Как зонд «Новые горизонты» передаёт данные на Землю
Все мы с замиранием сердца следили за тем моментом, когда зонд «Новые горизонты», преодолевший сумасшедшее расстояние в более чем 4,5 миллиарда километров, доберётся до Плутона. Космический аппарат сделал множество уникальных снимков карликовой планеты, пролетев от неё на расстоянии в 12,5 тысяч километров. Но для того, чтобы передать фотографии и прочие собранные данные обратно на Землю, зонду понадобится более 16 месяцев, так как передача информации происходит на скорости около 1 килобита в секунду. Давайте попробуем разобраться, почему же межпланетный интернет такой медленный.
Действительно, скорость передачи данных с «Новых горизонтов» на Землю сравнима разве что с допотопным телефонным модемом из 90-х. Отправка каждой фотографии занимает у зонда около часа. Но это только сам процесс отправки. Пройдёт ещё чуть больше четырёх часов, прежде чем биты информации, несущиеся в безвоздушном пространстве космоса, достигнут земных антенн. Мешает процессу и тот факт, что «Новые горизонты» не умеет одновременно собирать данные и отправлять их домой. По сути, этот аппарат строго однозадачный: либо собирает данные и сохраняет их на встроенный накопитель, либо пересылает полученную информацию на Землю.
Какова точная скорость передачи данных с «Новых горизонтов» на Землю?
Wikipedia утверждает, что чем дальше зонд удаляется от своей родной планеты, тем медленнее осуществляется передача данных. Например, пролетая мимо Юпитера, «Новые горизонты» вел передачу информации на скорости около 38 кбит/с, а приблизившись к Плутону, скорость снизилась до 1 кбит/с. На Земле информацию принимают огромные 70-метровые антенны сети NASA Deep Space Network. Чтобы отправить 1 килобайт информации, зонду необходимо около 8 секунд времени, а чтобы передать 1 мегабайт, понадобится 1024 секунд или около 17 минут. Но это не совсем корректные подсчёты, так как к каждому биту зачастую следует прибавить корректирующую информацию, что автоматически увеличивает размеры пакетов пересылаемых данных.
Сколько нужно времени, чтобы передать на Землю одну фотографию?
Фотография с камеры LORRI, установленной на «Новых горизонтах», архивируется до размера в 2,5 мегабайта (здесь всё зависит от содержимого фотографии). Отправка такого снимка на Землю занимает около 42 минут времени. Но сигналу ещё необходимо добраться до своих получателей.
Как долго эта фотография добирается до Земли?
Плутон и «Новые горизонты» в данный момент находятся на расстоянии около 4,6 миллиарда километров от Земли. Радиоволны распространяются в космосе на скорости 300 000 км/с, так что первые биты снимка с камеры зонда доберутся до нас примерно за 4 часа 20 минут. Потребуется ещё 42 минуты, чтобы получить последние биты отправленного изображения. Получается, от момента завершения отправки до момента завершения получения снимка на Земле уйдёт примерно 5 часов и 2 минуты.
Сколько изображений с зонда можно получить в течение одного месяца?
Если брать в расчет, что первый снимок будет получен спустя 5 часов и 2 минуты, то каждый последующий будет приходить раз в 42 минуты. Таким образом, за сутки можно получать 34 изображения с «Новых горизонтов», а в месяц это всего 1045 фотографий. На самом же деле первыми на Землю приходят не сами фотографии, а сильно сжатый каталог снимков, как бы маленькие копии изображений, которые мы часто видим в файловом браузере нашей операционной системы. Только после того, как учёные изучат полученные снимки, на зонд отправляется команда – какие именно фотографии в полном разрешении необходимо передать на Землю.
Существует ли какой-то график передачи данных с зонда?
Ниже вы можете видеть примерное расписание передачи данных с «Новых горизонтов». С августа по сентябрь учёные будут получать данные о плазме и пыли, затем какие-то особо важные данные в течение первой недели сентября, потом те самые сильно сжатые превью фотографий (с сентября по ноябрь 2015), и лишь затем начнётся передача снимков высокого разрешения, полученных во время пролёта мимо Плутона. Эта передача займёт период с ноября 2015 года по октябрь 2016.
Почему передача данных такая медленная?
Зонд «Новые горизонты» находится очень далеко от Земли, поэтому сигнал, который поступает с него, очень слабый. Чтобы быть точно уверенными в том, какой бит (единичка или ноль) информации добрался до нашей планеты, зонд транслирует этот самый бит намного дольше, чем обычно. На Земле этот бит также принимают в течение более продолжительного времени, дабы исключить ошибку при получении. Именно поэтому передача данных такая медленная.
Передача данных идёт постоянно, когда зонд не занят сбором информации?
Нет. Существует ряд факторов, которые не позволяют «Новым горизонтам» передавать данные на Землю в режиме 24 часа в сутки 7 дней в неделю. К примеру, иногда Земля находится вне зоны видимости аппарата. Так как зонд постоянно поворачивается к исследуемым объектам различными измерительными приборами, его транслирующая антенна бывает попросту отвёрнута от нашей планеты в противоположную сторону. Посмотрите на его изображение чуть ниже: как видите, корпус «Новых горизонтов» со всех сторон усеян измерительными приборами, поэтому ему приходится постоянно менять своё положение в пространстве, чтобы сделать все необходимые замеры. Первостепенной задачей зонда является именно сбор данных, а их отправка на Землю может быть осуществлена позднее в подходящее для этого время.
Кто принимает отправленные данные на Земле?
Изображения принимают огромные антенны сети NASA Deep Space Network, расположенные в трёх точках земного шара. Первая антенна находится в Мадриде (Испания), вторая – в обсерватории Голдстоун (пустыня Мохаве, США), а третья – в Канберра (Австралия). Кстати, на официальном сайте NASA вы можете в реальном времени наблюдать, какая из антенн принимает сигналы от удалённых космических аппаратов в данный момент.
Источник
Связь в космосе: как это работает
Кадр из фильма “Космическая одиссея 2001 года” (1968)
Представьте, что вам нужно пробросить песчинку через ушко иглы с расстояния 16 000 километров. Примерно тем же самым занимались ученые, отправив в 2004 году к комете Чурюмова-Герасименко межпланетную станцию «Розетта». В 2015 году станция и комета находились на расстоянии около 265,1 млн км от Земли. Однако надёжная связь позволила «Розетте» не только сесть на комету, но и получить ценнейшие научные данные.
Сегодня космическая связь — одно из самых сложных и перспективных направлений развития коммуникационных технологий. Орбитальные спутники уже дали нам GPS, ГЛОНАСС, глобальные точнейшие цифровые карты, интернет и голосовую связь в самых отдаленных районах Земли, но мы смотрим дальше. Как космическая связь работает сейчас и что нас ожидает в будущем?
Путь «Розетты»
Основой инфраструктуры наземных станций, используемых во время миссии «Розетты», стала компьютерная система Intermediate Frequency Modem System (IFMS), разработанная BAE Systems. Помимо расшифровывания 350 гигабайт данных, переданных станцией, система позволила точно рассчитать положение космического корабля, действуя как GPS для Солнечной системы.
Система IFMS принимала и передавала сигналы в течение всей 10-летней миссии и сопровождала станцию около 800 миллионов километров. IFMS позволяет измерять скорость с точностью до долей миллиметра в секунду, а положение космического аппарата с точностью в пределах метра в любой точке Солнечной системы.
Модули IFMS размещаются на наземных станциях Европейского космического агентства (ЕКА), модернизированных более 20 лет назад для более совершенного получения радиосигналов с космических аппаратов. Вместо аналоговой обработки — настройки на сигнал, фильтрации и демодуляции — новая (на тот момент) технология позволила преобразовывать необработанный сигнал в цифровую форму, из которой программное обеспечение извлекало необходимую информацию.
После преобразования большая часть последующей обработки сигнала выполняется с помощью ППВМ-микрочипов (программируемая пользователем вентильная матрица, field-programmable gate array, FPGA). Они состоят из логических блоков, которые могут быть подключены параллельно для выполнения вычислений. Это позволило разработать сложные алгоритмы для поддержания высокого уровня шумоподавления и стабильности сигналов из космоса.
На Марс и обратно
Наземная сеть антенн Deep Space Network (DSN)
В основном спутники обеспечивают радиосвязь как ретрансляторы, однако для связи с межпланетными космическими аппаратами требуется более продвинутая система, состоящая из больших антенн, сверхмощных передатчиков и сверхчувствительных приемников.
Канал передачи данных на Землю очень узкий — например, параболическая антенна DSS (Deep Space Stations) недалеко от Мадрида принимает данные на скорости 720 Кб/сек. Конечно, марсоход передает всего 500-3200 бит в секунду по прямому каналу, однако основной канал проходит через орбитальный спутник Марса — получается около 31 Мб данных в сутки от марсохода, плюс еще данные, полученные от измерительных датчиков самого спутника.
Связь на расстоянии 55 миллионов километров поддерживает международная сеть радиотелескопов и средств связи Deep Space Network. DSN является частью NASA. В России же для связи с далекими космическими аппаратами используют знаменитый Восточный центр дальней космической связи, расположенный неподалеку от Уссурийска.
На сегодняшний день DSN объединяет три наземные базы, расположенные на трех континентах — в США, Испании и Австралии. Станции удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать зоны действия друг друга.
Спутник Mars Odyssey — самый долго действующий космический аппарат из всех, когда-либо отправленных на Марс — обменивается данными с DSN с помощью антенны с высоким коэффициентом усиления на частоте 8406 МГц. Прием данных от марсоходов ведется на УВЧ-антенну.
«Роуминг» по Солнечной системе
DSS-63
Марс — далеко не единственное место во Вселенной, с которым нам нужно поддерживать связь. Например, межпланетные зонды отправлялись к Сатурну и Титану, а Вояджер-1 вообще улетел на 20 миллиардов километров от Земли.
Чем дальше от нас улетают межпланетные станции, тем сложнее уловить их радиосигналы. Мы пока не можем по всей Солнечной системе расставить орбитальные спутники, поэтому вынуждены строить огромные параболические антенны.
Возьмём, к примеру, Мадридский комплекс дальней космической связи. Главная параболическая антенна комплекса DSS-63 имеет зеркало диаметром более 70 метров и весом 3,5 тысячи тонн. Для отслеживания зондов антенна вращается на четырех шариковых подшипниках весом в одну тонну каждый.
Антенна не только принимает сигнал, но и передает. И хотя траектория движения и вращения Земли давно посчитана и пересчитана, найти маленький объект в космосе, чтобы точно направить на него огромную антенну, — задача очень сложная.
Для поиска отдаленных объектов используется радиотриангуляция. Две наземные станции сравнивают точный угол, под которым сигнал попадает на зеркало антенны в разные промежутки времени, и таким образом вычисляется расстояние до объекта и его местоположение.
Центры дальней космической связи
Разработка в 50-х гг. первой советской межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7, оснащенной радиоуправлением, поставила перед ее создателями сложную задачу – необходимо было построить большую сеть измерительных станций, которые могли бы определять скорость и корректировать полет ракеты.
Для поддержки запусков первых спутников оборудование, первоначально созданное для испытаний баллистической ракеты, было модернизировано и размещено в научно-измерительных пунктах (НИП). С них осуществлялась передача команд на космические аппараты.
В стране построили десятки НИП. Часть измерительного оборудования разместили на специальных кораблях Военно-морского флота. Корабли участвовали в испытаниях всех типов советских МБР, искусственных спутников и автоматических межпланетных станций, обеспечивали все отработочные и штатные околоземные и лунные полёты советских космических кораблей.
После развала СССР корабли измерительного комплекса за редким исключением были уничтожены. Однако сохранились другие важные для космической связи объекты. По географическим причинам наиболее важные командно-измерительные пункты создали в Крыму (16-й НИП – Западный Центр дальней космической связи) и в Приморском крае (15-й НИП – Восточный Центр дальней космической связи известный как объект «Уссурийск»).
Западный Центр в Евпатории принимал и обрабатывал информацию с первой автоматической станции «Луна», поддерживал связь с межпланетными станциями серий «Венера», «Марс», «Эхо», управлял аппаратами во множестве других проектах.
Главный объект Центра – антенна АДУ-1000 с 8 параболическими зеркалами диаметром 16 метров.
Объект «Уссурийск» был создан в 1965 году в результате перевода Радиоэлектронной части военно-космических сил в районе села Галёнки, в 30 км к северо-западу от Уссурийска. В 1985 году здесь был построена одна из крупнейших в мире антенн – РТ-70 с диаметром зеркала 70 м (такая же антенна находится и в Крыму).
РТ-70 продолжает действовать и будет использоваться в самых перспективных разработках страны – в новой российской лунной программе, стартующей в 2019 году (проект «Луна-25»), и для единственного в мире проекта орбитальной рентгеновской астрономии на ближайшие 15 лет «Спектр-Рентген-Гамма».
Работа устройства Deep Space Optical Communication.
Сейчас на земной орбите находится около 400 коммерческих спутников связи, но в ближайшем будущем их станет гораздо больше. Компания ViaSat объявила о совместном проекте с Boeing по запуску трех спутников нового поколения, пропускная способность которых будет более 1 Тбит/сек — это больше пропускной способности всех вместе взятых работающих спутников на 2017 год.
ViaSat планирует предоставлять доступ в интернет на скорости 100 Мбит/сек по всему миру на частоте 20 ГГц, используя фазированные антенные решетки, а также многопозиционные системы передачи данных.
Компания SpaceX планирует уже в 2019 году начать запускать на орбиту более 12 000 спутников связи (в 30 раз больше всех сегодня летающих!), которые будут работать на частотах 10,7-18 ГГц и 26,5-40 ГГц.
Как вы можете себе представить, нужно обеспечить управление всей орбитальной группировкой спутников таким образом, чтобы не допустить столкновений аппаратов. Кроме того, рассматриваются проекты создания каналов связи со всеми искусственными объектами Солнечной системы. Все эти требования вынуждают инженеров ускорить развертывание новых каналов.
Межпланетные телекоммуникации в радиочастотном спектре с 1960 года увеличились на восемь порядков в пропускной способности, однако нам по-прежнему не хватает скорости для передачи изображений и видео высокой четкости, не говоря уже о коммуникации с тысячами объектов одновременно. Один из перспективных способов решения проблемы — лазерная связь.
Впервые космическая лазерная связь была испытана российскими учеными на МКС 25 января 2013 г. В том же году на аппарате Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer испытывалась система двусторонней лазерной связи между Луной и Землей. Удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/сек с аппарата на наземную станцию, и 20 Мбит/сек с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли.
Проект Laser Communications (LASERCOM) в будущем сможет решить вопрос связи в околоземном пространстве, Солнечной системе и, возможно, в межзвездных миссиях.
Лазерная связь в глубоком космосе будет проверена в ходе миссии «Психея». Зонд стартует в 2022 году, а в 2026 году достигнет металлического астероида 16 Psyche. На борту зонда будет установлено специальное оборудование Deep Space Optical Communications (DSOC) для передачи большего количества данных. DSOC должно повысить производительность и эффективность связи космических аппаратов в 10-100 раз по сравнению с обычными средствами, без увеличения массы, объема, мощности и спектра.
Ожидается, что использование лазерной связи приведет к революционным изменениям в будущих космических миссиях.
Источник