Как первые люди на Марсе будут общаться с Землей

Если вы думаете, что это проблема, когда вы посещаете своих родственников в другом штате, просто представьте пытаясь общаться с людьми, которые находятся на расстоянии не менее 40 миллионов миль и постоянно перемещаются относительно ты. Это то, с чем нам придется иметь дело, если мы планируем отправить людей на Марс, когда связь будет не просто важна — она будет жизненно важна.

Чтобы узнать, как создать коммуникационную сеть, охватывающую Марс и не только, и как модернизируются существующие системы, чтобы справиться с задачей постоянно увеличивающихся объемов данных, мы поговорили с двумя экспертами, которые работают над текущей системой связи НАСА — один на Земле и один на Марсе. сторона.

Эта статья является частью Жизнь на Марсе, сериал из 10 частей, в котором исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Выход в солнечную систему с помощью Deep Space Network

Для связи с текущими миссиями, такими как марсоход Perseverance на Марсе или миссиями Voyager, которые в межзвездное пространство у НАСА есть сеть антенн, построенных по всей планете, называемая Сеть дальнего космоса, или DSN.

У DSN есть три сайта в Калифорнии, Испании и Австралии, которые каждый день передают друг другу обязанности по связи. Таким образом, всегда есть точка, направленная в нужном направлении, независимо от того, как Земля вращается или качается вокруг своей оси. На каждом участке есть несколько радиоантенн размером до 70 метров, которые принимают передачи от космических миссий и передают данные туда, куда им нужно на Земле.

Международное сотрудничество в области связи

DSN используется для миссий НАСА, но есть и другие глобальные сети, используемые различными космическими агентствами, такими как Европейское космическое агентство (ЕКА). Удивительно дальновидно, что все эти разные сети следуют одним и тем же международным стандартам для своих коммуникаций, поэтому космические агентства могут использовать сети друг друга, если возникнет необходимость.

«Это довольно небольшое сообщество. Например, лишь несколько стран имеют возможность отправить космический корабль на Марс», — сказал Лес. Дойч, заместитель директора межпланетной сети, которая управляет сетью дальнего космоса, сказал Digital. Тенденции. «Они растут, но их все еще мало. И нам всем надлежит, поскольку это небольшое сообщество очень дорогих миссий, попытаться сделать это вместе».

Это означает, что в дополнение к агентствам, с которыми НАСА тесно сотрудничает, таким как ЕКА, даже агентства, с которыми оно не имеет отношений, например космическое агентство Китая, по-прежнему следуют тем же стандартам.

«Даже Китай придерживается ряда международных стандартов, которые мы помогали разрабатывать на протяжении многих лет, чтобы все миссии в дальнем космосе общались одинаково», — сказал он. «Космические корабли имеют схожие форматы радиосвязи, а наземные станции имеют схожие типы антенн и интерфейсов. Таким образом, мы можем отслеживать космические корабли друг друга через эти соглашения. Все они созданы для взаимодействия».

Разговор с Марсом

Вот как мы принимаем передачи на Земле. Но как отправлять сообщения с Марса? Для передачи сообщений на такое большое расстояние нужна мощная радиосвязь. И такие миссии, как марсоходы, должны быть маленькими и легкими, чтобы не было места, чтобы привязать к ним огромную антенну.

Чтобы обойти эту проблему, у Mars есть система ретрансляции сообщений, называемая Mars Relay Network или MRN. Он состоит из различных орбитальных аппаратов, которые в настоящее время путешествуют по планете и которые можно использовать для сбора передачи от миссий на поверхности (таких как вездеходы, посадочные модули или, в конечном итоге, люди) и передавать эти данные обратно на Земля. На самом деле вы можете увидеть текущее положение всех кораблей в MRN, используя это симуляция НАСА.

Большинство орбитальных аппаратов вокруг Марса выполняют двойную функцию. Помимо своих научных операций, они также работают как ретрансляторы — это случай с Марсом НАСА. Космический аппарат Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) и Mars Reconnaissance Orbiter, а также Mars ESA Выражать. «Большинство наших миссий, которые мы отправили [на Марс], находятся на низких орбитах, поэтому они находятся где-то между 300 и 400 километрами над поверхностью. И это действительно здорово!» Менеджер MRN Рой Глэдден сказал Digital Trends. «Это отличные места, потому что они красивые и близкие, и вы можете передавать довольно много данных между посадочным средством и орбитальным аппаратом в этой среде».

Однако не каждую миссию можно добавить в релейную сеть. Если орбитальный аппарат находится на очень большой высоте или если его орбита очень эллиптическая, что иногда близко к планете, а иногда и дальше, может быть неуместно быть частью МРН. Например, миссия «Надежда» в Объединенных Арабских Эмиратах (ОАЭ) находится на очень большой высоте, поэтому она может изучать верхние слои атмосферы Марса. Но это означает, что он слишком далеко от поверхности, чтобы его можно было использовать в качестве реле.

