Kaip pirmieji žmonės Marse bendraus su Žeme

Jei manote, kad kai lankotės giminaičiams kitoje valstybėje, gauti kameros priėmimą yra kančia, tiesiog įsivaizduokite bando bendrauti su žmonėmis, kurie yra bent už 40 milijonų mylių ir nuolat juda tu. Su tuo teks susidurti, jei planuojame siųsti žmones į Marsą, kai ryšiai bus ne tik svarbūs – jie bus gyvybiškai svarbūs.

Norėdami sužinoti, kaip sukurti ryšių tinklą, apimantį Marsą ir už jo ribų, ir kaip atnaujinamos dabartinės sistemos, kad atitiktų nuolat didėjant duomenų kiekiui, kalbėjomės su dviem ekspertais, kurie dirba su dabartine NASA ryšių sistema – vieną Žemės pusėje ir kitą Marse. pusėje.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą

Pasiekite saulės sistemą naudodami Deep Space Network

Norėdami susisiekti su dabartinėmis misijomis, tokiomis kaip „Perseverance rover“ Marse arba „Voyager“ misijos, kurios vyksta į tarpžvaigždinę erdvę NASA turi antenų tinklą, pastatytą visoje planetoje, vadinamą Deep Space Network, arba DSN.

DSN turi tris svetaines Kalifornijoje, Ispanijoje ir Australijoje, kurios kiekvieną dieną perduoda vienas kito ryšio pareigas. Tokiu būdu visada yra vieta, nukreipta reikiama kryptimi, nepaisant to, kaip Žemė sukasi ar svyruoja aplink savo ašį. Kiekvienoje vietoje yra daugybė iki 70 metrų dydžio radijo antenų, kurios paima transliacijas iš kosminių misijų ir perduoda duomenis į bet kurią vietą Žemėje.

Tarptautinis bendradarbiavimas komunikacijos srityje

DSN naudojamas NASA misijoms, tačiau yra ir kitų pasaulinių tinklų, kuriuos naudoja įvairios kosmoso agentūros, pavyzdžiui, Europos kosmoso agentūra (ESA). Nepaprastai į priekį žvelgiant, visi šie skirtingi tinklai savo komunikacijai laikosi tų pačių tarptautinių standartų, todėl kosmoso agentūros, jei reikia, gali naudotis viena kitos tinklais.

„Tai gana maža bendruomenė. Pavyzdžiui, yra tik kelios tautos, galinčios nusiųsti erdvėlaivius į Marsą“, – sakė Lesas Deutsch, Tarpplanetinio tinklo, valdančio giliosios erdvės tinklą, direktoriaus pavaduotojas, sakė „Digital“. Tendencijos. „Jis auga, bet vis dar mažas skaičius. Ir mums visiems, nes tai yra maža labai brangių misijų bendruomenė, dera pabandyti tai padaryti kartu.

Tai reiškia, kad be agentūrų, su kuriomis NASA glaudžiai bendradarbiauja, pavyzdžiui, ESA, net agentūros, su kuriomis ji neturi ryšių, pavyzdžiui, Kinijos kosmoso agentūra, vis dar laikosi tų pačių standartų.

„Net Kinija laikosi tarptautinių standartų, kuriuos padėjome sukurti per daugelį metų, rinkinį, kad visos kosminės erdvės misijos bendrautų vienodai“, – sakė jis. „Erdvėlaiviai turi panašius radijo formatus, o antžeminės stotys turi panašių tipų antenas ir sąsajas. Taigi pagal šiuos susitarimus galime sekti vieni kitų erdvėlaivius. Jie visi sukurti taip, kad būtų sąveikūs.

Pokalbis su Marsu

Taigi taip mes gauname transliacijas Žemėje. Bet kaip siųsti transliacijas iš Marso? Norint siųsti ryšius tokiu dideliu atstumu, jums reikia galingo radijo. O tokios misijos kaip roveriai turi būti mažos ir lengvos, todėl nėra vietos prie jų pritvirtinti didžiulę anteną.

Norėdami išvengti šios problemos, Marsas turi ryšių perdavimo sistemą, vadinamą Marso perdavimo tinklu arba MRN. Jį sudaro įvairūs orbitai, kurie šiuo metu keliauja aplink planetą ir kuriuos galima naudoti pakelti transliacijas iš misijų paviršiuje (pvz., roverių, nusileidimų ar, galiausiai, žmonių) ir perduoti šiuos duomenis atgal į Žemė. Jūs iš tikrųjų galite matyti dabartinę visų plaukiojančių priemonių padėtį naudojant MRN šis NASA modeliavimas.

Dauguma aplink Marsą skriejančių orbitorių atlieka dvigubą funkciją. Be savo mokslinių operacijų, jie taip pat dirba kaip relės – taip yra NASA Marso atveju Erdvėlaivis „Atmospheric and Volatile EvolutionN“ (MAVEN) ir „Mars Reconnaissance Orbiter“ bei ESA Marsas Express. „Dauguma mūsų misijų, kurias išsiuntėme [į Marsą], yra žemo aukščio orbitose, todėl jos yra kažkur 300–400 kilometrų aukštyje virš paviršiaus. Ir jie tikrai puikūs! MRN vadovas Roy'us Gladdenas pasakojo „Digital Trends“. „Tai puikios vietos būti, nes čia gražu ir arti, o toje aplinkoje galite perduoti gana daug duomenų tarp nusileidimo objekto ir orbitos.

Tačiau ne kiekviena misija gali būti įtraukta į perdavimo tinklą. Jei orbita yra labai dideliame aukštyje arba labai elipsės formos orbita, kur kartais ji yra arti planetos, o kitu metu ji yra toliau, gali būti netinkama būti jos dalimi MRN. Pavyzdžiui, Jungtinių Arabų Emyratų (JAE) „Hope“ misija yra labai dideliame aukštyje, todėl gali tirti viršutinę Marso atmosferą. Bet tai reiškia, kad jis yra per toli nuo paviršiaus, kad būtų naudingas kaip relė.

Planuojamos būsimos misijos į Marsą, pvz., NASA Mars Ice Mapper arba Japon Aerospace Exploration Agency (JAXA) misija, apims ir ryšių aparatinę įrangą, taigi kuo daugiau misijų ten išsiųsime, tuo daugiau tinklo gali būti pastatytas.

Laiko svarba

Vienas iš iššūkių perduodant ryšius iš Marso yra tai, kad planeta nuolat sukasi, o visos NASA ir ESA orbitos juda aplink ją. Tai nėra problema, jei jūsų marsaeigis turi siųsti ryšius, pavyzdžiui, du kartus per dieną – didelė tikimybė, kad tam tikru momentu virš galvos praskris keli orbitiniai orbitai. Tačiau kai reikia stebėti konkretų įvykį tiksliu laiku, tai tampa sudėtingiau.

Pavyzdžiui, skraidyklės nusileidimas ant planetos paviršiaus yra pati sunkiausia misijos dalis, todėl NASA visada nori stebėti nusileidimą. Norint nusileisti „Perseverance“ marsaeigiui, MRN orbitų orbitos buvo pakoreguotos, kad būtų užtikrinta, jog jie atsidurs reikiamoje vietoje reikiamu laiku, kad užfiksuotų nusileidimą. Tačiau norėdami sutaupyti brangaus kuro, jie galėjo atlikti tik nedidelius savo trajektorijų koregavimus, todėl procesas, kad viskas būtų tinkamoje vietoje, prasidėjo daug metų prieš nusileidimą.

Vienas iš būdų, kaip padaryti šį procesą veiksmingesnį, yra naudoti specialius relės palydovus, kad būtų galima įrašyti svarbiausius įvykius, pvz., nusileidimus. Kai 2018 metais Marse nusileido InSight nusileidimo aparatas, jį lydėjo du portfelio dydžio palydovai, vadinami MarCO, skirta Mars Cube One, kuri veikė kaip relės. Šie maži palydovai sekė „InSight“ skrendant pro Marsą, stebėjo ir perdavė duomenis apie nusileidimą, o tada iškeliavo į kosmosą. „Galėjome nukreipti juos ten, kur norėjome, kad jie galėtų įrašyti, kad užfiksuotų svarbių įvykių telemetriją“, Gladdenas sakė: „Kai įvykis baigėsi, jie apsivertė ir nukreipė savo antenas atgal į Žemę ir perdavė tai. duomenis“.

