Сигуран сам да су многи од вас чули или читали о недавном Упорно слетање на Марс, а ускоро Црвену планету већ чекају арапска нада и кинески Тианвен-1. Питам се како све ове сонде преносе податке својих истраживања на Земљу? Данас ће бити речи о свемирској комуникацији.
Летови на друге планете одувек су били сан човечанства. На ову тему снимљено је доста играних и документарних филмова, који готово до детаља говоре како се одвија сам процес лета, како се осећају или ће се осећати чланови посаде, шта треба радити у таквом окружењу.
Недавно је цео свет са одушевљењем посматрао како ровер Персеверанс слеће на површину Црвене планете и прави прве слике након слетања. Већ имамо прве фотографије са ровера, који је, подсетићу, слетео на Марс 18. фебруара 2021. године, као и прву фотографију самог уређаја.
Реч је о техничким фотографијама снимљеним непосредно након слетања, фотографијама точкова, као и фотографији самог ровера приликом слетања, коју су снимиле камере постављене на ракетни модул.
Али увек сам се хватао како размишљам, како успевају да се тако брзо повежу са Земљом и пренесу снимак? Питао сам се да ли је ово истина или научна фантастика. Данас ћу покушати да поделим своја размишљања о овој теми.
Прочитајте такође: Шта ће истрајност и домишљатост на Марсу?
Колико је удаљен Марс и шта то значи?
Да вас подсетим да је Марс, у зависности од годишњег доба, удаљен отприлике 55 до 401 милион километара од Земље. Овде све зависи од случајности орбита ротације, укључујући и око Сунца. А пошто су најбржи облик комуникације електромагнетни таласи, време које је потребно за слање информација на Црвену планету биће одређено брзином светлости. Односно, ако желимо да пошаљемо команду таквом роверу или сонди, или примимо податке, мораћемо мало да сачекамо.
Машине не могу утицати на кашњење сигнала на исти начин као људи, тако да кашњење може бити до 60 мс. А за ово време радио сигнал ће путовати око 18 километара. У случају свемирских возила, негативна страна ове појаве је немогућност контролисања у реалном времену. Остаје само прелазак на аутономно деловање, а то се односи на саму Упорност и вероватно још више на хеликоптер Ингенуити, који би своју 000-дневну мисију требало да почне у наредних неколико десетина дана. Односно, са површине Марса примамо сигнал са значајним кашњењем, али савремени уређаји су га скоро минимизирали. Да, лишио нас је могућности да контролишемо уређаје са Земље, али је дао подстицај развоју још веће аутоматизације таквих уређаја.
Прочитајте такође: Топ 10 чињеница о масивним црним рупама откривеним 2020
Како је директна комуникација између Земље и мисија које раде на Марсу
Сигуран сам да ово питање занима скоро све који прате сличне мисије. Дакле, за ово је створена мрежа радио-телескопа под називом Дееп Спаце Нетворк (ДСН), која је део још веће структуре под називом СЦаН (Спаце Цоммуницатион анд Навигатион).
Овај центар повезује све предајнике и пријемнике на Земљи који се користе за комуникацију са свемирским летелицама и астронаутима у свемиру. ДСН контролише НАСА-ина Лабораторија за млазни погон.
Радио телескопи, од којих су највећи пречника до 70 метара, налазе се у близини Мадрида у Шпанији, Канбере у Аустралији и Голдстона у пустињи Мохаве у Сједињеним Државама. Овакав распоред на различитим тачкама на површини Земље минимизира ризик од прекида комуникације и омогућава повећање брзине пријема и преноса сигнала.
Занимљиво је да је Кина, да би се осамосталила од других мрежа, изградила сопствени радио-телескоп, такође величине око 70 м, којим комуницира са Тианвен-1. Између осталих, са ове орбите снимљене су и прве слике планете.
Прочитајте такође: Шта нас може спречити да колонизујемо Марс?
Постоји огромна разлика између снаге излазног и примљеног сигнала
Сада пређимо на техничке могућности ових предајника. Овде има и много занимљивих ствари. Тако знамо да предајници постављени на ове антене и усмерени на свемирске објекте имају снагу од 20 кВ у Кс-опсегу (фреквенције од 8 до око 12 ГХз) до 400 кВ (али треба имати на уму да је употреба снаге преко 100 кВ). кВ захтева подешавања у зависности од састава ваздуха и управљања саобраћајем) у С-опсегу (фреквенције око 2 до 4 ГХз, тј. слично кућном Ви-Фи или неким мобилним мрежама). Поређења ради, снага најјачих предајника базних станица 5Г је 120 вати, али је обично много мања и сноп се формира другачије него у случају преноса ка свемирским летелицама.
