Жақында болған оқиға туралы көпшілігіңіз естіген немесе оқығаныңызға сенімдімін Марсқа табандылық қонуы, және көп ұзамай Қызыл планета қазірдің өзінде Араб үміті мен қытайлық Тяньвэн-1 күтуде. Қызық, бұл зондтардың барлығы өз зерттеулерінің деректерін Жерге қалай жеткізеді? Ғарыштық байланыс бүгін талқыланады.
Басқа планеталарға ұшу адамзаттың әрқашан арманы болған. Бұл тақырыпта көптеген көркем және деректі фильмдер түсірілді, олар ұшу процесінің өзі қалай өтетінін, экипаж мүшелерінің қалай сезінетінін немесе сезінетінін, мұндай ортада не істеу керектігін егжей-тегжейлі сипаттайды.
Жақында бүкіл әлем «Персверанс» роверінің Қызыл ғаламшардың бетіне қонып, қонғаннан кейінгі алғашқы суреттерін түсіргенін қуанышпен тамашалады. Бізде қазірдің өзінде 18 жылдың 2021 ақпанында Марсқа қонған ровердің алғашқы фотосуреттері, сондай-ақ құрылғының алғашқы фотосы бар.
Бұл қонғаннан кейін бірден түсірілген техникалық фотосуреттер, дөңгелектердің фотосуреттері, сондай-ақ зымыран модуліне орнатылған камералар түсірген қону кезіндегі ровердің өзінің фотосы.
Бірақ мен әрқашан өзімді ойладым, олар Жерге қалай тез қосылып, кадрларды жібере алады? Бұл шындық па, әлде ғылыми фантастика ма деп ойладым. Бүгін мен осы тақырып бойынша өз ойымды бөлісуге тырысамын.
Сондай-ақ оқыңыз: Табандылық пен Тапқырлық Марста не істейді?
Марс қаншалықты алыс және бұл нені білдіреді?
Еске сала кетейін, Марс жыл мезгіліне байланысты Жерден шамамен 55-401 миллион шақырым қашықтықта орналасқан. Мұнда бәрі айналу орбиталарының, соның ішінде Күннің айналасында сәйкес келуіне байланысты. Ал байланыстың ең жылдам түрі электромагниттік толқындар болғандықтан, Қызыл ғаламшарға ақпарат жіберуге кететін уақыт жарық жылдамдығымен анықталады. Яғни, егер біз осындай роверге немесе зондқа команда жібергіміз келсе немесе деректерді алғымыз келсе, біз аз күтуіміз керек.
Машиналар сигнал кідірістеріне адамдар сияқты әсер ете алмайды, сондықтан кідіріс 60 мс дейін болуы мүмкін. Ал осы уақыт ішінде радиосигнал шамамен 18 000 шақырым жол жүреді. Ғарыштық аппараттар жағдайында бұл құбылыстың жағымсыз жағы оларды нақты уақытта басқарудың мүмкін еместігі болып табылады. Қалған жалғыз нәрсе - автономды жұмыс режиміне көшу, және бұл табандылықтың өзіне және одан да көп Ingenuity тікұшағына қатысты, ол 30 күндік миссиясын алдағы бірнеше ондаған күнде бастауы керек. Яғни, Марс бетінен біз айтарлықтай кідіріспен сигнал аламыз, бірақ заманауи құрылғылар оны барынша азайтты. Иә, бұл бізді Жерден құрылғыларды басқару мүмкіндігінен айырды, бірақ мұндай құрылғыларды одан да үлкен автоматтандыруды дамытуға серпін берді.
Сондай-ақ оқыңыз: 10 жылы табылған үлкен қара тесіктер туралы 2020 негізгі факт
Жер мен Марста жұмыс істейтін миссиялар арасындағы тікелей байланыс қалай
Бұл сұрақ ұқсас миссияларды орындайтындардың барлығын дерлік қызықтыратынына сенімдімін. Осылайша, бұл үшін SCaN (Ғарыштық байланыс және навигация) деп аталатын одан да үлкен құрылымның бөлігі болып табылатын Deep Space Network (DSN) деп аталатын радиотелескоптар желісі құрылды.
Бұл орталық ғарыштағы ғарыш аппараттарымен және ғарышкерлермен байланыс үшін пайдаланылатын жердегі барлық таратқыштар мен қабылдағыштарды байланыстырады. DSN NASA реактивті қозғалыс зертханасы басқарады.
Ең үлкені диаметрі 70 метрге жететін радиотелескоптар Испаниядағы Мадридке, Австралиядағы Канберраға және АҚШ-тағы Мохаве шөліндегі Голдстоунға жақын жерде орналасқан. Жер бетінің әртүрлі нүктелеріндегі мұндай орналасу байланыс үзілу қаупін азайтады және сигналды қабылдау мен беру жылдамдығын арттыруға мүмкіндік береді.
Бір қызығы, Қытай басқа желілерден тәуелсіз болу үшін Тяньвэн-70-мен байланысатын өзінің өлшемі 1 м-ге жуық радиотелескоп құрды. Басқалардың арасында планетаның алғашқы суреттері осы орбитадан түсірілген.
Сондай-ақ оқыңыз: Марсты отарлауымызға не кедергі болады?
Шығыс пен қабылданған сигнал қуатының арасында үлкен айырмашылық бар
Енді осы таратқыштардың техникалық мүмкіндіктеріне көшейік. Мұнда да көптеген қызықты нәрселер бар. Осылайша, біз осы антенналарға орнатылған және ғарыштық объектілерге бағытталған таратқыштардың X диапазонында 20 кВт-тан (8-ден шамамен 12 ГГц-ке дейінгі жиіліктер) 400 кВт-қа дейінгі қуатқа ие екенін білеміз (бірақ 100-ден астам қуатты пайдалануды есте ұстаған жөн. кВт ауаның құрамы мен трафикті басқаруға байланысты S-диапазонында (шамамен 2-ден 4 ГГц-ке дейінгі жиіліктер, яғни үйдегі Wi-Fi немесе кейбір ұялы желілерге ұқсас) реттеулерді қажет етеді. Салыстыру үшін, ең күшті 5G базалық станция таратқыштарының қуаты 120 Вт құрайды, бірақ ол әдетте әлдеқайда төмен және сәуле ғарыш аппараттарына берілістерге қарағанда басқаша қалыптасады.
Сигнал алған кезде DSN желісінің ең үлкен антенналары 10-18 Вт қуаты бар сәулені ұстай алады. Мұндай қуат, мысалы, Voyager 2 сигналына ие. Зондтардың қашықтығы мен шектеулі энергетикалық ресурстарын ескере отырып, Марс сигналдары да шамамен осы тәртіпте.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) әрбір X диапазоны үшін екі 100 ватт сигнал күшейткіші бар, егер негізгілерінің бірі сәтсіз болса, бір резервтік көшірме бар. Сондай-ақ оның Ka диапазонында (26-40 ГГц диапазонындағы жиіліктер) жұмыс істейтін эксперименталды таратқышы бар, ол 35 Вт-та таратады, бірақ тек сынақ мақсатында.
DSN беті деректердің кімге немесе кімнен жіберілетінін немесе қабылданатынын анық көрсетеді. Басқа нәрселермен қатар, миссияны көрсететін таңбашаны басқаннан кейін біз қосымша деректерді көре аламыз. Perseverance ровері қысқаша M20 деп аталады және деректер негізінен MRO-дан келеді.
Сондай-ақ оқыңыз: Компьютердегі кеңістік: астрономияға арналған ең жақсы 5 бағдарлама
Кеңістікте неғұрлым алыс болса, сигнал соғұрлым баяу болады
DSN басқа зондтармен де байланысады, бірақ олар Жерден қаншалықты алыс болса, деректер жылдамдығы соғұрлым баяу болатынын білесіз. Берілген ғарыш аппаратындағы таратқыштың қуатына да көп нәрсе байланысты. Voyager 1, Жерден ең алыс, деректерді 160 бит/с жылдамдықпен жібереді, бұл 1950 жылдардағы алғашқы модемдерден сәл ғана жылдамырақ. Веб-сайт ашу үшін root-nation.com мұндай қашықтықтан бұл мәтінмен бір күннен артық күтуге тура келеді.
Өз кезегінде, Жерден зондқа жеткен сигнал әлдеқайда күшті, бірақ Voyager 1 антеннасының диаметрі небәрі 3,7 метр, бұл, әрине, сигналды қабылдауды 70 метрлік антеннаға қарағанда әлдеқайда әлсіз етеді.
Сондай-ақ оқыңыз: Parker Solar Probe Венераның түнгі жағын көрсетті
Марс зонды немесе ровер миссиясы кезінде қанша деректерді жібереді?
Марс миссиялары әдетте екі негізгі жылды және ұзартылған миссияның ұзақтығын алады және он жылдан астам уақытқа созылуы мүмкін. Көрнекі бақылауларды орындайтын зондтар мен аспаптар ең көп өткізу қабілеттілігін қажет етеді, себебі фотосуреттер деректердің кем дегенде мегабайтын құрайды. Сигнал басқа өлшемдерді, атмосфераның параметрлерін, магнит өрісін, температураны және т.б. сипаттайтын әлдеқайда көп сандық деректерді қамтуы мүмкін. Сондықтан ғарыштық зондтардың пайдасына уақыт дұрыс. Олар тым жылдам хабар таратпайды, бірақ оны жылдар бойы табанды түрде жасайды.
2005 жылдан бері Марсты суретке түсірумен айналысатын Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) қазірдің өзінде планетаның айналасында 50 000-нан астам орбитаға және планета бетінің 90% қамтитын 000 99-нан астам фотосуретке түсірді (2017 жыл бойынша). Бұған қоса, ол Марс роверлерінен хабарлар мен суреттерді жібереді. Мысалы, Curiosity қазірдің өзінде миллионға жуық өңделмеген фотосуреттерді түсірді (олардың барлығы біз таңданатын суреттерге айналған жоқ). Жердегі MRO-дан жиналған деректер көлемі 0,5 петабайтқа жақындады (2021 жылдың басындағы болжамды деректер).
Дегенмен, MRO - фото және деректерге бағытталған миссия. Салыстыру үшін, бірнеше жыл бойы Сатурн мен оның серіктерін зерттеген Кассини зонды Жерге небәрі 635 ГБ деректерді жіберді, оның ішінде 453 000 фотосурет бар. Өз кезегінде, ровер OppoМарсты 15 жыл бойы айналып өткен rtunity 2018 жылға қарай Жерге 225 000-нан астам фотосурет жіберді (біз онымен мәңгілік байланысын үзгеннен кейін көп ұзамай).
Марсқа жіберілетін деректер көлемі әлдеқайда аз. Бұл негізінен командалар мен олардың орындалуын растау немесе бағдарламалық құралды түзету (олар ең маңыздысы) болғандықтан, оларды жіберу үшін тіпті өте қуатты таратқыштар қажет емес.
Сондай-ақ оқыңыз: Жердегі атмосфералық оттегінің қашан таусылатыны белгілі болды
Зонд немесе ровер Жермен қалай «сөйлейді»?
Біз Марстан деректердің Жерге қалай түсетінін білеміз, бірақ Қызыл планетадағы құрылғылардан байланыс қалай басталады? Орбитада орналасқан зондтардың Жермен байланысы және үлкен көлемдегі мәліметтерді жіберуі үшін қолайлы жағдайлар бар. Мұндай байланыс үшін ең жиі айтылған X-диапазоны пайдаланылады.Perseverance ровері Curiosity сияқты байланыс үшін осы диапазонда жұмыс істейтін екі таратқышты (төмен және жоғары қуатты) пайдаланады.
Олардың көмегімен ровер үйге өз бетінше «қоңырау шалуы» мүмкін, бірақ қуатты таратқыштан деректерді беру жылдамдығы сигналды 800 метрлік антенна қабылдаған кезде максимум 70 бит/с немесе 160 метрлік болғанда 34 бит/с құрайды. антенна. Төмен қуатты таратқыш тек соңғы шара болып табылады, өйткені оның тек жіберуге арналған 10 биттік арнасы және деректерді қабылдауға арналған 30 биттік арнасы бар.
Сондықтан бүгінгі күні Curiosity және Perserance роверлері әдетте UHF диапазонында Марс орбитасындағы өздерінің «базалық станциясына» - әлдеқайда үлкен таратқыш антенналары бар зондтарға қосылады. Бұл үшін MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Loatile EvolutioN), Mars Odyssey және European Mars Express және TGO (Trace Gas Orbiter) қолданылады. Олар MRN (Mars Relay Network) деп аталатын желіні құрайды.
Мұндай релелік желі құрылмай тұрып, Viking 1 және 2 сияқты ғарыш аппараттары серіктес орбиталарға сенуге мәжбүр болды. Жермен тікелей байланыс үшін 20 Вт таратқыштар мен S-диапазондары қолданылды, байланыс бүгінгі роверлерге ұқсас 381 МГц (UHF диапазоны) жиілігінде жүзеге асырылды.
Сондай-ақ оқыңыз: Crew Dragon жалғыз емес: қай кемелер алдағы жылдары ғарышқа шығады
Марс-Жер байланысының максималды жылдамдығы қандай?
Мұнда көптеген нюанстар бар. Осылайша, Perserance алдымен радиоизотопты термоэлектрлік генератор экранының жанында ровердің артқы жағында орналасқан антеннаның көмегімен 400 МГц жиілікте орбиталық зондтарға кескіндер мен басқа деректерді жібереді. Қызыл ғаламшардың жер бетінен орбитасына дейінгі байланыс желісінің өткізу қабілеттілігі 2 Мбит/с дейін. Марстың орбитасымен байланысының тиімділігі оның Жерден қашықтығына байланысты және бұл, өзіңіз білетіндей, кең ауқымда өзгереді.
Ең жоғары қосылу жылдамдығы Марс Жерден ең алыс болғанда 500 кбит/с-тан, Марс планетамызға ең жақын болғанда 3 Мбит/с-тан астамға дейін өзгереді. Әдетте күніне шамамен 34 сағат бойы 8 м DSN антенналары пайдаланылады. Дегенмен, бұл беру әрқашан DSN антенналарының деректерінен көрінетін максималды жылдамдықта болады дегенді білдірмейді.
Сондай-ақ планетаның орбитасында орналасқан зондтарды айналып өтіп, Жер мен Марс бетіндегі құрылғылар арасында тікелей байланыс орнату мүмкіндігі бар. Бірақ мұндай қосылымдарды тек төтенше жағдайларда немесе қарапайым басқару командаларын жіберу үшін ғана жасауға болады. Мұндай шектеулер планетаның орбитасынан Марсқа сигналдың өткізу қабілеттілігінің Жерден Марс бетіне тікелей берілуімен салыстырғанда 3-4 есе көп болуына байланысты. Мұндай байланыс үшін X диапазонында жұмыс істейтін антенналар Жерде де, роверде де қолданылады.
Бірақ қарым-қатынаста үзілістер де бар, біз бүгін оларға әсер ете алмаймыз. Олардың себебі - Күн. Күннің өзі оның жанынан өтетін зондтардан мәліметтерді жіберуге кедергі келтіруі мүмкін, өйткені Қызыл ғаламшар бізден анда-санда жасырынып тұрады. Күн жүйесінде әлі жақсы дамыған байланыс желісі болмағандықтан, Марс екі жыл сайын күн дискісінен өтіп кету үшін шамамен 10 күнді алады. Дәл осы кезеңде роверлер мен зондтармен байланыс мүлдем болмайды.
Кейде басқа амал жоқ, көп жұмыс істеп, деректерді күндер, тіпті айлар бойы күтуге тура келеді
Бақытымызға орай, Марстағы миссиялар жағдайында ғалымдар әлі күнге дейін мұндай проблемаларға тап болған жоқ. Бірақ егер сіздердің біреулеріңіз 1990 жылдардағы Галилео зонды естеріңізде болса, онда жерді басқаруда үлкен проблемалар болғанын білесіздер. Зондтың жіберу антеннасы тек ішінара орналастырылған, сондықтан ол жоспарланған өткізу қабілеттілігіне 134 кбит/с жете алмады. Ғалымдар зондпен байланысын жоғалтпау үшін деректерді қысудың жаңа әдістерін әзірлеуге мәжбүр болды. Олар екінші төмен кірісті антеннаның өнімділігін 8-16 бит/с (иә, секундына бит) 160 бит/с дейін, содан кейін шамамен 1 кбит/с дейін арттыра алды. Бұл әлі өте аз болды, бірақ миссияны сақтау үшін жеткілікті болды.
Екінші жағынан, өте алыс ғарыш аппараттары өте қуатты таратқыш антенналармен және қуат көздерімен жабдықталуы керек, өйткені беріліс ұзақ уақыт алады. Таратушы антеннасының қуаты 12 Вт болатын «Жаңа көкжиектер» зондынан ғалымдар Плутонға жақын жерде ұшып өткеннен кейін жіберілген деректердің толық жиынтығын бірнеше ай күтті.
Бұл мәселені шешуге бола ма? Иә, бұл мүмкін, бірақ ол үшін бүкіл күн жүйесінде байланыс желілерін құру керек, бірақ бұл көп уақытты және, әрине, үлкен қаржылық құюды талап етеді.
Бұдан әрі не күтуге болады?
Бізді Марс бетінен және одан тыс жерлерде көптеген қызықты ақпарат күтіп тұрғанына сенімдімін. Адамзат Жерден шығып, алыстағы планеталар мен басқа да күн жүйелерін зерттеуге құштар. Мүмкін, бірнеше онжылдықтардан кейін менің бұл мақалам Марстағы немесе Альфа Центавридің бір жеріндегі мектеп оқушыларын күлдіретін шығар. Бәлкім, ол кезде адамзат қазір Киевтен Нью-Йоркке дейін басқа планеталарға оңай әрі оңай ұшатын шығар. Мен бір нәрсеге сенімдімін, адамзаттың ғарышты игеруге деген ұмтылысын тоқтату мүмкін емес!
Сондай-ақ қызықты: