Olen kindel, et paljud teist on viimasest kuulnud või lugenud Visadus maandumine Marsile, ja peagi ootab Punane planeet juba araabia lootust ja hiinlast Tianwen-1. Huvitav, kuidas kõik need sondid oma uuringute andmeid Maale edastavad? Täna tuleb juttu kosmosekommunikatsioonist.
Lennud teistele planeetidele on alati olnud inimkonna unistus. Sellel teemal on filmitud palju mängu- ja dokumentaalfilme, mis räägivad peaaegu üksikasjalikult, kuidas lennuprotsess ise toimub, kuidas meeskonnaliikmed end tunnevad või tunnevad, mida sellises keskkonnas teha tuleks.
Hiljuti jälgis kogu maailm vaimustusega, kuidas Perseverance kulgur Punase Planeedi pinnale maandus ja pärast maandumist esimesi pilte tegi. Meil on juba esimesed fotod kulgurist, mis, ma tuletan meelde, maandus Marsile 18. veebruaril 2021, samuti esimene foto seadmest endast.
Need on kohe pärast maandumist tehtud tehnilised fotod, fotod ratastest, aga ka foto kulgurist endast maandumisel, mis on tehtud raketimoodulile paigaldatud kaameratega.
Kuid ma tabasin end alati mõtlemast, kuidas nad suudavad nii kiiresti Maaga ühenduse luua ja kaadrit edastada? Mõtlesin, kas see on tõsi või ulme. Täna püüan jagada oma mõtteid sellel teemal.
Loe ka: Mida teevad sihikindlus ja leidlikkus Marsil?
Kui kaugel on Marss ja mida see tähendab?
Tuletan meelde, et olenevalt aastaajast asub Marss Maast ligikaudu 55–401 miljoni kilomeetri kaugusel. Siin sõltub kõik pöörlemisorbiitide kokkulangemisest, sealhulgas ümber Päikese. Ja kuna kiireim suhtlusvorm on elektromagnetlained, määrab Punasele planeedile teabe saatmiseks kuluva aja valguse kiirus. See tähendab, et kui tahame sellisele kulgurile või sondile käsu saata või andmeid vastu võtta, peame natuke ootama.
Masinad ei saa signaali viivitusi mõjutada samamoodi nagu inimesed, seega võib viivitus olla kuni 60 ms. Ja selle aja jooksul läbib raadiosignaal umbes 18 000 kilomeetrit. Kosmosesõidukite puhul on selle nähtuse negatiivne külg nende reaalajas juhtimise võimatus. Jääb vaid üleminek autonoomsele tööle ja see kehtib Perseverance’i enda ja ilmselt veelgi enam Ingenuity helikopteri kohta, mis peaks järgmise paarikümne päeva jooksul alustama oma 30-päevast missiooni. See tähendab, et Marsi pinnalt saame signaali märkimisväärse viivitusega, kuid kaasaegsed seadmed on selle peaaegu minimeerinud. Jah, see võttis meilt võimaluse juhtida seadmeid Maalt, kuid see andis tõuke selliste seadmete veelgi suurema automatiseerimise arendamiseks.
Loe ka: 10 parimat fakti 2020. aastal avastatud massiivsete mustade aukude kohta
Kuidas toimub otsesuhtlus Maa ja Marsil tegutsevate missioonide vahel
Olen kindel, et see küsimus huvitab peaaegu kõiki, kes järgivad sarnaseid missioone. Nii loodi selleks raadioteleskoopide võrk nimega Deep Space Network (DSN), mis on osa veelgi suuremast struktuurist nimega SCaN (Space Communication and Navigation).
See keskus ühendab kõik Maa saatjad ja vastuvõtjad, mida kasutatakse kosmoselaevade ja astronautidega kosmoses suhtlemiseks. DSN-i kontrollib NASA Jet Propulsion Laboratory.
Raadioteleskoobid, millest suurimad on kuni 70-meetrise läbimõõduga, asuvad Hispaanias Madridi lähedal, Austraalias Canberras ja USA-s Mojave kõrbes Goldstone'i lähedal. Selline paigutus Maa pinna eri punktides minimeerib sidekatkestuste riski ning võimaldab suurendada signaali vastuvõtu ja edastamise kiirust.
Huvitav on see, et Hiina ehitas teistest võrkudest sõltumatuks saamiseks oma, samuti umbes 70 m suuruse raadioteleskoobi, millega suhtleb Tianwen-1-ga. Teiste seas tehti sellelt orbiidilt ka esimesed pildid planeedist.
Loe ka: Mis võib takistada meil Marsi koloniseerimast?
Väljund- ja vastuvõetud signaali võimsuse vahel on tohutu erinevus
Liigume nüüd edasi nende saatjate tehniliste võimaluste juurde. Siin on ka palju huvitavat. Seega teame, et nendele antennidele paigaldatud ja kosmoseobjektidele suunatud saatjate võimsus on X-ribas 20 kW (sagedused 8 kuni umbes 12 GHz) kuni 400 kW (aga tuleb meeles pidada, et võimsuse kasutamine üle 100 kW vajab reguleerimist olenevalt õhu koostisest ja liikluskorraldusest) S-ribas (sagedused umbes 2–4 GHz, st sarnased kodusele Wi-Fi-le või mõnele mobiilsidevõrgule). Võrdluseks võib tuua, et tugevaimate 5G tugijaama saatjate võimsus on 120 vatti, kuid see on tavaliselt palju väiksem ja kiir moodustub teistmoodi kui kosmoseaparaatidele edastatavatel ülekandetel.
Signaali vastuvõtmisel on DSN-võrgu suurimad antennid võimelised püüdma kiirt võimsusega 10-18 W. Sellise võimsusega on näiteks signaal Voyager 2-lt. Ka Marsi signaalid on sondide kaugust ja piiratud energiaressursse arvestades ligikaudu seda suurust.
Mars Reconnaissance Orbiteril (MRO) on iga X-riba jaoks kaks 100-vatist signaalivõimendit, ühe varukoopiaga, kui üks peamistest ebaõnnestub. Sellel on ka eksperimentaalne saatja, mis töötab Ka sagedusalas (sagedused vahemikus 26-40 GHz), mis edastab 35 vatti, kuid ainult testimise eesmärgil.
DSN leht näitab selgelt, kellele või kellelt andmeid parajasti saadetakse või vastu võetakse. Muuhulgas näeme peale missiooni tähistaval otseteel klõpsamist lisaandmeid. Perseverance roverit nimetatakse lühidalt M20 ja andmed pärinevad peamiselt MRO-st.
Loe ka: Ruumi teie arvutis: 5 parimat astronoomiaprogrammi
Mida kaugemale kosmosesse, seda aeglasem on signaal
DSN suhtleb ka teiste sondidega, kuid teate, mida kaugemal nad Maast on, seda aeglasem on andmeedastuskiirus. Palju oleneb ka antud kosmoselaeva saatja võimsusest. Maast kõige kaugemal asuv Voyager 1 edastab andmeid kiirusega 160 bps, mis on vaid veidi kiirem kui 1950. aastate esimesed modemid. Veebisaidi avamiseks root-nation.com selle tekstiga nii kaugelt peate ootama rohkem kui päeva.
Maalt sondini jõudev signaal on omakorda palju tugevam, kuid Voyager 1 antenni läbimõõt on vaid 3,7 meetrit, mis muidugi muudab signaali vastuvõtu palju nõrgemaks, kui see oleks 70-meetrine antenn.
Loe ka: Parker Solar Probe näitas Veenuse öist külge
Kui palju andmeid Marsi sond või kulgur oma missiooni ajal edastab?
Marsi missioonid võtavad tavaliselt kaks baasaastat pluss pikendatud missiooni kestus ja võivad kesta üle kümne aasta. Visuaalseid vaatlusi teostavad sondid ja instrumendid nõuavad kõige suuremat ribalaiust, kuna fotod on vähemalt megabaidid andmed. Signaal võib sisaldada palju rohkem muid mõõtmisi iseloomustavaid arvandmeid, atmosfääri parameetreid, magnetvälja, temperatuuri jne. Seetõttu on õige aeg kosmosesondide kasuks. Nad ei edasta liiga kiiresti, kuid teevad seda järjekindlalt aastaid.
Alates 2005. aastast Marsi pildistanud Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) on teinud juba üle 50 000 tiiru ümber planeedi ja üle 90 000 foto, mis katavad 99% planeedi pinnast (2017. aasta seisuga). Lisaks edastab see ülekandeid ja pilte Marsi kulguritelt. Näiteks Curiosity on teinud juba ligi miljon toorfotot (kõigist pole saanud pilte, mida me imetleme). MRO-st Maa peal kogutud andmete hulk läheneb 0,5 petabaidile (hinnangulised andmed 2021. aasta alguse seisuga).
MRO on aga fotodele ja andmetele orienteeritud missioon. Võrdluseks, mitu aastat Saturni ja selle kuude uurimisega tegelenud Cassini sond saatis Maale tagasi vaid 635 GB andmeid, mis sisaldasid 453 000 fotot. Omakorda kulgur Oppo15 aastat ümber Marsi reisinud rtunity saatis 2018. aastaks (varsti pärast seda, kui me sellega igaveseks kontakti kaotasime) Maale tagasi enam kui 225 000 fotot.
Marsile saadetavate andmete hulk on palju väiksem. Kuna need on peamiselt käsklused ja nende täitmise kinnitused või tarkvaraparandused (mis on kõige olulisemad), ei ole nende edastamiseks vaja isegi väga võimsaid saatjaid.
Loe ka: Sai teada, millal saab Maa õhuhapnik otsa
Kuidas sond või kulgur Maaga "räägib"?
Me juba teame, kuidas Marsi andmeid Maal vastu võetakse, kuid kuidas algatatakse side Punasel planeedil asuvatest seadmetest? Orbiidil olevatel sondidel on Maaga suhtlemiseks ja suurte andmemahtude saatmiseks soodsamad tingimused. Selliseks suhtluseks kasutatakse kõige sagedamini mainitud X-riba, Perseverance rover kasutab sarnaselt Curiosityga sidepidamiseks kahte sellel ribal töötavat saatjat (madala ja suure võimsusega).
Nende abiga saab kulgur iseseisvalt koju "helistada", kuid andmeedastuskiirus võimsalt saatjalt on maksimaalselt 800 bps, kui signaali võtab vastu 70-meetrine antenn, või 160 bps, kui tegemist on 34-meetrise antenniga. antenn. Madala võimsusega saatja on ainult viimane abinõu, kuna sellel on ainult 10-bitine kanal andmete edastamiseks ja 30-bitine kanal andmete vastuvõtmiseks.
Seetõttu ühendavad tänapäeval kulgurid Curiosity ja Perserance tavaliselt esmalt UHF-i levialas oma Marsi orbiidil asuva "baasjaamaga" - sondidega, millel on palju suuremad saateantennid. Selleks kasutatakse MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey ja European Mars Express ja TGO (Trace Gas Orbiter). Nad moodustavad võrgu nimega MRN (Mars Relay Network).
Enne sellise releevõrgu loomist pidid kosmoseaparaadid, nagu Viking 1 ja 2, toetuma kaaslaste orbiitidele. Maaga vahetuks sidepidamiseks kasutati 20 W saatjaid ja S-riba, side toimus sarnaselt tänapäeva kulguritele sagedusel 381 MHz (UHF band).
Loe ka: Crew Dragon pole ainuke: millised laevad lähiaastatel kosmosesse lähevad
Mis on Marsi-Maa side maksimaalne kiirus?
Siin on palju nüansse. Niisiis saadab Perserance esmalt pildid ja muud andmed orbiidil olevatele sondidele sagedusel 400 MHz, kasutades antenni, mis asub kulguri tagaosas, radioisotoobi termoelektrilise generaatori ekraani kõrval. Sideliini ribalaius maapinnalt Punase Planeedi orbiidile on kuni 2 Mbit/s. Marsi orbiidiga ühenduse tõhusus sõltub selle kaugusest Maast ja see, nagu teate, on väga erinev.
Maksimaalne ühenduse kiirus varieerub 500 kbps-st, kui Marss on Maast kõige kaugemal, kuni rohkem kui 3 Mbps-ni, kui Marss on meie planeedile kõige lähemal. Tavaliselt kasutatakse 34 m DSN antenne, umbes 8 tundi päevas. See aga ei tähenda, et ülekanne oleks alati maksimaalsel kiirusel, mis DSN-antennide andmetest näha on.
Samuti on võimalus luua otseühendus Maa ja Marsi pinnal olevate seadmete vahel, jättes mööda planeedi orbiidil olevatest sondidest. Kuid selliseid ühendusi saab luua ainult hädaolukordades või ainult lihtsate juhtkäskude saatmiseks. Sellised piirangud on tingitud asjaolust, et planeedi orbiidilt Marsile suunduva signaali ribalaius on 3–4 korda suurem kui otseülekande korral Maalt Marsi pinnale. Selliseks suhtluseks kasutatakse nii Maal kui ka kulguril X-ribas töötavaid antenne.
Aga suhtlemises on ka katkestusi, mida me täna mõjutada ei saa. Nende põhjus on päike. Päike ise võib segada tema lähedalt mööduvate sondide andmete edastamist, sest Punane planeet lihtsalt varjab end aeg-ajalt meie eest. Ja kuna meil pole päikesesüsteemis veel hästi arenenud sidevõrku, kulub Marsil iga kahe aasta tagant päikesekettast mööda libisemiseks umbes 10 päeva. Just sel perioodil puudub side kulguritega ja sondidega täielikult.
Vahel polegi muud väljapääsu, tuleb kõvasti tööd teha ja andmeid oodata päevi või isegi kuid
Marsi-missioonide puhul pole teadlastel seni selliseid probleeme olnud. Aga kui keegi teist mäletab 1990. aastate Galileo sondi, siis teate, et maapealse juhtimisega oli siis suuri probleeme. Sondi saateantenn oli ainult osaliselt kasutusele võetud, mistõttu see ei suutnud saavutada kavandatud ribalaiust 134 kbps. Teadlased pidid välja töötama uued andmete tihendamise meetodid, et mitte kaotada kontakti sondiga. Nad suutsid tõsta teise väikese võimendusega antenni jõudlust 8-16 bps-lt (jah, bitti sekundis) 160 bps-ni ja seejärel umbes 1 kbit/s-ni. Seda oli ikka väga vähe, kuid osutus missiooni päästmiseks piisavaks.
Teisest küljest peavad väga kaugel asuvad kosmoselaevad olema varustatud väga võimsate saateantennide ja jõuallikatega, sest edastamine võtab kaua aega. New Horizonsi sondilt, mille saateantenni võimsus on 12 W, ootasid teadlased pärast Pluuto lähedalt möödalendu kuude kaupa edastatud andmete täielikku komplekti.
Kas seda probleemi saab lahendada? Jah, see on võimalik, kuid selleks peame ehitama sidevõrgud kogu päikesesüsteemis, kuid see nõuab palju aega ja loomulikult tohutuid rahalisi sissemakseid.
Mida on meil järgmisena oodata?
Olen kindel, et Marsi pinnalt ja kaugemalt on meid ees ootamas palju huvitavat infot. Inimkond tahab innukalt Maast välja murda ning kaugeid planeete ja teisi päikesesüsteeme uurida. Võib-olla paneb see minu artikkel mõne aastakümne pärast naeratama vaid koolilapsi Marsil või kusagil Alfa Centauris. Ehk lendab siis inimkond teistele planeetidele sama lihtsalt ja lihtsalt nagu me praegu Kiievist New Yorki. Ühes olen kindel, et inimkonna soovi kosmost uurida on võimatu peatada!
Huvitav ka: