Kā pirmie cilvēki uz Marsa sazināsies ar Zemi

Ja jums šķiet, ka ir sāpīgi saņemt šūnu uzņemšanu, kad apmeklējat savus radiniekus citā valstī, iedomājieties mēģinot sazināties ar cilvēkiem, kuri atrodas vismaz 40 miljonu jūdžu attālumā un pastāvīgi pārvietojas attiecībā pret tu. Tas ir tas, ar ko mums būs jārisina, ja plānojam sūtīt cilvēkus uz Marsu, kad sakari nebūs tikai svarīgi – tie būs ļoti svarīgi.

Lai uzzinātu, kā izveidot sakaru tīklu, kas aptver Marsu un ārpus tās, un kā tiek modernizētas pašreizējās sistēmas, lai tās atbilstu izaicinājumam arvien pieaugošo datu apjomu, mēs runājām ar diviem ekspertiem, kuri strādā pie NASA pašreizējās sakaru sistēmas – vienu uz Zemes un otru uz Marsa. pusē.

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa, 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu

Sasniedzot Saules sistēmu, izmantojot Deep Space Network

Lai sazinātos ar pašreizējām misijām, piemēram, Perseverance rover uz Marsa vai Voyager misijām, kas virzās starpzvaigžņu telpā NASA ir izveidojis antenu tīklu visā planētā, ko sauc par Deep Space Network, vai DSN.

DSN ir trīs vietnes Kalifornijā, Spānijā un Austrālijā, kas katru dienu nodod sakaru pienākumus savā starpā. Tādā veidā vienmēr ir vieta, kas norādīta vajadzīgajā virzienā, neatkarīgi no tā, kā Zeme griežas vai šūpojas ap savu asi. Katrā vietā ir vairākas radio antenas, kuru izmērs nepārsniedz 70 metrus, kas uztver pārraides no kosmosa misijām un pārraida datus uz jebkuru vietu uz Zemes.

Starptautiskā sadarbība komunikāciju jomā

DSN tiek izmantots NASA misijām, taču ir arī citi globāli tīkli, ko izmanto dažādas kosmosa aģentūras, piemēram, Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA). Ievērojami tālredzīgā veidā visi šie dažādie tīkli atbilst tiem pašiem starptautiskajiem sakaru standartiem, tāpēc kosmosa aģentūras vajadzības gadījumā var izmantot viena otras tīklus.

"Tā ir diezgan maza kopiena. Piemēram, ir tikai dažas valstis, kurām ir iespēja nosūtīt kosmosa kuģus uz Marsu," sacīja Les Deutsch, starpplanētu tīkla direktora vietnieks, kas vada Deep Space Network, pastāstīja Digital Tendences. "Tas aug, bet tas joprojām ir neliels skaits. Un mums visiem, jo ​​tā ir maza ļoti dārgu misiju kopiena, ir jāmēģina to paveikt kopā.

Tas nozīmē, ka papildus aģentūrām, ar kurām NASA cieši sadarbojas, piemēram, ESA, pat aģentūras, ar kurām tai nav attiecību, piemēram, Ķīnas kosmosa aģentūra, joprojām ievēro tos pašus standartus.

"Pat Ķīna parakstās uz starptautisku standartu kopumu, ko mēs esam palīdzējuši izstrādāt gadu gaitā, lai visas dziļās kosmosa misijas sazinātos vienādi," viņš teica. "Kosmosa kuģiem ir līdzīgi radio formāti, un zemes stacijām ir līdzīga veida antenas un saskarnes. Tādējādi mēs varam izsekot viens otra kosmosa kuģiem, izmantojot šos līgumus. Tie visi ir veidoti tā, lai būtu savietojams.

Runā ar Marsu

Tātad mēs saņemam pārraides uz Zemes. Bet kā jūs sūtat pārraides no Marsa? Lai nosūtītu sakarus tik lielā attālumā, ir nepieciešams jaudīgs radio. Un tādām misijām kā roveriem ir jābūt mazām un vieglām, tāpēc nav vietas, kur tiem piestiprināt milzīgu antenu.

Lai apietu šo problēmu, Marsam ir sakaru pārsūtīšanas sistēma, ko sauc par Marsa releju tīklu jeb MRN. Tas sastāv no dažādiem orbītiem, kas pašlaik ceļo apkārt planētai un kurus var izmantot, lai uzņemtu pārraides no misijām uz virsmas (piemēram, roveriem, desantiem vai, visbeidzot, cilvēkiem), un pārsūtīt šos datus atpakaļ uz Zeme. Jūs faktiski varat redzēt visu kuģu pašreizējo atrašanās vietu MRN, izmantojot šī NASA simulācija.