„MarCO“ naudojimas buvo ateities galimybių išbandymas, nes palydovai dar niekada nebuvo naudojami taip. Tačiau testas buvo sėkmingas. „Jie padarė būtent tai, ką turėjo daryti“, – sakė Gladdenas. MarCO buvo vienkartinio naudojimo daiktas, nes jiems nepakako degalų patekti į orbitą. Tačiau tokie maži palydovai yra palyginti pigūs ir lengvai sukonstruojami, o „MarCO“ parodė, kad tai yra perspektyvus būdas stebėti konkrečius įvykius nepertvarkant viso Marso tinklo.

Komunikacijos įguloms skirtoms misijoms

Įgulos misijoms reguliarūs ryšiai yra dar svarbesni. Ryšys tarp Žemės ir Marso dėl šviesos greičio visada užtruks iki 20 minučių. To visiškai nėra. Tačiau mes galime sukurti ryšių tinklą, kad žmonės Marse galėtų kalbėtis su Žeme daugiau nei kelis kartus per dieną, siekiant kuo arčiau nuolatinio ryšio galima.

Artėjantis „Mars Ice Mapper“ misija „Tai savotiškas žingsnis ta kryptimi“, - sakė Gladdenas. „Mūsų tikslas yra išsiųsti nedidelį erdvėlaivių žvaigždyną, kuris bus skirtas „Ice Mapper“ relės vartotojams. Tai būtų bus pirmas kartas, kai Marso ryšiams buvo naudojamas žvaigždynas ir gali būti didesnės relės statybinis blokas tinklą.

Tokiam projektui reikia daug energijos, kad būtų galima bendrauti dideliais atstumais tarp planetų, tačiau tai visiškai įmanoma technologiškai.

Naujos kartos tinklas aplink Marsą

Kalbant apie ekstraplanetinių ryšių poreikių ateitį, „mes stengiamės mąstyti į priekį“, - sakė Gladdenas. „Stengiamės apgalvoti, ko mums reikės ateityje. Ypač žinant, kad galiausiai norime ten siųsti žmones.

Kuriant futuristinį Marso ryšių tinklą galima būtų padaryti jį panašesnį į tą, kurį turime mūsų planetoje, į tinklą įtraukiant daugiau erdvėlaivių, turinčių vis didesnę galią. „Žemėje mes sprendžiame savo ryšių problemą siųsdami daugybę žemo aukščio erdvėlaivių yra didelės galios sistemos su dideliais saulės baterijų masyvais ir labai sudėtingais radijo imtuvais, galinčiais valdyti spindulį. sakė. „Marse mes norime to paties.

Yra sudėtinga sukurti tinklą, galintį valdyti ilgus vėlavimus, ir sukurti duomenų standartus, kuriuos gali naudoti visi Marso aparatai, tačiau tai įmanoma. Teoriškai tokį ryšių tinklą būtų galima išplėsti, kad būtų galima ne tik užtikrinti ryšį iš Žemės į Marsą ir atgal. Jis galėtų būti naudojamas kaip padėties nustatymo sistema, padedanti naviguoti per Marsą arba, pakeitus aparatinę įrangą, taip pat galėtų užtikrinti ryšį per Marsą.

Tačiau tokie pajėgūs erdvėlaiviai yra dideli ir sunkūs, todėl juos sunku paleisti. Ir jie susiduria su kita problema: skirtingai nei palydovai aplink Žemę, kuriuos saugo mūsų planetos magnetosfera, palydovai, skriejantys aplink Marsą, būtų bombarduojami radiacija. Tai reiškia, kad jie turi būti apsaugoti, o tai reikalauja daugiau svorio.

Technologiškai įmanoma išspręsti šias problemas ir aplink Marsą sukurti tinklą, panašų į tą, kurį turime aplink Žemę. Tačiau „kaip ten patekti yra didelis iššūkis“, - sakė Gladdenas, „nes kažkas turi už tai sumokėti“.

Ryšių ruošimas ateičiai

Marso ryšių tinklo sukūrimas yra pusė ateities ryšių galvosūkio. Kita pusė ruošia technologijas, kurias turime čia, Žemėje.

Šiuo metu DSN yra pastatyti daugiau antenų todėl jis gali neatsilikti nuo vis didėjančio pradedamų kosmoso misijų. Jis taip pat naudoja programinės įrangos patobulinimus, kad automatizuotų daugiau tinklo procesų, todėl ribotas darbuotojų skaičius gali prižiūrėti daugiau užduočių.

Tačiau yra dar viena riboto pralaidumo problema. Erdvėlaiviai dabar turi sudėtingesnius instrumentus, kurie įrašo didžiulius duomenų kiekius ir perduoda visus šie duomenys per lėtą ryšį yra riboti – kaip ir visiems, kuriems kada nors buvo užstrigęs lėtas internetas žino.

„Ateityje norime gauti daugiau duomenų iš bet kurio konkretaus erdvėlaivio“, – sakė DSN direktoriaus pavaduotojas Deutschas. „Taip yra todėl, kad erdvėlaiviams bėgant laikui jie gabena vis daugiau galingų instrumentų ir nori sugrąžinti vis daugiau bitų per sekundę. Taigi mes turime iššūkį neatsilikti nuo tos į Moore'o įstatymus panašios kreivės.

Šios problemos sprendimas yra perduoti aukštais dažniais. „Jei padidinate dažnį, kuriuo bendraujate, susiaurinsite iš erdvėlaivio perduodamą spindulį ir daugiau jo pateks ten, kur norite“, – paaiškino jis. Nors ankstyvosiose misijose buvo naudojamas 2,5 GHz dažnis, erdvėlaiviai neseniai perėjo prie maždaug 8,5 GHz, o pačios naujausios misijos naudoja 32 GHz.

Aukštesni dažniai gali pagerinti maždaug keturis kartus bitų per sekundę atžvilgiu, tačiau net ir to nepakaks ilgainiui. Taigi kitas didelis kosminių ryšių žingsnis yra naudoti optinius ryšius, dar žinomus kaip lazeriniai ryšiai. Tai suteikia daug tų pačių pranašumų, kai naudojamas aukštesnis dažnis, tačiau optinis ryšys gali 10 kartų pagerinti, palyginti su šiuolaikiniais radijo ryšiais.

Ir gera žinia yra ta, kad DSN nereikės visiškai naujos aparatinės įrangos, kad būtų galima pereiti prie optinio ryšio. Dabartinės antenos gali būti atnaujintos, kad veiktų naudojant naują technologiją, o naujai pastatytos antenos yra skirtos veikti keliose dažnių juostose ir gali priimti optinius perdavimus.

Yra tam tikrų optinio ryšio apribojimų, pvz., debesys virš galvos, galintys blokuoti signalus. Tačiau net jei tai būtų įmanoma, optinių ryšių naudojimas žymiai padidins bendrą tinklo pajėgumą. Ir ilgalaikis šios problemos sprendimas gali apimti imtuvų iškėlimą į orbitą aplink Žemę, kur jie būtų virš debesų.

Kur mes eisime iš čia?

Bendravimo su kita planeta problemos yra gilios ir sunkiai išsprendžiamos. "Fizika yra nekintanti", - sakė Gladdenas. „Tai toli, todėl prarandate signalo stiprumą. Tai problema, kurią turime įveikti, kai galvojame apie bandymą sukurti tinklą žmonėms.

Tačiau mes esame ant naujos erdvės ryšių eros slenksčio. Per ateinantį dešimtmetį sužinosime daugiau apie duomenų perdavimą ir gavimą iš būsimos Artemis misijos į Mėnulį ir Mars Ice Mapper bei jam skirtą relinį erdvėlaivį.

„Tai bus gremėzdiška“, – perspėja Gladenas. „Mes tik bandome tai išsiaiškinti“. Jis atkreipia dėmesį į tarptautines diskusijas apie standartų naudojimą ir besikeičiančius santykius tarp vyriausybinių kosmoso agentūrų ir privačių įmonių. Dabar priimti sprendimai lems, kaip kosmoso tyrinėjimai vystysis per ateinančius dešimtmečius.

„Bus ir baisu, ir žavu pamatyti, kas atsitiks“, – sakė jis. „Viena vertus, yra tiek daug netikrumo dėl to, kas vyksta. Tačiau, kita vertus, tai yra aukštųjų technologijų dalykai. Mes mokomės ir darome dalykus pirmą kartą kitoje planetoje. Tai niekada nebuvo padaryta anksčiau. Tai nuostabu."

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą

Redaktorių rekomendacijos

• Kosmologinė kelionė į darbą ir atgal: sudėtinga logistika, kai žmonės iškeliauja į Marsą
• Astropsichologija: kaip išlikti sveiko proto Marse
• Elektrinės kitose planetose: kaip mes gaminsime elektrą Marse
• Derliaus nuėmimas: kaip būsimieji naujakuriai kurs ir rinks vandenį Marse
• Astroagrikultūra: kaip auginsime pasėlius Marse