Запланированы будущие миссии на Марс, такие как Mars Ice Mapper НАСА или Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA). миссии, будет также включать в себя коммуникационное оборудование, так что чем больше миссий мы отправим туда, тем больше сеть может быть построен.

Важность выбора времени

Одна из проблем передачи сообщений с Марса заключается в том, что планета постоянно вращается, и все орбитальные аппараты НАСА и ЕКА движутся вокруг нее. Это не проблема, если ваш марсоход должен отправлять сообщения, например, два раза в день — высока вероятность того, что в какой-то момент над головой пролетят несколько орбитальных аппаратов. Но когда вам нужно отслеживать конкретное событие в точное время, это становится более сложным.

Например, посадка марсохода на поверхность планеты — самая сложная часть миссии, поэтому НАСА всегда хочет следить за приземлением. Для приземления марсохода Perseverance орбитальные аппараты в MRN были настроены так, чтобы гарантировать, что они будут в нужном месте в нужное время для захвата приземления. Но чтобы сэкономить на драгоценном топливе, они могли лишь вносить небольшие коррективы в свои траектории, поэтому процесс размещения всего в нужном месте начался за годы до того, как произошла посадка.

Один из способов сделать этот процесс более эффективным — использовать специальные спутники-ретрансляторы для записи ключевых событий, таких как посадки. Когда посадочный модуль InSight приземлился на Марсе в 2018 году, его сопровождали два спутника размером с портфель под названием MarCOs, для Mars Cube One, которые действовали как реле. Эти небольшие спутники следовали за InSight во время облета Марса, отслеживали и передавали данные о посадке, а затем отправлялись в космос. «Мы смогли нацелить их туда, где мы хотели, чтобы они могли сделать эту запись, чтобы зафиксировать эту телеметрию критических событий», Глэдден сказал, «а затем, после того, как мероприятие закончилось, они перевернулись и направили свои антенны обратно на Землю и передали это данные."

Использование MarCO было проверкой будущих возможностей, поскольку спутники никогда раньше не использовались подобным образом. Но испытание прошло успешно. «Они сделали именно то, для чего были предназначены», — сказал Глэдден. MarCO были одноразовым предметом, так как у них не было достаточно топлива для выхода на орбиту. Но такие небольшие спутники относительно дешевы и просты в изготовлении, и MarCO продемонстрировали, что это жизнеспособный способ наблюдения за конкретными событиями без необходимости реорганизации всей марсианской сети.

Связь для пилотируемых миссий

Для полетов с экипажем регулярная связь еще важнее. Связь между Землей и Марсом всегда будет иметь задержку до 20 минут из-за скорости света. Нет абсолютно никакого способа обойти это. Однако мы можем построить сеть связи, чтобы люди на Марсе могли разговаривать с Землей. более нескольких раз в день, с целью иметь как можно более постоянную связь возможный.

Предстоящий Миссия Mars Ice Mapper «Это своего рода шаг в этом направлении», — сказал Глэдден. «Наше намерение состоит в том, чтобы отправить небольшое созвездие космических кораблей, которые будут выделенными пользователями-ретрансляторами с помощью Ice Mapper». Это бы будет первым случаем, когда созвездие будет использоваться для связи с Марсом, и может стать строительным блоком более крупного ретранслятора. сеть.

Такой проект требует большой мощности для связи на больших расстояниях между планетами, но технологически он вполне осуществим.

Сеть следующего поколения вокруг Марса

Когда дело доходит до представления будущих потребностей в межпланетных коммуникациях, «мы пытаемся мыслить дальновидно», — сказал Глэдден. «Мы пытаемся рассмотреть, что нам понадобится в будущем. Особенно зная, что в конечном итоге мы хотим отправить туда людей».

Создание футуристической коммуникационной сети на Марсе может потребовать сделать ее более похожей на то, что есть на нашей планете, путем добавления в сеть большего количества космических аппаратов с возрастающей мощностью. «На Земле мы решаем нашу проблему со связью, отправляя много-много низковысотных космических кораблей, которые представляют собой мощные системы с большими солнечными батареями, с очень сложными радиоприемниками, которые могут управлять лучом», — сказал он. сказал. «В Mars мы хотим того же».

Существуют сложности с созданием сети, способной выдерживать длительные задержки, и созданием стандартов данных, которые могут использоваться всеми марсианскими кораблями, но это возможно. Такая коммуникационная сеть теоретически может быть расширена, чтобы делать больше, чем просто обеспечивать связь с Земли на Марс и обратно. Его можно использовать в качестве системы позиционирования для помощи в навигации по Марсу или, с некоторыми модификациями аппаратного обеспечения, также для обеспечения связи на Марсе.

Но такие боеспособные космические корабли большие и тяжелые, что затрудняет их запуск. И они сталкиваются с другой проблемой: в отличие от спутников вокруг Земли, которые защищены магнитосферой нашей планеты, спутники на орбите вокруг Марса будут подвергаться бомбардировке радиацией. Это означает, что они должны быть экранированы, что требует большего веса.

Технологически можно решить эти проблемы и создать сеть вокруг Марса, сравнимую с той, что у нас есть вокруг Земли. Однако «как добраться туда — большая проблема, — сказал Глэдден, — потому что кто-то должен за это платить».

Подготовка коммуникаций на будущее

Создание марсианской сети связи — это половина головоломки для будущих коммуникаций. Другая половина готовит технологии, которые у нас есть здесь, на Земле.

В настоящее время DSN построить больше антенн поэтому он может идти в ногу с постоянно растущим числом запускаемых миссий в дальний космос. Он также использует улучшения в программном обеспечении для автоматизации большего количества сетевых процессов, поэтому ограниченное количество сотрудников может контролировать большее количество миссий в каждой.

Но есть еще одна проблема ограниченной пропускной способности. Космические корабли теперь имеют более сложные инструменты, которые записывают огромные массивы данных и передают все эти данные по медленному соединению ограничивают - как любой, кто когда-либо застрял с медленным интернетом знает.

«Мы хотим, чтобы в будущем мы могли получать больше данных с любого конкретного космического корабля», — сказал Дойч, заместитель директора DSN. «Это потому, что по мере того, как космические корабли развиваются во времени, они несут все более и более мощные инструменты и хотят возвращать все больше и больше битов в секунду. Поэтому перед нами стоит задача не отставать от кривой, похожей на закон Мура».

Решение этой проблемы заключается в передаче на высоких частотах. «Если вы увеличиваете частоту, на которой вы общаетесь, это сужает луч, который передается с космического корабля, и большая его часть попадает туда, куда вы хотите», — пояснил он. В то время как ранние миссии использовали частоту 2,5 ГГц, космические аппараты недавно перешли на частоту около 8,5 ГГц, а самые последние миссии используют частоту 32 ГГц.

Более высокие частоты могут обеспечить улучшение примерно в четыре раза с точки зрения бит в секунду, но даже этого будет недостаточно в долгосрочной перспективе. Таким образом, следующим большим шагом в космической связи является использование оптической связи, также известной как лазерная связь. Это дает многие из тех же преимуществ, что и переход на более высокую частоту, но оптическая связь может обеспечить улучшение в 10 раз по сравнению с современной современной радиосвязью.

И хорошая новость заключается в том, что DSN не потребуется совершенно новое оборудование для перехода на оптическую связь. Существующие антенны могут быть модернизированы для работы с новой технологией, а недавно построенные антенны предназначены для работы в нескольких диапазонах частот и способны принимать оптические передачи.

Существуют некоторые ограничения оптической связи, например, облака над головой, которые могут блокировать сигналы. Но даже с учетом этого использование оптической связи значительно увеличит общую пропускную способность сети. И долгосрочное решение этой проблемы может заключаться в размещении приемников на орбите вокруг Земли, где они будут находиться над облаками.

Куда мы идем отсюда?

Проблемы связи с другой планетой глубоки и трудноразрешимы. «Физика неизменна, — сказал Глэдден. «Это далеко, поэтому вы теряете мощность сигнала. Это проблема, которую мы должны преодолеть, когда думаем о попытке построить сеть для людей».

Но мы стоим на пороге новой эры космической связи. В следующем десятилетии мы узнаем больше о передаче и получении данных от предстоящей миссии Artemis на Луну, а также о Mars Ice Mapper и его специальном космическом корабле-ретрансляторе.

«Это будет неуклюже», — предупреждает Глэдден. — Мы просто пытаемся это выяснить. Он указывает на международные дебаты об использовании стандартов и меняющиеся отношения между государственными космическими агентствами и частными компаниями. Решения, принятые сейчас, определят, как будут развиваться исследования космоса в ближайшие десятилетия.

«Будет и страшно, и увлекательно наблюдать за тем, что происходит», — сказал он. «С одной стороны, очень много неопределенности в отношении того, что происходит. Но с другой стороны, это высокотехнологичный материал. Мы учимся и делаем что-то впервые вокруг другой планеты. Это никогда не было сделано раньше. Это восхитительно."

Эта статья является частью Жизнь на Марсе, сериал из 10 частей, в котором исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Рекомендации редакции

• Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
• Астропсихология: как оставаться в здравом уме на Марсе
• Электростанции на других планетах: как мы будем генерировать электричество на Марсе
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе
• Астроземледелие: как мы будем выращивать урожай на Марсе