Lielākā daļa orbiteru ap Marsu veic dubultu pienākumu. Papildus savām zinātniskajām operācijām viņi strādā arī kā releji — tas ir NASA Marsa gadījumā Atmosfēras un gaistošas ​​evolūcijas (MAVEN) kosmosa kuģis un Marsa izlūkošanas orbiter, kā arī ESA Marss Express. "Lielākā daļa mūsu misiju, ko esam nosūtījuši [uz Marsu], atrodas zemā augstuma orbītās, tāpēc tās atrodas kaut kur no 300 līdz 400 kilometriem virs virsmas. Un tie ir patiešām lieliski! ” MRN vadītājs Rojs Gledens pastāstīja Digital Trends. "Tās ir lieliskas vietas, kur atrasties, jo tā ir jauka un tuvu, un jūs varat pārsūtīt diezgan daudz datu starp nolaišanās līdzekli un orbītu šajā vidē."

Tomēr ne katru misiju var pievienot releju tīklam. Ja orbīta atrodas ļoti lielā augstumā vai ja tam ir ļoti eliptiska orbīta, kur dažreiz tas atrodas tuvu planētai un citreiz tas atrodas tālāk, tas var nebūt piemērots, lai būtu daļa no MRN. Piemēram, Apvienoto Arābu Emirātu (AAE) Hope misija atrodas ļoti lielā augstumā, lai tā varētu pētīt Marsa atmosfēras augšējo daļu. Bet tas nozīmē, ka tas ir pārāk tālu no virsmas, lai būtu noderīgs kā relejs.

Nākotnes plānotās misijas uz Marsu, piemēram, NASA Marsa ledus kartētājs vai Japānas Aviācijas un kosmosa izpētes aģentūras (JAXA) misija ietvers arī sakaru aparatūru, tāpēc, jo vairāk misiju mēs tur nosūtīsim, jo ​​vairāk tīkla var tikt izbūvēts.

Laika noteikšanas nozīme

Viens no Marsa sakaru pārsūtīšanas izaicinājumiem ir fakts, ka planēta vienmēr griežas un visas NASA un ESA orbītās pārvietojas ap to. Tā nav problēma, ja jūsu roveram ir jānosūta sakari, piemēram, divas reizes dienā — pastāv liela iespēja, ka kādā brīdī virs galvas pārlidos vairāki orbīti. Bet, ja jums ir nepieciešams izsekot konkrēts notikums precīzā laikā, tas kļūst sarežģītāk.

Piemēram, nosēšanās ar roveru uz planētas virsmas ir visgrūtākā misijas daļa, tāpēc NASA vienmēr vēlas redzēt nosēšanos. Lai veiktu Perseverance rovera nolaišanos, MRN orbītas tika pielāgotas, lai nodrošinātu, ka tie atrodas īstajā vietā un īstajā laikā, lai uzņemtu nosēšanos. Taču, lai ietaupītu uz dārgo degvielu, viņi varēja veikt tikai nelielas korekcijas savās trajektorijās, tāpēc process, lai viss noliktu pareizajā vietā, sākās vairākus gadus pirms nosēšanās.

Viens no veidiem, kā padarīt šo procesu efektīvāku, ir izmantot īpašus releju satelītus, lai reģistrētu galvenos notikumus, piemēram, nosēšanos. Kad 2018. gadā InSight nolaišanās iekārta nolaidās uz Marsa, to pavadīja divi portfeļa izmēra satelīti, ko sauc par MarCO, Mars Cube One, kas darbojās kā releji. Šie mazie satelīti sekoja InSight lidojumam garām Marsam, uzraudzīja un pārraidīja datus par nosēšanos un pēc tam devās kosmosā. "Mēs varējām viņus atlasīt tur, kur vēlējāmies, lai viņi varētu veikt šo ierakstu, lai tvertu šo kritisko notikumu telemetriju." Gledens sacīja: "Un pēc tam, kad pasākums bija beidzies, viņi apgriezās un pavērsa savas antenas atpakaļ uz Zemi un pārraidīja to. dati.”

MarCO izmantošana bija nākotnes iespēju pārbaude, jo satelīti nekad iepriekš nebija izmantoti šādi. Bet pārbaude bija veiksmīga. "Viņi izdarīja tieši to, ko viņiem bija paredzēts darīt," sacīja Gledens. MarCO bija vienreiz lietojams priekšmets, jo tiem nebija pietiekami daudz degvielas, lai iekļūtu orbītā. Taču šādi mazi satelīti ir salīdzinoši lēti un viegli uzbūvējami, un MarCO pierādīja, ka tas ir dzīvotspējīgs veids, kā uzraudzīt konkrētus notikumus, nepārkārtojot visu Marsa tīklu.

