Как устроена космическая связь
Все кто смотрит телевизор, в курсе, что без спутников невозможно увидеть большинство известных телеканалов (исключение кабельное телевидение). Да и большинство семей уже давно владеет спутниковыми тарелками, которые принимают сигналы лучше, чем антенны из прошлого века. Хотя нам кажется, что спутниковое телевидение пришло в нашу жизнь совсем недавно, оно существует уже довольно давно, и чтобы оно функционировало стабильно, а наши телевизоры показывали качественную картинку, существуют центры космической связи.
Центр космической связи «Дубна» был введен в эксплуатацию в 1980 году и приурочен к московской олимпиаде 1980г., для обеспечения трансляции игр на страны Европы и Атлантического региона. После олимпийских игр ЦКС стал использоваться как объект правительственной связи Кремля с руководством других стран.
Всего в систему космической связи входят
— 24 приемо-передающих земных станций спутниковой связи с антенными системами от 2,4 до 32 метров. 27 приёмо-передающих земных станций для обеспечения телеметрии и телеуправления космическими аппаратами ГП КС, «Еutelsat», «ABS»;
— 11 измерительных и мониторинговых наземных станций для для проведения орбитальных испытаний, предоставления доступа земных станций к космическому сегменту и мониторинга загрузки спутниковых транспондеров западной дуги ГП КС, «Еutelsat», «ABS»;
— 2 независимые опто-волоконные линии связи емкостью 20 Гбит/c (каждая) работают в режиме резервирования друг друга и обеспечивают надежную связь объекта с Техническим центром «Шаболовка» ГП КС. Они позволяют связать ЦКС «Дубна» практически с любым оператором связи Москвы;
— 4 высоковольтных фидера (2 х 10 кВ и 2 х 6 кВ) обеспечивающие резервируемое энергопитание объекта. Для надежной работы технологического оборудования в ЦКС реализована система бесперебойного электропитания общей мощностью 700 КВА. В случае форс-мажорных обстоятельств электроснабжение объекта может быть обеспечено от автономной дизельной электростанции общей мощностью 1800 КВА.
Как было выше сказано, комплекс имеет 24 станции спутниковой связи с антенными системами от 2,4 до 32 метров, которые позволяют организовывать каналы передачи через российские и зарубежные спутники связи.
ГКС также принадлежит самая крупная в России орбитальная группировка из 13 геостационарных спутников, работающих в С-, Ku-, Ка- и L- диапазонах. Зоны обслуживания космических аппаратов ГПКС, расположенных на дуге орбиты от 14° з.д. до 145° в.д., охватывают всю территорию России, страны СНГ, Европы, Ближнего Востока, Африки, Азиатско-Тихоокеанского региона, Северной и Южной Америки, Австралии.
Вещание происходит с транспондера, который находится на спутнике. На одном спутнике может находится 40-60 транспондеров. Большинство из них находятся над экватором на высоте 35 786 км. Поэтому спутниковые антенны в Северном полушарии устанавливают в южном направлении.
Зеркало, которое все неправильно называют тарелкой, собирает сигнал, приходящий со спутников, концентрирует его и отражает на приемник-передатчик, который расположен над плоскостью зеркала.
При высоте орбиты спутников 35 786 км. путь луча от Земли требует около 0,12 секунды, а ход луча земля-спутник-земля занимает примерно 0,24 секунды. При этом полная реальная задержка при использовании спутниковой связи составит почти полсекунды.
Обратите внимание на табличку.
Срок службы одного спутника составляет 15 лет. Этого времени вполне хватает на работу и обеспечение разивающихся за это время технологий спутниковой связи. Потом спутник устаревает, и на его замену приходит новый. Спутники очень дорогие, 190-230 млн. долларов стоит постройка и вывод спутника на геостационарную орбиту.
Основная задача владельца спутника: построить, запустить и сдавать в аренду потребителям его частотный диапазон.
В качестве владельца выступают крупные организации (компании с огромными финансовыми возможностями и сильной инфраструктурой). В России таких организаций всего две: (ОАО “Газпром космические системы” и ФГУП “Космическая связь”), которые заказывают постройку, финансируют производственный процесс и производят запуск самих спутников на геостационарную орбиту. Дальше обеспечивают повседневную эксплуатацию (коррекцию положения спутника на орбите, мониторинг и управление работой бортового оборудования).
Далее мы идем в здание, где находятся компьютеры, которые работают со своими космическими аппаратами, обрабатывают сигналы и сюда идёт постоянный приём телеметрии.
Я знаю, что среди вас есть специалисты по космической связи, здесь все в порядке?
Территория ГКС усеяна спутниковыми тарелками всех размеров.
Есть даже вот такой необычной формы.
А это самая большая тарелка — 32 м. в диаметре. Внушительный размер.
Как нам рассказали, спутниковое телевидение в России очень актуально, что можно заметить, если проехаться на машине вдоль городов или деревень, на домах которых зачастую стоят ржавые тарелки «Триколора». Прокладывать кабели в отдаленные места довольно дорого и нерентабельно, а в районах вечной мерзлоты они на вес золота, тут следует учитывать, что и кабели не вечны.
В конце экскурсии попадаем в главный центр управления. Здесь находятся сервера компании и множество мониторов, по картинкам на которых специалисты отслеживают качество передачи сигналов.
Теперь и вы знаете, как устроена космическая связь, спасибо что дочитали этот пост!
Источник
Вопросы и ответы о связи и технике в космосе. Часть 1
Космос всегда интересовал человека, а когда у людей появилась возможность побывать там, вопросов, пожалуй, только прибавилось. Но сегодня можно получить ответы на них практически из первых рук — многие космонавты ведут блоги и рады пообщаться с подписчиками, а НАСА публикует огромное количество фотографий, результатов исследований, проектов будущих космических миссий и интересных фактов.
Поэтому узнать, как устроена жизнь космонавтов на орбите или какие технологии используются за пределами нашей планеты, может каждый. Мы решили найти ответы на несколько интересных вопросов о связи, гаджетах и коммуникациях в космосе.
Как космонавты на МКС выходят в сеть?
Раньше у космонавтов не было возможности подключаться к интернету напрямую. Все публикации в Twitter, например, делались с Земли: сообщения с МКС передавались через нисходящие линии связи в центр управления полётами, где их уже размещали в профилях космонавтов.
В январе 2010 года на станции появилась сеть Crew Support LAN, и соединение стало осуществляться через орбитальный телекоммуникационный спутник. Еще один способ выхода в интернет — удаленный доступ к компьютеру на Земле. Первый космический твит был опубликован американским астронавтом Тимом Кримером (Tim Krimer).
До сих пор основным способом связи с МКС остается радио. Преимущества очевидны — не требуется никакого специального оборудования (только антенна и передатчик), и атмосфера не блокирует радиоволны (подробнее тут). Для передачи информации в космос используется Ku- (12-18 ГГц) и S-диапазон (2-4 ГГц). Сигнал направляется на спутник, который перенаправляет его в сторону МКС, где его принимают с помощью антенны, а затем на компьютер загружается, например, электронное письмо.
На российских сегментах станции существует своя, отдельная система радиосвязи «Лира» и спутниковая система ретрансляции данных «Луч». Уже в следующем году она сможет заменить американскую систему связи, которую российские космонавты вынуждены использовать сегодня. Правда, скорость радиосвязи, которая зависит от расстояния, оставляет желать лучшего.
И в 2015 году астронавты все еще не были довольны качеством связи. Например, Скотт Келли (Scott Kelly) пожаловался на своей страничке в Twitter на скорость интернета, которая еще медленнее, чем когда-то была на Земле при доступе через модем. Но представитель НАСА Дэн Хуот (Dan Huot) не согласен с такой характеристикой связи. Он считает, что скорость соединения на борту достаточно хорошая, а главное ширина канала позволяет отправлять гигабайты видеофайлов каждый день, не перегружая систему. Кроме того, в свободное время астронавты могут даже смотреть онлайн-трансляции.
Но технологии не стоят на месте и сегодня уже есть более быстрый способ передачи данных — DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking, архитектура сетей, устойчивых к задержкам и частым обрывам связи). В 1990-х к разработке технологии подключилось НАСА совместно с Google, а этим летом система была установлена на МКС.
DTN использует подход Store-and-forward, который дает возможность сохранять пакеты при потери возможности их передачи получателю. После получения надежного маршрута для доставки, передача данных возобновляется. Причем, хранение служебных данных производится в произвольных блоках, а не в заголовке пакета. Неплохая аналогия с грузоперевозками приведена в вики.
Как можно связаться с космонавтами?
Многие космонавты ведут странички в социальных сетях, где с ними можно даже пообщаться, задать интересующие вопросы и просто узнать об их работе. Некоторые из них прямо сейчас находятся на МКС. Среди них — Роберт Шейн Кимброу (Shane Kimborough) — публикует свежие фотографии Земли и рассказывает о своей деятельности. Например, несколько недель назад он сажал на станции салат-латук. Джефф Уильямс (Jeff Williams) побывал на МКС чуть раньше в этом году, и на его страничке в Instagram представлена коллекция завораживающих снимков и даже несколько коротких видео. А американский астронавт Рейд Вайзман (Reid Wiseman) вообще специализировался на вайнах. Если пролистать его страничку (до ноября 2014), можно найти видео с нашей планетой в главной роли, увидеть млечный путь и понаблюдать за космическими экспериментами на борту.
Российский космонавт Олег Артемьев вернулся с МКС в 2014 году, но продолжает делиться с подписчиками потрясающими фотографиями разных частей Земли и облачных пейзажей. В фотоблоге Сергея Рязанского можно найти красивые снимки разных городов с его последнего полета в 2013 и посмотреть, как проходит подготовка к новым космическим путешествиям. А Сергей Волков во время своего пребывания на орбите в феврале этого года подробно рассказывал о работе на станции, записывал видео и делился интересными фотографиями: Эльбрус, Египетские пирамиды и даже выход в открытый космос.
Однако для астронавтов и космонавтов важнее контакта с подписчиками, безусловно, является общение с родными и друзьями. Благодаря современным технологиям выходить на связь можно намного чаще и без посредников. Например, организация неофициальных видео-конференций, по мнению НАСА, положительно влияет на состояние экипажа во время полета и помогает преодолеть чувство одиночества. Психолог Джэк Стастер (Jack Stuster), изучающий воздействие изоляции на психику, провел интересный эксперимент — он изучил записи, сделанные астронавтами во время полета, чтобы оценить их состояние.
Как выяснилось, один из первых счастливчиков, который использовал такие новые технологии, считал это общение не только благом, но и «проклятием» (см. пункт 4 в источнике). Связь часто мешала: земные новости и сплетни не давали сосредоточиться на работе, а ответа порой приходилось ждать по нескольку дней, и казалось, что время тянется намного дольше.
Какими гаджеты пользуются космонавты?
Телефоны, плееры, планшеты и другие устройства помимо функции связи, создают более домашнюю и психологически комфортную атмосферу на МКС. Многие астронавты ведут блоги и берут с собой фотоаппараты последних моделей. В июне 2012 НАСА впервые отправило на орбиту несколько iPhone 4s для проведения исследований с помощью специально созданных приложений.
Компания Odyssey Space Research как раз разработала программу SpaceLab, которая могла использоваться для бэкапов и восстановления состояния навигационной системы. Брайан Ришикоф (Brian Rishikof), генеральный директор компании, говорит, что целью проекта было доказать, что устройство стоимостью $500 с удобным и понятным интерфейсом может легко заменить дорогостоящее аппаратное обеспечение космической станции.
Но, конечно, попасть на борт могут только сертифицированные устройства, прошедшие тщательную проверку и полностью безопасные. Например, должен использоваться определенный тип батареи и нетоксичный пластик. Сегодня на МКС находится 100 ноутбуков на всего шесть членов команды. (Подробнее — в интервью с представителем НАСА, ответственным за оборудование в разделах «Spaceman on a space LAN», «The rise of phones and tablets»). 20% из них являются запасными — своими силами астронавты не всегда могут справиться с поломками. 15 используются для управления системой космического летающего аппарата, а 30 – для ежедневных задач, хранения данных и инструкций.
У смартфонов на борту, представленных iPhone и Android Nexus 5, своя функция — с помощью программы SPHERES с них можно управлять летающими дронами, которые выполняют некоторые слишком опасные или, наоборот, рутинные обязанности вместо членов экипажа. Кроме того, НАСА обеспечивает всех участников миссий планшетами: несколько поколений iPad, в том числе iPad Air 2, и несколько Microsoft Surface Pro 3. Планшеты нужны для проведения экспериментов, записи информации, развлечения и общения с семьей.
Если предположить, что в будущем попасть в космос смогут не только специально подготовленные космонавты, но и обычные люди (в виде космических туристов), а география путешествий существенно расширится, то следует задуматься о гаджетах, которые в этом случае понадобятся. Шотландский производитель виски в 2015 году совместно с агентством космических технологий Open Space разработали специальный «космический стакан», который «работает» даже в условиях невесомости. Команда Open Space попыталась предложить альтернативный сценарий развития космических гаджетов.
Причины, по которым современные смартфоны не подойдут для космических путешествий будущего — быстрая потеря заряда батареи в условиях небольшой гравитации и невозможность земных материалов переносить резкие перепады температуры от -270 до 120 градусов по Цельсию. Поэтому смартфон должен стать голографическим: он сможет материализоваться из воздуха, но при этом отвечать на прикосновения. Так пользователи смогут оставаться на связи с друзьями, оставшимися на Земле, добавить реальных впечатлений во время игры в «Космических захватчиков» и обновлять список лучших межпланетных ресторанов.
P.S. Во второй части нашего рассказа мы обсудим, почему земное оборудование бывает непригодно для использования в космосе и как организовать межпланетный интернет.
О чем еще мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS:
Источник