Если вы думаете, что получать сотовый телефон больно, когда вы навещаете своих родственников в другом штате, просто представьте, что вы пытаетесь общаться с людьми, которые находятся по крайней мере в 40 миллионах миль и постоянно перемещаются относительно вас. Вот 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 за его пределами, и как текущие системы модернизируются для решения проблемы все большего объема данных, мы поговорили с двумя экспертами, которые работают над текущей коммуникационной системой НАСА-один на стороне Земли, а другой на стороне Марса.
Эта статья является частью Жизни на Марсе, серии из 10 частей, в которой исследуются передовые науки и технологии, которые позволят людям занять Марс
Выход в Солнечную систему с помощью сети Глубокого космоса
Для связи с текущими миссиями, такими как марсоход Perseverance на Марсе или миссии "Вояджер", которые направляются в межзвездное пространство, у НАСА есть сеть антенн, построенных по всей планете, называемая Сетью глубокого космоса, или DSN.
У DSN есть три сайта в Калифорнии, Испании и Австралии, которые каждый день передают обязанности по связи друг другу. Таким образом, всегда есть участок, направленный 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 передачи с космических миссий и передают данные туда, куда им нужно на Земле.
Международное сотрудничество в области коммуникаций
DSN используется для миссий НАСА, но существуют и другие глобальные сети, используемые различными космическими агентствами, такими как Европейское космическое агентство (ЕКА). Удивительно дальновидным образом все эти различные сети следуют одним и тем же международным стандартам в области связи, поэтому космические агентства могут использовать сети друг друга, если возникнет необходимость.
“Это довольно небольшое сообщество. Например, есть всего несколько стран, которые могут отправлять космические корабли на Марс”, - сказал Лес Дойч, заместитель директора Межпланетной сети, которая управляет сетью глубокого космоса, в интервью Digital Trends. “Это число растет, но все еще невелико. И нам всем надлежит, поскольку это небольшое сообщество с очень дорогими миссиями, попытаться сделать это вместе”.
Это означает, что в дополнение к агентствам, с которыми НАСА тесно сотрудничает, таким как ЕКА, даже агентства, с которыми у него нет отношений, такие как 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 дальнем космосе общались одинаково”, - сказал он. “Космические аппараты имеют схожие форматы радиосвязи, а наземные станции имеют схожие типы антенн и интерфейсов. Таким образом, мы можем отслеживать космические корабли друг друга с помощью этих соглашений. Все они созданы для того, чтобы быть совместимыми”.
Разговор с Марсом
Так вот как мы получаем передачи на Земле. Но как вы отправляете сообщения с Марса? Чтобы передавать сообщения на такое большое расстояние, вам нужна мощная рация. А такие миссии, как марсоходы, должны быть маленькими и легкими, поэтому к ним нельзя прикрепить огромную антенну.
Чтобы обойти эту проблему, на Марсе есть система ретрансляции связи, называемая сетью ретрансляции Mars, или MRN. Он состоит из различных орбитальных аппаратов, которые в настоящее время путешествуют вокруг планеты и которые могут использоваться для приема передач с миссий на поверхности (например, марсоходов, посадочных модулей или, в конечном счете, людей) и передачи этих данных обратно на Землю. Вы действительно можете увидеть текущее положение всех кораблей в MRN, используя это моделирование НАСА.
Большинство орбитальных аппаратов вокруг Марса выполняют двойную работу. В дополнение к своим научным операциям они также работают в качестве ретрансляторов – так обстоит дело с космическим аппаратом НАСА "Марсианская атмосферная и летучая эволюция" (MAVEN) и орбитальным аппаратом разведки Марса, а также Марс-экспрессом ЕКА. “Большинство наших миссий, которые мы отправляли [на Марс], находятся на низких орбитах, поэтому они находятся где-то между 300 и 400 километрами над поверхностью. И это действительно здорово!” - сказал менеджер MRN Рой Гладден в интервью Digital Trends. ”Это замечательные места, потому что здесь хорошо и близко, и в такой среде вы можете передавать довольно много данных между посадочным средством и орбитальным аппаратом“.
Однако не каждую миссию можно добавить в сеть ретрансляции. Если орбитальный аппарат находится на очень большой высоте или если он имеет очень эллиптическую орбиту, где иногда он находится близко к планете, а в другое время он находится дальше, он может не подходить для того, чтобы быть частью MRN. Миссия Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), например, надеется, что она находится на очень большой высоте, чтобы изучать верхние слои атмосферы Марса. Но это означает, что он слишком далеко от поверхности, чтобы быть полезным в качестве ретранслятора.
Будущие миссии на Марс, такие как картирование марсианских льдов НАСА или запланированная миссия Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), также будут включать коммуникационное оборудование, поэтому чем больше миссий мы отправим туда, тем больше сети можно будет построить.
Важность выбора времени
Одной из проблем ретрансляции сообщений с Марса является тот факт, что планета всегда вращается и что все орбитальные аппараты НАСА и ЕКА движутся вокруг нее. Это не проблема, если, например, вашему марсоходу необходимо отправлять сообщения два раза в день – велика 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 посадки марсохода Perseverance орбитальные аппараты в MRN изменили свои орбиты, чтобы гарантировать, что они окажутся в нужном месте в нужное время для захвата посадки. Но чтобы сэкономить драгоценное топливо, они могли лишь незначительно корректировать свои траектории, поэтому процесс приведения всего в нужное место начался за годы до того, как произошла посадка.
Один из способов сделать этот процесс более эффективным-использовать выделенные 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, который действовал как ретранслятор. Эти небольшие спутники последовали за InSight во время облета Марса, отслеживали и передавали данные о посадке, а затем отправились в космос. “Мы смогли нацелить их туда, где мы хотели, чтобы они были, чтобы они могли сделать эту запись, чтобы зафиксировать телеметрию этого критического события, - сказал Гладден, - а затем, когда событие закончилось, они перевернулись и направили свои антенны обратно на Землю и передали эти данные”.
Использование МарКОс было проверкой будущих возможностей, так как спутники никогда раньше не использовались подобным образом. Но испытание прошло успешно. “Они сделали именно то, что должны были сделать”, - сказал Глэдден. "Маркос" использовался один раз, так как у них не было достаточно топлива, чтобы выйти на орбиту. Но такие небольшие спутники относительно дешевы и просты в постройке, и МарКОс продемонстрировал, что это жизнеспособный способ мониторинга конкретных событий без необходимости перестраивать всю сеть Mars.
Связь для миссий с экипажем
Для миссий с экипажем регулярная связь еще более важна. В связи между Землей и Марсом всегда будет задержка до 20 минут из-за скорости света. Нет абсолютно никакого способа обойти это. Тем не менее, мы можем построить коммуникационную сеть таким образом, чтобы люди на Марсе могли общаться с Землей чаще, чем несколько раз в день, с целью обеспечения как можно более близкой к постоянной связи.
Предстоящая миссия по картографированию марсианских льдов “является своего рода шагом в этом направлении”, - сказал Гладден. “Наше намерение состоит в том, чтобы отправить небольшое созвездие космических аппаратов, которые будут посвящены пользователям ретрансляции с помощью Ice Mapper”. Это был бы первый случай, когда созвездие использовалось для связи с Марсом, и могло бы стать строительным блоком более крупной ретрансляционной сети.
Такой проект требует большой мощности для связи на больших расстояниях между планетами, но он полностью технологически осуществим.
Сеть следующего поколения вокруг Марса
Когда дело доходит до прогнозирования будущих потребностей в области внепланетных коммуникаций, “мы стараемся быть дальновидными”,-сказал Гладден. “Мы пытаемся понять, что нам понадобится в будущем. Особенно зная, что в конце концов мы захотим отправить туда людей".
Создание футуристической сети связи на Марсе может повлечь за собой ее большее сходство с тем, что мы имеем на нашей планете, путем добавления в сеть большего количества космических аппаратов со все большей мощностью. “На Земле мы решаем нашу проблему связи, отправляя множество космических аппаратов на малой высоте, которые представляют собой мощные системы с большими солнечными батареями, с очень сложными радиостанциями, которые могут управлять лучом”,-сказал он. ”На Марсе мы хотим того же самого".
Технологически можно решить эти проблемы и создать сеть вокруг Марса, сопоставимую с той, что у нас есть вокруг Земли.
Существуют сложности в создании сети, способной справляться с длительными задержками, и в создании стандартов данных, которые могут использоваться всеми марсианскими кораблями, но это возможно. Теоретически такую коммуникационную сеть можно было бы расширить, чтобы она не просто обеспечивала связь с Земли на Марс и обратно. Он может быть использован в качестве системы позиционирования для помощи в навигации по Марсу или, с некоторыми модификациями оборудования, может также обеспечивать связь по всему Марсу.
Но такие способные космические аппараты 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 бомбардироваться радиацией. Это означает, что они должны быть защищены, что требует большего веса.
Технологически можно решить эти проблемы и создать сеть вокруг Марса, сопоставимую с той, что у нас есть вокруг Земли. Однако “как туда попасть-большая проблема, - сказал Гладден, - потому что кто-то должен за это платить”.
Подготовка сообщений на будущее
Создание коммуникационной сети Mars - это половина головоломки для будущих коммуникаций. Другая половина готовит технологию, которой мы располагаем здесь, на Земле.
В настоящее время DSN строит больше антенн, чтобы не отставать от постоянно растущего числа запускаемых миссий в дальний космос. Он также использует усовершенствования в программном обеспечении для автоматизации большего числа сетевых процессов, поэтому ограниченное число сотрудников может контролировать большее количество миссий в каждой.
Но есть еще одна проблема ограниченной пропускной способности. Космические аппараты теперь имеют более сложные приборы, которые записывают огромные объемы данных, и передача всех этих данных по медленному соединению ограничена – как знает любой, кто когда-либо сталкивался с медленным Интернетом.
“В будущем мы хотим иметь возможность получать больше данных с любого конкретного космического аппарата”, - сказал Дойч, заместитель директора DSN. “Это потому, что по мере продвижения космических аппаратов во времени они несут все более и более мощные приборы и хотят возвращать все больше и больше битов в секунду. Поэтому перед нами стоит задача не отставать от кривой, подобной закону Мура".
Решение этой проблемы заключается в передаче на высоких частотах. “Если вы увеличите частоту, с которой вы общаетесь, это сузит луч, который передается с космического корабля, и большая его часть попадет туда, куда вы хотите”, - объяснил он. В то время как ранние миссии использовали 2,5 ГГц, космические аппараты недавно перешли примерно на 8,5 ГГц, а самые последние миссии используют 32 ГГц.
Более высокие частоты могут предложить улучшение примерно в четыре раза с точки зрения битов в секунду, но даже этого будет недостаточно в долгосрочной перспективе. Поэтому следующий большой шаг в космической связи-это использование оптической связи, также известной как лазерная связь. Это дает многие из тех же преимуществ перехода на более высокую частоту, но оптическая связь может предложить улучшение в 10 раз по сравнению с современной радиосвязью.
И хорошая новость заключается в том, что DSN не потребуется полностью новое оборудование для перехода на оптическую связь. Токовые антенны могут быть модернизированы для работы с новой технологией, а недавно построенные антенны предназначены для работы в нескольких частотных диапазонах и способны принимать оптические передачи.
Существуют некоторые ограничения на оптическую связь, такие как облака над головой, которые могут блокировать сигналы. Но даже учитывая это, использование оптических коммуникаций значительно увеличит общую мощность сети. И долгосрочное решение этой проблемы может включать в себя вывод приемников на орбиту вокруг Земли, где они будут находиться над облаками.
Куда мы пойдем отсюда?
Проблемы общения с другой планетой глубоки и трудны для решения. “Физика неизменна", - сказал Гладден. “Это далеко, так что вы теряете силу сигнала. Это проблема, которую мы должны преодолеть, когда думаем о том, чтобы попытаться создать сеть для людей”.
Но мы стоим на пороге новой эры в космической связи. В следующем десятилетии мы узнаем больше о передаче и приеме данных с предстоящей миссии "Артемида" на Луну, а также о картографе льда Марса и его специальном космическом аппарате-ретрансляторе.
” Это будет неуклюже", - предупреждает Глэдден. “Мы просто пытаемся это выяснить”. Он указывает на международные дебаты об использовании стандартов и меняющихся отношениях между правительственными космическими агентствами и частными компаниями. Решения, принятые сейчас, определят, как будут развиваться исследования космоса в ближайшие десятилетия.
“Будет и страшно, и увлекательно посмотреть, что произойдет”, - сказал он. “С одной стороны, существует так много неопределенности в том, что происходит. Но с другой стороны, это высокотехнологичный материал. Мы впервые учимся и делаем что-то на другой планете. Такого никогда раньше не было. Это удивительно".