Приликом пријема сигнала, највеће антене ДСН мреже су у стању да ухвате сноп снаге реда 10-18 В. Такву снагу, на пример, има сигнал са Воиагера 2. Сигнали са Марса су такође приближно овог реда, с обзиром на удаљеност и ограничене енергетске ресурсе сонди.
Марс Рецоннаиссанце Орбитер (МРО) има два појачивача сигнала од 100 вати за сваки Кс-опсег, са једним резервним ако један од главних поквари. Такође има експериментални предајник који ради у Ка опсегу (фреквенције у опсегу 26-40 ГХз) који емитује на 35 вати, али само за потребе тестирања.
ДСН страница јасно показује коме или од кога се подаци тренутно шаљу или примају. Између осталог, након клика на пречицу која означава мисију, можемо видети додатне податке. Ровер Персеверанце се скраћено зове М20, а подаци долазе углавном од МРО.
Прочитајте такође: Простор на вашем рачунару: 5 најбољих програма за астрономију
Што даље у свемир, то је сигнал спорији
ДСН такође комуницира са другим сондама, али знате што су даље од Земље, то је спорија брзина преноса података. Много тога зависи и од снаге предајника на датој летелици. Воиагер 1, најудаљенији од Земље, преноси податке брзином од 160 бпс, само нешто брже од првих модема из 1950-их. Да бисте отворили веб локацију root-nation.com са овим текстом са такве дистанце, мораћете да чекате више од једног дана.
Заузврат, сигнал који доспева до сонде са Земље је много јачи, али антена Воиагера 1 је пречника само 3,7 метара, што, наравно, чини пријем сигнала много слабијим него да је у питању антена од 70 метара.
Прочитајте такође: Соларна сонда Паркер показала је ноћну страну Венере
Колико података марсова сонда или ровер преноси током своје мисије?
Мисије на Марс обично трају две базне године плус трајање продужене мисије и могу трајати више од једне деценије. Сонде и инструменти који врше визуелна посматрања захтевају највећи пропусни опсег јер су фотографије најмање мегабајти података. Сигнал може да садржи много више нумеричких података који карактеришу друга мерења, параметре атмосфере, магнетно поље, температуру итд. Стога је право време у корист свемирских сонди. Не емитују пребрзо, али то раде истрајно годинама.
Марс Рецоннаиссанце Орбитер (МРО), који фотографише Марс од 2005. године, већ је направио више од 50 орбита око планете и више од 000 фотографија које покривају 90% површине планете (од 000. године). Поред тога, преноси емисије и слике са Марсових ровера. На пример, Цуриосити је већ направио скоро милион необрађених фотографија (нису све претворене у слике којима се дивимо). Количина прикупљених података о Земљи од МРО-а приближава се 99 петабајта (процењени подаци од почетка 2017.).
Међутим, МРО је мисија оријентисана на фотографије и податке. Поређења ради, сонда Касини, која већ неколико година проучава Сатурн и његове месеце, послала је само 635 ГБ података назад на Земљу, што је укључивало 453 фотографија. Заузврат, ровер Oppoртунити, који је путовао око Марса 15 година, послао је више од 2018 фотографија назад на Земљу до 225. године (убрзо након што смо заувек изгубили контакт са њим).
Количина података послатих на Марс је много мања. Пошто се углавном ради о командама и потврдама њиховог извршења, или софтверским исправкама (које су најважније), за њихово преношење нису потребни чак ни веома моћни предајници.
Прочитајте такође: Постало је познато када ће Земљин атмосферски кисеоник нестати
Како сонда или ровер „разговара“ са Земљом?
Већ знамо како се подаци са Марса примају на Земљи, али како се комуникација покреће са уређаја на Црвеној планети? Сонде које се налазе у орбити имају повољније услове за комуникацију са Земљом и слање великих количина података. За такву комуникацију користи се најчешће помињани Кс-опсег.Ровер Персеверанце, као и Цуриосити, за комуникацију користи два предајника (мале и велике снаге) који раде на овом опсегу.
Уз њихову помоћ, ровер може самостално да „позове“ кући, али брзина преноса података са моћног предајника је максимално 800 бпс када сигнал прима 70-метарска антена, односно 160 бпс када је 34-метарска антена. Предајник мале снаге је само последње решење јер има само 10-битни канал за пренос и 30-битни канал за пријем података.
Стога се данас ровери Цуриосити и Персеранце обично прво повезују у УХФ опсегу са својом „базном станицом“ у орбити Марса – сонде које имају много веће антене за пренос. За ово се користе МРО, МАВЕН (Марс Атмоспхериц анд Волатиле ЕволутионН), Марс Одиссеи и Еуропеан Марс Екпресс и ТГО (Траце Гас Орбитер). Они формирају мрежу под називом МРН (Марс Релаи Нетворк).
Пре него што је успостављена таква релејна мрежа, свемирске летелице као што су Викинг 1 и 2 морале су да се ослањају на орбите пратиоца. За директну комуникацију са Земљом коришћени су предајници од 20 В и С-опсег, комуникација се одвијала на фреквенцији од 381 МХз (УХФ опсег), слично данашњим роверима.
Прочитајте такође: Црев Драгон није једини: који ће бродови отићи у свемир у наредним годинама
Која је максимална брзина комуникације Марс-Земља?
Овде има много нијанси. Дакле, Персеранце прво шаље слике и друге податке у орбиталне сонде на 400 МХз користећи антену која се налази на задњем делу ровера, поред екрана радиоизотопног термоелектричног генератора. Пропусност комуникационе линије од површине до орбите Црвене планете је до 2 Мбит/с. Ефикасност везе са орбитом Марса зависи од његове удаљености од Земље, а ово, као што знате, веома варира.
Максимална брзина везе варира од 500 кбпс када је Марс најудаљенији од Земље до више од 3 Мбпс када је Марс најближи нашој планети. Обично се користе 34м ДСН антене, око 8 сати дневно. То, међутим, не значи да је пренос увек максималном брзином која се може видети из података ДСН антена.
Постоји и могућност да се успостави директна веза између Земље и уређаја који се налазе на површини Марса, заобилазећи сонде које се налазе у орбити планете. Али такве везе се могу успоставити само у хитним ситуацијама или да се шаљу само једноставне контролне команде. Таква ограничења су због чињенице да је пропусни опсег сигнала Марсу са орбите планете 3-4 пута већи него код директног преноса са Земље на површину Марса. За такву комуникацију користе се антене које раде у Кс опсегу, како на Земљи тако и на роверу.
Али постоје и прекиди у комуникацији, на које данас не можемо утицати. Њихов узрок је Сунце. Само Сунце може да омета пренос података сонди које пролазе у његовој близини, јер се Црвена планета с времена на време једноставно сакрије од нас. А пошто још увек немамо добро развијену комуникациону мрежу у Сунчевом систему, Марсу је потребно око 10 дана да прође поред соларног диска сваке две године. У овом периоду комуникација са роверима и сондама је потпуно одсутна.
Понекад нема другог излаза, морате се трудити и чекати податке данима или чак месецима
На срећу, у случају мисија на Марс, научници до сада нису имали такве проблеме. Али ако се неко од вас сећа сонде Галилео из 1990-их, зна да је тада било великих проблема са контролом на земљи. Предајна антена сонде била је само делимично распоређена, тако да није могла да постигне предвиђени пропусни опсег од 134 кбпс. Научници су морали да развију нове методе компресије података како не би изгубили контакт са сондом. Успели су да повећају перформансе друге антене са малим појачањем са 8-16 бпс (да, битова у секунди) на 160 бпс, а затим на око 1 кбит/с. Било је то још врло мало, али се испоставило да је довољно да се спаси мисија.
С друге стране, веома удаљене свемирске летелице морају бити опремљене веома моћним предајним антенама и изворима енергије јер пренос траје дуго. Од сонде Нев Хоризонс, чија предајна антена има снагу од 12 В, након њеног прелета у близини Плутона, научници су месецима чекали на комплетан сет пренетих података.
Може ли се овај проблем решити? Да, могуће је, али за то морамо изградити комуникационе мреже у целом соларном систему, али за то је потребно много времена и, наравно, огромне финансијске инфузије.
Шта можемо очекивати следеће?
Сигуран сам да нас чека много занимљивих информација са површине Марса и шире. Човечанство је жељно да побегне са Земље и истражи удаљене планете и друге соларне системе. Можда ће за неколико деценија овај мој чланак измамити осмех само школарцима на Марсу или негде у Алфа Кентаури. Можда ће тада човечанство тако лако и једноставно као што смо сада од Кијева до Њујорка летети на друге планете. У једно сам сигуран, немогуће је зауставити жељу човечанства за истраживањем свемира!
Такође занимљиво: