Если вы думаете, что пользоваться сотовой связью сложно, когда вы навещаете своих родственников в другом штате, просто представьте себе: пытаясь общаться с людьми, которые находятся на расстоянии не менее 40 миллионов миль и постоянно перемещаются относительно ты. Вот с чем нам придется иметь дело, если мы планируем отправить людей на Марс, когда связь будет не просто важна — она будет жизненно важной.
Содержание
- Достижение Солнечной системы с помощью Deep Space Network
- Международное сотрудничество в сфере коммуникаций
- Разговор с Марсом
- Важность выбора времени
- Связь для пилотируемых миссий
- Сеть нового поколения вокруг Марса
- Подготовка коммуникаций на будущее
- Куда мы идем отсюда?
Чтобы узнать, как создать сеть связи, охватывающую Марс и за его пределами, и как модернизируются существующие системы для решения задач постоянно растущих объемов данных, мы поговорили с двумя экспертами, которые работают над нынешней системой связи НАСА – один на Земле и один на Марсе. сторона.
Рекомендуемые видео
Эта статья является частью Жизнь на Марсе, серия из 10 частей, в которой исследуются передовые науки и технологии, которые позволят людям заселить Марс.
Достижение Солнечной системы с помощью Deep Space Network
![Спутник НАСА Deep Space Network](/f/9ace46189c82041037fe1108afeb931c.jpg)
Для связи с текущими миссиями, такими как марсоход Perseverance на Марсе или миссиями Voyager, которые направляются Чтобы выйти в межзвездное пространство, НАСА имеет сеть антенн, построенную по всей планете, называемую Сеть глубокого космоса, или ДСН.
У DSN есть три сайта в Калифорнии, Испании и Австралии, которые каждый день передают друг другу обязанности по связи. Таким образом, всегда будет место, указанное в нужном направлении, независимо от того, как Земля вращается или колеблется вокруг своей оси. На каждом объекте имеется несколько радиоантенн размером до 70 метров, которые принимают сигналы космических миссий и передают данные туда, куда им нужно направиться на Земле.
Международное сотрудничество в сфере коммуникаций
DSN используется для миссий НАСА, но существуют и другие глобальные сети, используемые различными космическими агентствами, такими как Европейское космическое агентство (ЕКА). Удивительно дальновидно, что все эти различные сети следуют одним и тем же международным стандартам связи, поэтому космические агентства могут использовать сети друг друга, если возникнет такая необходимость.
![](/f/d0553242ca20cdfcb2e392f7928c988e.jpg)
«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, рассказал Digital Тенденции. «Оно растет, но это все еще небольшое число. И нам всем, поскольку это небольшое сообщество, выполняющее очень дорогостоящие миссии, следует попытаться сделать это вместе».
Это означает, что помимо агентств, с которыми НАСА тесно сотрудничает, таких как ЕКА, даже агентства, с которыми оно не имеет отношений, например космическое агентство Китая, по-прежнему следуют тем же стандартам.
«Даже Китай придерживается набора международных стандартов, которые мы помогали разрабатывать на протяжении многих лет, чтобы все миссии в дальний космос 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 посредством этих соглашений. Все они созданы для совместимости».
Разговор с Марсом
Вот как мы получаем передачи на Земле. Но как отправлять передачи с Марса? Чтобы передавать сообщения на такое большое расстояние, нужна мощная радиосвязь. А такие миссии, как марсоходы, должны быть маленькими и легкими, чтобы к ним не было места прикрепить огромную антенну.
![](/f/649796abef289e4c5099fa36d34d9a72.jpg)
Чтобы обойти эту проблему, на Марсе есть система ретрансляции связи, называемая Mars Relay Network или MRN. Он состоит из различных орбитальных аппаратов, которые в настоящее время путешествуют вокруг планеты и которые можно использовать для сбора данных. передачи от миссий на поверхности (таких как марсоходы, посадочные аппараты или, в конечном итоге, люди) и передавать эти данные обратно на Земля. Вы действительно можете увидеть текущее положение всех кораблей в MRN, используя эта симуляция НАСА.
Большинство орбитальных аппаратов вокруг Марса выполняют двойную функцию. Помимо своей научной деятельности, они также работают в качестве ретрансляторов – как в случае с Марсом НАСА. Космический корабль «Эволюция атмосферы и летучих веществ» (MAVEN), орбитальный аппарат для разведки Марса и Марс ЕКА Выражать. «Большинство наших миссий, которые мы отправили [на Марс], находятся на низких орбитах, то есть где-то между 300 и 400 километрами над поверхностью. И это действительно здорово!» Менеджер MRN Рой Гладден рассказал Digital Trends. «Это прекрасное место, потому что оно красивое и близкое, и в этой среде вы можете передавать довольно много данных между посадочным средством и орбитальным аппаратом».
![](/f/12af9d7f978d599f9da14e2db05a1af8.png)
Однако не каждую миссию можно добавить в ретрансляционную сеть. Если орбитальный аппарат находится на очень большой высоте или имеет очень эллиптическую орбиту, где иногда он близко к планете, а иногда и дальше, возможно, не стоит быть частью МРН. Например, миссия «Надежда» Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ) находится на очень большой высоте и может изучать верхние слои атмосферы Марса. Но это означает, что он слишком далеко от поверхности, чтобы его можно было использовать в качестве ретранслятора.
Планируются будущие миссии на Марс, такие как Mars Ice Mapper НАСА или Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA). миссия, будет также включать в себя коммуникационное оборудование, поэтому чем больше миссий мы отправим туда, тем больше сеть сможет быть построен.
Важность выбора времени
Одной из проблем передачи сообщений с Марса является тот факт, что планета постоянно вращается и все орбитальные аппараты НАСА и ЕКА движутся вокруг нее. Это не проблема, если вашему марсоходу необходимо 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 отследить конкретное событие в точное время, это становится сложнее.
Например, посадка марсохода на поверхность планеты — самая сложная часть миссии, поэтому НАСА всегда хочет следить за посадкой. Для приземления марсохода Perseverance орбитальные аппараты MRN настроили свои орбиты, чтобы гарантировать, что они окажутся в нужном месте в нужное время для съемки приземления. Но чтобы сэкономить драгоценное топливо, они могли лишь слегка корректировать свои траектории, поэтому процесс установки всего на место начался за годы до того, как произошла посадка.
![Иллюстрация настойчивости Марса](/f/61dfc09f40fa9861685862b7aa2d59ee.jpg)
Один из способов сделать этот процесс более эффективным — использовать специальные спутники-ретрансляторы для записи ключевых событий, таких как приземления. Когда посадочный модуль InSight приземлился на Марс в 2018 году, его сопровождал два спутника размером с портфель под названием MarCOs, для Mars Cube One, которые выполняли роль реле. Эти небольшие спутники следовали за InSight во время облета Марса, отслеживали и передавали данные о приземлении, а затем отправились в космос. «Мы смогли направить их туда, где мы хотели, чтобы они могли сделать эту запись и получить телеметрию этого критического события», Глэдден сказала: «А затем, когда мероприятие закончилось, они перевернулись, направили свои антенны обратно на Землю и передали это сообщение». данные."
Использование MarCO было проверкой будущих возможностей, поскольку спутники никогда раньше не использовались таким образом. Но испытание прошло успешно. «Они сделали именно то, что должны были сделать», — сказал Глэдден. MarCO были объектом одноразового использования, поскольку у них не было достаточно топлива для выхода на орбиту. Но такие небольшие спутники относительно дешевы и их легко построить, и MarCO продемонстрировали, что это жизнеспособный способ отслеживать конкретные события без необходимости перестраивать всю марсианскую сеть.
Связь для пилотируемых миссий
![На этой иллюстрации художника изображены четыре орбитальных аппарата в рамках концепции миссии International Mars Ice Mapper (I-MIM). Низко и слева над поверхностью Марса проходит орбитальный аппарат, обнаруживающий подземный водяной лед с помощью радара и большой антенны-рефлектора. На большей высоте над Марсом вращаются три телекоммуникационных орбитальных аппарата, один из которых передает данные обратно на Землю.](/f/dbeeda71256a7b3349658d5e1f2d8362.jpg)
Для пилотируемых миссий регулярная связь еще более важна. Связь между Землей и Марсом всегда будет иметь задержку до 20 минут из-за скорости света. Обойти это невозможно. Однако мы можем построить сеть связи, чтобы люди на Марсе могли общаться с Землей. более нескольких раз в день, с целью иметь как можно более близкую к постоянной связи доступную возможный.
Предстоящие Миссия Mars Ice Mapper «Это своего рода шаг в этом направлении», — сказал Глэдден. «Наше намерение состоит в том, чтобы отправить небольшую группировку космических кораблей, которые будут специализированными ретрансляторами с помощью Ice Mapper». Это бы Это будет первый случай, когда созвездие будет использоваться для связи с Марсом и может стать строительным блоком более крупного ретранслятора. сеть.
Такой проект требует много энергии для связи на больших расстояниях между планетами, но он вполне технологически осуществим.
Сеть нового поколения вокруг Марса
Когда дело доходит до представления будущих потребностей внепланетной связи, «мы пытаемся мыслить дальновидно», — сказал Глэдден. «Мы пытаемся подумать о том, что нам понадобится в будущем. Особенно зная, что в конечном итоге мы хотим отправить туда людей».
Создание футуристической сети связи на Марсе может потребовать сделать ее более похожей на ту, что есть на нашей планете, путем добавления в сеть большего количества космических кораблей, обладающих все большей мощностью. «На Земле мы решаем нашу проблему связи, отправляя много-много низковысотных космических кораблей, которые — это мощные системы с большими солнечными батареями и очень сложными радиоприемниками, которые могут управлять лучом», — он сказал. «На Марсе мы хотим того же».
Технологически возможно решить эти проблемы и создать вокруг Марса сеть, сравнимую с той, что есть у нас вокруг Земли.
Существуют сложности с созданием сети, способной справляться с длительными задержками, а также с созданием стандартов данных, которые могут использоваться всеми марсианскими кораблями, но это возможно. Такая сеть связи теоретически может быть расширена, чтобы делать больше, чем просто обеспечивать связь с Земли на Марс и обратно. Его можно было бы использовать в качестве системы позиционирования для навигации по Марсу или, с некоторыми модификациями аппаратного обеспечения, также обеспечить связь по Марсу.
Но такие способные 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 Марса будут подвергаться радиации. Это означает, что они должны быть экранированы, что требует большего веса.
Технологически возможно решить эти проблемы и создать вокруг Марса сеть, сравнимую с той, что есть у нас вокруг Земли. Однако «как туда добраться — большая проблема», — сказал Глэдден, — «потому что кто-то должен за это платить».
Подготовка коммуникаций на будущее
Создание сети связи на Марсе — это половина головоломки для будущих коммуникаций. Другая половина готовит технологии, которые есть у нас здесь, на Земле.
В настоящее время DSN построить больше усиков 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 каждая.
![Инновационный DSN для DSS 23](/f/fb2f80a0c1fbd8b9f029ea6638d3b70f.jpg)
Но есть еще одна проблема ограниченной пропускной способности. Космические корабли теперь имеют более сложные инструменты, которые записывают огромные объемы данных и передают всю информацию. эти данные при медленном соединении ограничены – как и любой, кто когда-либо застрял в медленном Интернете знает.
«Мы хотим иметь возможность получать больше данных с любого конкретного космического корабля в будущем», — сказал Дойч, заместитель директора DSN. «Это потому, что по мере того, как космические корабли развиваются во времени, они несут на себе 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».
Решением этой проблемы является передача на высоких частотах. «Если вы увеличите частоту, на которой общаетесь, это сузит луч, передаваемый космическим кораблем, и большая часть его попадет туда, куда вы хотите», — объяснил он. В то время как ранние миссии использовали частоту 2,5 ГГц, космические корабли 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 в битах в секунду, но даже этого будет недостаточно в долгосрочной перспективе. Таким образом, следующим большим шагом в космической связи станет 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 предложить улучшение в 10 раз по сравнению с современной радиосвязью.
![Deep Space Network Концепция этого художника показывает, что такое Deep Space Station-23, новая антенная антенна, способная поддерживать как радиоволновая и лазерная связь, будет выглядеть так, как будет завершено в Голдстоуне Deep Space Network, Калифорния, сложный.](/f/6c14589c0343a5a7fe2b71a8ed141747.jpg)
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 новые антенны предназначены для работы в нескольких диапазонах частот и способны принимать оптические передачи.
Существуют некоторые ограничения для оптической связи, например облака, которые могут блокировать сигналы. Но даже с учетом этого использование оптической связи значительно увеличит общую пропускную способность сети. И долгосрочное решение этой проблемы может включать размещение приемников на орбите вокруг Земли, где они будут находиться над облаками.
Куда мы идем отсюда?
Проблемы общения с другой планетой глубоки и трудноразрешимы. «Физика неизменна», — сказал Глэдден. «Это далеко, поэтому вы теряете мощность сигнала. Это проблема, которую нам приходится преодолевать, когда мы думаем о попытке построить сеть для людей».
Но мы находимся на пороге новой эры в космической связи. В следующем десятилетии мы узнаем больше о передаче и получении данных предстоящей миссии «Артемида» на Луну, а также Mars Ice Mapper и его специального космического корабля-ретранслятора.
«Это будет неуклюже», — предупреждает Глэдден. «Мы просто пытаемся разобраться в этом». Он указывает на международные дебаты по поводу использования стандартов и на меняющиеся отношения между государственными космическими агентствами и частными компаниями. Решения, принятые сейчас, определят, как будут развиваться исследования космоса в ближайшие десятилетия.
«Будет одновременно и страшно, и увлекательно наблюдать за тем, что произойдет», — сказал он. «С одной стороны, существует большая неопределенность относительно того, что происходит. Но с другой стороны, это высокотехнологичные вещи. Мы впервые учимся и делаем что-то на другой планете. Раньше этого никогда не делалось. Это восхитительно."
Эта статья является частью Жизнь на Марсе, серия из 10 частей, в которой исследуются передовые науки и технологии, которые позволят людям заселить Марс.
Рекомендации редакции
- Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
- Астропсихология: как остаться в здравом уме на Марсе
- Электростанции на других планетах: как мы будем производить электроэнергию на Марсе
- Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе
- Астросельское хозяйство: как мы будем выращивать урожай на Марсе