイル離れていて、常に相対的に移動している人々と通信しようとしています。 あなた。 人類を火星に送る計画を立てている場合、それは私たちが対処しなければならないことです。通信は単に重要であるだけでなく、不可欠なものになります。
コンテンツ
- 深宇宙ネットワークで太陽系に手を伸ばす
- コミュニケーションにおける国際協力
- 火星と話す
- タイミングの重要性
- 有人ミッションの通信
- 火星を巡る次世代ネットワーク
- 将来に向けたコミュニケーションの準備
- ここからどこにいきますか？
火星とその先をカバーする通信ネットワークを構築する方法と、現在のシステムが次の課題に対処するためにどのようにアップグレードされているかを調べるため。 増え続けるデータ量について、私たちは NASA の現在の通信システムに携わる 2 人の専門家 (1 人は地球側、もう 1 人は火星側) に話を聞きました。 側。
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深宇宙ネットワークで太陽系に手を伸ばす
火星のパーサヴィアランス探査機やこれから向かうボイジャーミッションなどの現在のミッションと通信するため NASA は星間空間に向けて、ディープ スペース ネットワークと呼ばれる地球の周囲に構築されたアンテナ ネットワークを持っています。 DSN。
DSN にはカリフォルニア、スペイン、オーストラリアに 3 つのサイトがあり、毎日相互に通信業務を引き継いでいます。 そうすれば、地球がどのように回転したり、地軸を中心にぐらついたりしても、常に必要な方向を向いた場所が存在します。 各サイトには、最大 70 メートルのサイズの無線アンテナが多数あり、宇宙ミッションからの送信を受信し、データを地球上の必要な場所に中継します。
コミュニケーションにおける国際協力
DSN は NASA のミッションに使用されますが、欧州宇宙機関 (ESA) などのさまざまな宇宙機関によって使用される他のグローバル ネットワークもあります。 驚くほど先進的な方法で、これらのさまざまなネットワークはすべて、通信に関して同じ国際標準に従っているため、必要に応じて宇宙機関は相互にネットワークを使用できます。
「かなり小さなコミュニティです。 一例として、火星に宇宙船を送る能力を持っている国はほんのわずかしかありません」とレス氏は述べた。 深宇宙ネットワークを運営する惑星間ネットワークの副所長であるドイチュ氏はデジタルに語った。 トレンド。 「増えてきていますが、まだ数は少ないです。 そして、非常に高価なミッションを抱えた小さなコミュニティである私たち全員が、これを一緒に達成しようとする義務があります。」
つまり、ESAなどNASAが緊密に連携している機関に加え、中国の宇宙機関などNASAと関係のない機関も依然として同じ基準に従っているということだ。
「中国でさえ、私たちが長年にわたって開発を支援してきた一連の国際標準に加入しているため、すべての深宇宙ミッションが同じ方法で通信できるようになっている」と同氏は述べた。 「宇宙船は同様の無線フォーマットを備えており、地上局も同様の種類のアンテナとインターフェースを備えています。 したがって、これらの協定を通じて、私たちはお互いの宇宙船を追跡できるようになります。 それらはすべて相互運用できるように構築されています。」
火星と話す
これが私たちが地球上で通信を受信する方法です。 しかし、どうやって火星から通信を送るのでしょうか? このような長距離に通信を送信するには、強力な無線が必要です。 また、探査機のようなミッションは小さくて軽い必要があるため、巨大なアンテナを取り付けるスペースがありません。
この問題を回避するために、火星には火星リレー ネットワーク (MRN) と呼ばれる通信を中継するシステムがあります。 それは、現在地球の周りを移動し、拾い上げるために使用できるさまざまなオービターで構成されています。 地表のミッション（探査機、着陸船、最終的には人間など）からの送信を行い、このデータを中継して送り返します。 地球。 実際には、次を使用して MRN 内のすべての航空機の現在位置を確認できます。 このNASAのシミュレーション.
火星の周りを周回する探査機の大多数は二重の役割を果たしています。 科学活動に加えて、彼らは中継器としても機能します - NASA の火星の場合がそれです Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) 宇宙船と火星偵察探査機、ESA の火星 特急。 「私たちが（火星に）送ったミッションのほとんどは低高度軌道にあるため、地表から300キロメートルから400キロメートルの間の高さにあります。 そしてそれらは本当に素晴らしいです！」 MRNマネージャーのロイ・グラッデン氏はデジタル・トレンドに語った。 「そこは素晴らしい場所です。なぜなら、そこは素晴らしくて近いし、その環境では着陸装置と周回衛星の間でかなりの量のデータを送信できるからです。」
ただし、すべてのミッションを中継ネットワークに追加できるわけではありません。 オービターが非常に高い高度にある場合、または非常に楕円形の軌道を持っている場合、場合によっては 惑星に近い場合もあれば、遠い場合もあるので、地球の一部になるのは適さないかもしれません。 MRN。 たとえば、アラブ首長国連邦（UAE）のホープ計画は非常に高い高度にあるため、火星の上層大気を研究することができます。 しかしそれは、中継器として利用するには水面から遠すぎることを意味します。
NASA の Mars Ice Mapper や宇宙航空研究開発機構 (JAXA) が計画している火星への将来のミッション ミッションには通信ハードウェアも含まれるため、ミッションを送信すればするほど、ネットワークの利用可能性が高まります。 建てられた。
タイミングの重要性
火星からの通信を中継する際の課題の 1 つは、火星が常に回転しており、NASA と ESA の周回衛星がすべてその周りを移動しているという事実です。 たとえば、探査車が 1 日に 2 回通信を送信する必要がある場合、これは問題にはなりません。複数の探査機が、ある時点で頭上を通過する可能性が高いのです。 しかし、特定のイベントを正確な時刻に追跡する必要がある場合は、さらに困難になります。
たとえば、探査車を地表に着陸させることはミッションの中で最も困難な部分であるため、NASA は常に着陸に注目したいと考えています。 パーサヴィアランス探査機の着陸では、MRN の周回機は軌道を微調整して、着陸を捉えるのに適切なタイミングで適切な場所にいることを確認しました。 しかし、貴重な燃料を節約するために、軌道をわずかに調整することしかできなかったため、すべてを正しい位置に配置するプロセスは、着陸が行われる数年前に始まりました。
このプロセスをより効率的にする 1 つの方法は、専用の中継衛星を使用して着陸などの重要なイベントを記録することです。 2018 年にインサイト着陸船が火星に着陸したとき、それに伴われていたのは MarCOと呼ばれるブリーフケースサイズの衛星2機、中継役を務めたマーズキューブワンの場合。 これらの小型衛星は火星の接近飛行で InSight を追って、着陸に関するデータを監視および中継した後、宇宙へ向かいました。 「私たちは彼らを希望する場所にターゲットを絞ることができたので、重要なイベントのテレメトリをキャプチャするために録画を行うことができました。」 グラッデン氏は、「そしてイベントが終わった後、彼らはひっくり返ってアンテナを地球に向け、それを送信した」と語った。 データ。"
衛星がこのように使用されたことはこれまでなかったため、MarCO の使用は将来の能力のテストでした。 しかし、テストは成功しました。 「彼らはまさに意図したことを実行した」とグラッデン氏は語った。 MarCO は軌道に乗るのに十分な燃料がなかったため、使い捨てのアイテムでした。 しかし、このような小型衛星は比較的安価で製造が容易であり、MarCO はこれが火星のネットワーク全体を再配置することなく特定の事象を監視する実行可能な方法であることを実証しました。
有人ミッションの通信
有人ミッションでは、定期的なコミュニケーションがさらに重要です。 光の速さのため、地球と火星の間の通信には常に最大 20 分の遅れが生じます。 それを回避する方法はまったくありません。 しかし、火星の人々が地球と会話できるように通信ネットワークを構築することはできます。 1 日に数回以上、ほぼ常時通信を利用できるようにすることを目的としています。 可能。
今後の マーズアイスマッパーミッション 「これはその方向への一歩のようなものです」とグラッデン氏は語った。 「私たちの目的は、Ice Mapper の専用中継ユーザーとなる小さな宇宙船群を送ることです。」 これは 星座が火星通信に使用されたのは初めてであり、より大規模な中継器の構成要素となる可能性がある 通信網。
このようなプロジェクトは、惑星間の長距離を通信するために多大な電力を必要としますが、技術的には完全に実現可能です。
火星を巡る次世代ネットワーク
惑星外通信のニーズの将来を想像することに関しては、「私たちは前向きに考えようとしている」とグラッデン氏は語った。 「私たちは将来何が必要になるかを検討しているところです。 特に、最終的にはそこに人々を送り込みたいと考えています。」
未来の火星通信ネットワークを構築するには、より多くの電力を備えた宇宙船をネットワークに追加することで、地球上の通信ネットワークにさらに近づけることが含まれる可能性があります。 「地球では、私たちは低高度の宇宙船を大量に送り出すことで通信の問題を解決しています。 これは大きな太陽電池アレイを備えた高出力システムであり、ビームステアリングを行うことができる非常に複雑な無線機を備えています。」 言った。 「マースでも同じことを望んでいます。」
技術的には、これらの問題を解決し、火星の周囲に地球の周囲にあるネットワークと同等のネットワークを構築することが可能です。
長い遅延に対処できるネットワークの作成や、すべての火星探査機で使用できるデータ標準の作成は複雑ですが、可能です。 このような通信ネットワークは理論的には、単に地球と火星の往復の通信を提供する以上のことを行うために拡張できる可能性があります。 これは、火星全域でのナビゲーションを支援する測位システムとして使用でき、またハードウェアにいくつかの変更を加えれば、火星全域での通信も提供できる可能性があります。
しかし、このような有能な宇宙船は大きくて重いため、打ち上げが困難です。 そして、彼らは別の問題に直面しています。地球の磁気圏によって保護されている地球周回の衛星とは異なり、火星の周回軌道にある衛星は放射線にさらされることになります。 つまり、シールドする必要があり、そのためにはより多くの重量が必要になります。
技術的には、これらの問題を解決し、火星の周囲に地球の周囲にあるネットワークと同等のネットワークを構築することが可能です。 しかし、「そこにどうやって到達するかは大きな課題だ」とグラッデン氏は言う。「誰かが費用を支払わなければならないからだ」。
将来に向けたコミュニケーションの準備
火星通信ネットワークのセットアップは、将来の通信のパズルの半分です。 残りの半分は、私たちが地球上に持つテクノロジーを準備しています。
現在、DSN は さらにアンテナを張る そのため、打ち上げられる深宇宙ミッションの数は増え続けています。 また、ソフトウェアの改良により、より多くのネットワークプロセスを自動化できるため、限られた数のスタッフがそれぞれにより多くのミッションを監督できるようになります。
しかし、帯域幅が限られているという別の問題もあります。 宇宙船には現在、膨大な量のデータを記録し、すべてのデータを送信する、より複雑な機器が搭載されています。 遅いインターネットで立ち往生している人なら誰でもそうであるように、遅い接続を介したこのデータには限界があります。 知っています。
「将来的には特定の宇宙船から、より多くのデータを持ち帰れるようにしたいと考えています」とDSN副所長のドイチュ氏は語った。 「それは、宇宙船が時間の経過とともに進歩するにつれて、より多くの高性能の機器を搭載しており、より多くのビット/秒を取り戻したいと考えているからです。 したがって、私たちはムーアの法則のような曲線に追いつくという課題を抱えています。」
この問題の解決策は、高周波で送信することです。 「通信の周波数を上げると、宇宙船から送信されるビームが狭くなり、より多くのビームが目的の場所に届きます」と彼は説明しました。 初期のミッションでは 2.5 GHz が使用されていましたが、宇宙船は最近では約 8.5 GHz に移行しており、最新のミッションでは 32 GHz が使用されています。
周波数が高くなると、1 秒あたりのビット数で約 4 倍の改善が得られますが、それでも長期的には十分ではありません。 したがって、宇宙通信における次の大きなステップは、光通信としても知られる光通信を使用することです。 レーザー通信. これにより、より高い周波数に移行することと同じ多くの利点がもたらされますが、光通信は今日の最先端の無線通信よりも 10 倍の改善を提供できます。
そして良いニュースは、DSN が光通信に移行するためにまったく新しいハードウェアを必要としないことです。 現在のアンテナは新しいテクノロジーで動作するようにアップグレードでき、新しく構築されたアンテナは複数の周波数帯域で動作し、光伝送を受信できるように設計されています。
光通信には、信号をブロックする可能性のある雲のオーバーヘッドなど、いくつかの制限があります。 しかし、それを考慮しても、光通信の使用によりネットワーク全体の能力が大幅に向上します。 そして、この問題の長期的な解決策には、雲の上にある地球周回軌道に受信機を設置することが考えられます。
ここからどこにいきますか？
他の惑星と通信する際の問題は根深く、解決するのが困難です。 「物理学は不変です」とグラッデン氏は言う。 「距離が遠いので電波が届かなくなります。 人々のネットワークを構築しようと考えるとき、それは私たちが克服しなければならない問題です。」
しかし、私たちは宇宙通信における新時代の入り口に立っているのです。 今後 10 年間で、私たちは今後のアルテミスの月へのミッション、マーズ アイス マッパーとその専用中継宇宙船からのデータの送受信についてさらに学ぶことになるでしょう。
「それはぎこちないものになるだろう」とグラッデン氏は警告する。 「私たちはこれを理解しようとしているところです。」 同氏は、標準の使用に関する国際的な議論や、政府宇宙機関と民間企業との関係の変化について指摘している。 今行われる決定によって、今後数十年間に宇宙探査がどのように進展するかが決まります。
「何が起こるかを見るのは恐ろしくもあり、興味深いものになるだろう」と彼は語った。 「一方で、何が起こっているのかについては非常に不確実性があります。 しかし一方で、これはハイテクなものです。 私たちは別の惑星で初めて学び、行動しています。 それはこれまでに一度も行われたことがありません。 それはすごいですね。」
この記事はの一部です 火星上の生命、人類の火星占領を可能にする最先端の科学技術を探求する 10 部構成のシリーズ
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