Komunikācijas apkalpes misijām

Apkalpes misijām regulāra saziņa ir vēl svarīgāka. Gaismas ātruma dēļ sakaros starp Zemi un Marsu vienmēr būs aizkavēšanās līdz 20 minūtēm. To nevar apiet absolūti nekādi. Tomēr mēs varam izveidot sakaru tīklu, lai cilvēki uz Marsa varētu runāt ar Zemi vairāk nekā dažas reizes dienā, lai būtu pieejami tik tuvu pastāvīgi sakari, kā iespējams.

Gaidāmais Marsa ledus kartētāja misija "Ir sava veida solis šajā virzienā," sacīja Gledens. "Mūsu nolūks ir nosūtīt nelielu kosmosa kuģu konstelāciju, kas būs īpaši releju lietotāji ar Ice Mapper." Tas būtu ir pirmā reize, kad Marsa sakariem tiek izmantots zvaigznājs, un tas varētu būt lielāka releja celtniecības bloks tīklu.

Šāds projekts prasa lielu jaudu, lai sazinātos lielos attālumos starp planētām, taču tas ir pilnībā tehnoloģiski iespējams.

Nākamās paaudzes tīkls ap Marsu

Kad runa ir par ārpusplanētu sakaru vajadzību nākotnes iztēlošanos, "mēs cenšamies būt tālredzīgi," sacīja Gledens. "Mēs cenšamies apsvērt, kas mums būtu nepieciešams nākotnē. Īpaši zinot, ka galu galā mēs vēlamies tur sūtīt cilvēkus.

Lai izveidotu futūristisku Marsa sakaru tīklu, tas varētu būt līdzīgāks tam, kas ir uz mūsu planētas, pievienojot tīklam vairāk kosmosa kuģu ar arvien lielāku jaudu. “Uz Zemes mēs atrisinām savu sakaru problēmu, nosūtot daudz, daudz zema augstuma kosmosa kuģu ir lieljaudas sistēmas ar lieliem saules blokiem un ļoti sarežģītiem radio, kas var vadīt staru. teica. "Uz Marsa mēs vēlamies to pašu."

Ir sarežģīti izveidot tīklu, kas spēj apstrādāt ilgu aizkavi, un izveidot datu standartus, ko var izmantot visi Marsa kuģi, taču tas ir iespējams. Teorētiski šādu sakaru tīklu varētu paplašināt, lai tas sniegtu vairāk nekā tikai saziņu no Zemes uz Marsu un atpakaļ. To varētu izmantot kā pozicionēšanas sistēmu, lai palīdzētu navigēt pāri Marsam, vai, veicot dažas aparatūras modifikācijas, varētu nodrošināt sakarus arī visā Marsā.

Taču šādi spējīgi kosmosa kuģi ir lieli un smagi, kas apgrūtina to palaišanu. Un viņi saskaras ar vēl vienu problēmu: atšķirībā no satelītiem ap Zemi, kurus aizsargā mūsu planētas magnetosfēra, satelīti, kas atrodas orbītā ap Marsu, tiktu bombardēti ar starojumu. Tas nozīmē, ka tie ir jāaizsargā, kas prasa lielāku svaru.

Tehnoloģiski ir iespējams atrisināt šīs problēmas un izveidot tīklu ap Marsu, kas ir līdzīgs tam, kas mums ir ap Zemi. Tomēr "kā tur nokļūt ir liels izaicinājums," sacīja Gledens, "jo kādam par to ir jāmaksā."

Komunikāciju sagatavošana nākotnei

Marsa sakaru tīkla iestatīšana ir viena puse no nākotnes sakaru mīklas. Otra puse gatavo tehnoloģiju, kas mums ir šeit uz Zemes.

Pašlaik DSN ir būvēt vairāk antenu tāpēc tas var sekot līdzi arvien pieaugošajam dziļā kosmosa misiju skaitam. Tas arī izmanto programmatūras uzlabojumus, lai automatizētu vairāk tīkla procesu, tāpēc ierobežots darbinieku skaits var pārraudzīt vairāk uzdevumu katru.

Bet ir vēl viena ierobežota joslas platuma problēma. Kosmosa kuģiem tagad ir sarežģītāki instrumenti, kas reģistrē milzīgus datu apjomus un pārraida visus šie dati lēnā savienojumā ir ierobežoti — tāpat kā ikvienam, kam kādreiz ir bijis lēns internets zina.

"No jebkura konkrēta kosmosa kuģa nākotnē mēs vēlamies atgūt vairāk datu," sacīja DSN direktora vietnieks Deutsch. "Tas ir tāpēc, ka kosmosa kuģiem progresējot laikā, tie pārvadā arvien vairāk spējīgu instrumentu un vēlas atgriezt arvien vairāk bitu sekundē. Tāpēc mums ir izaicinājums sekot līdzi Mūra likumam līdzīgajai līknei.

Šīs problēmas risinājums ir pārraidīt augstās frekvencēs. "Ja palielinat saziņas frekvenci, tas sašaurina staru kūli, ko pārraida no kosmosa kuģa, un vairāk no tā nonāk tur, kur vēlaties," viņš paskaidroja. Lai gan agrīnās misijās izmantoja 2,5 GHz, kosmosa kuģi nesen ir pārcēlušies uz aptuveni 8,5 GHz, un jaunākās misijas izmanto 32 GHz.

Augstākas frekvences var piedāvāt uzlabojumus par aptuveni četriem koeficientiem bitu sekundē, taču pat ar to nepietiks ilgtermiņā. Tātad nākamais lielais solis kosmosa komunikācijā ir optisko sakaru izmantošana, kas pazīstama arī kā lāzera sakari. Tas sniedz daudzas no tām pašām priekšrocībām, ko sniedz pāreja uz augstāku frekvenci, taču optiskie sakari var piedāvāt 10 reizes lielāku uzlabojumu salīdzinājumā ar mūsdienu modernajiem radio sakariem.

Un labā ziņa ir tā, ka DSN nebūs nepieciešama pilnīgi jauna aparatūra, lai pārietu uz optiskajiem sakariem. Pašreizējās antenas var uzlabot, lai tās darbotos ar jauno tehnoloģiju, un jaunbūvētās antenas ir paredzētas darbam vairākās frekvenču joslās un spēj uztvert optiskos pārraides.

Ir daži optisko sakaru ierobežojumi, piemēram, mākoņi virs galvas, kas var bloķēt signālus. Bet, pat ja to pieļauj, optisko sakaru izmantošana ievērojami palielinās tīkla kopējo spēju. Un ilgtermiņa risinājums šai problēmai varētu ietvert uztvērēju novietošanu orbītā ap Zemi, kur tie atrastos virs mākoņiem.

Kur mēs ejam no šejienes?

Saziņas problēmas ar citu planētu ir dziļas un grūti atrisināmas. "Fizika ir nemainīga," sacīja Gledens. "Tas ir tālu, tāpēc jūs zaudējat signāla stiprumu. Tā ir problēma, kas mums ir jāpārvar, domājot par mēģinājumu izveidot tīklu cilvēkiem.

Bet mēs esam uz jaunas kosmosa komunikāciju ēras sliekšņa. Nākamajā desmitgadē mēs uzzināsim vairāk par datu pārraidi un saņemšanu no gaidāmās Artemis misijas uz Mēnesi un Marsa ledus kartētāju un tam paredzēto releju kosmosa kuģi.

"Tas būs neveikli," brīdina Gledens. "Mēs tikai cenšamies to izdomāt." Viņš norāda uz starptautiskajām debatēm par standartu izmantošanu un mainīgajām attiecībām starp valdības kosmosa aģentūrām un privātiem uzņēmumiem. Tagad pieņemtie lēmumi noteiks, kā kosmosa izpēte attīstīsies nākamajās desmitgadēs.

"Tas būs gan biedējoši, gan aizraujoši redzēt, kas notiek," viņš teica. "No vienas puses, ir tik daudz neskaidrību par notiekošo. Bet, no otras puses, tās ir augsto tehnoloģiju lietas. Mēs mācāmies un darām lietas pirmo reizi ap citu planētu. Tas nekad agrāk nav darīts. Tas ir pārsteidzoši. ”

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa, 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu

Redaktoru ieteikumi

• Kosmoloģiska pārvietošanās: sarežģītā loģistika cilvēku nosūtīšanai uz Marsa
• Astropsiholoģija: kā saglabāt prātu uz Marsa
• Elektrostacijas uz citām planētām: kā mēs radīsim elektrību uz Marsa
• Hidratācijas novākšana: kā topošie kolonisti radīs un savāks ūdeni uz Marsa
• Astrolauksaimniecība: kā mēs audzēsim labību uz Marsa