На орбите Земли и далеко за ее пределами работает множество исследовательских приборов, телескопов и спутников, запущенных разными странами. Они были бы бесполезны, если бы ученые не могли получать собранные данные и дистанционно управлять приборами. Для взаимодействия с далекими объектами космические агентства разных стран создали сложные сети связи.
С самого начала исследования космоса и до сих пор основой космического «интернета» была радиосвязь. За более чем полвека она продемонстрировала свою надежность, но, как и у любой другой технологии, у нее есть свои недостатки — прежде всего низкая полоса пропускания. Чтобы преодолеть ограничения, НАСА разрабатывает миссию «Оптическая сеть дальней космической связи» (Deep Space Optical Communications).
Как устроена космическая связь НАСА?
Еще в январе 1958 года американское космическое агентство развернуло портативную сеть из радиоприемников, установленных в трех точках на разных материках (в Нигерии, Сингапуре и в Калифорнии). Она была нужна для поддержания связи с первым американским искусственным спутником «Эксплорер-1», успешно запущенным в том же году.
Эта сеть стала предшественницей полноценной Сети дальней космической связи (DSN). Сейчас она состоит из трех основных радиотелескопов, распределенных по земному шару, и сети вспомогательных обсерваторий и спутников, которые подключаются по мере необходимости. Каждая опорная станция управляет несколькими параболическими тарелками радиотелескопов, в том числе по одной тарелке диаметром 230 футов (70 метров).
Станции распределены на Земле практически точно со сдвигом на 120° по долготе: в Калифорнии в США, недалеко от Мадрида в Испании и рядом с Канберрой в Австралии. Расположение этих станций обеспечивает постоянную связь по мере вращения планеты — до того, как далекий космический аппарат скроется за горизонтом в одной точке DSN, другая площадка улавливает сигнал и продолжает связь.
Для взаимодействия с удаленными приборами система связи с дальним космосом использует радиосигнал. Команды космическим аппаратам и данные от них шифруются и передаются в виде радиоволн с определенными частотами, зарезервированными Международным союзом электросвязи для взаимодействия с дальним космосом (объектами на расстоянии более 2 млн км от Земли).
DSN обеспечивает связь с объектами, расположенными на гигантском расстоянии. Например, именно она обменивается информацией с кораблями миссии «Вояджер». Расстояние до первого из них уже превышает 160 астрономических единиц (а.е.), а до второго — 131 а.е. Чтобы улавливать такой сигнал, используются крупные радиоантенны и обработка, которая обеспечивает усиление сигнала. Сигнал, который поступает от этих зондов, примерно в 20 млрд раз слабее, чем мощность, необходимая для работы наручных цифровых часов.
Есть ли космический «интернет» в других странах?
DSN — не единственная сеть для связи в дальнем космосе. Многие страны, которые запускают спутники для исследования других планет или Солнца, используют аналогичные системы. Например, в России в 2016 году на базе Особого конструкторского бюро Московского энергетического института запущен Российский комплекс приема научной информации. Он заменил советскую систему связи с дальним космосом и использует два 64-метровых телескопа для получения информации от удаленных межпланетных станций.
Российская система, которая ограничена территорией страны, не обеспечивает круглосуточной связи с миссией. Похожие локализованные системы используют некоторые другие космические страны — среди них, например, Китай, Индия и Япония. Работа таких станций отличается от сети НАСА только ограниченной доступностью спутников (сигнал поступает и передается только в то время, когда спутник находится в области видимости радиотелескопа), но при необходимости космические агентства этих стран взаимодействуют и используют возможности других стран.
Наиболее близкой к DSN является сеть Европейского космического агентства — ESTRACK. Она создавалась с 1975 года и сначала использовалась для связи с околоземными спутниками. Но позже была расширена для связи с дистанционными объектами. Сеть дальнего космоса включает три станции, также распределенные по Земле: 35-метровые радиотелескопы установлены в Мадриде, Западной Австралии и Аргентине.
Как будет работать оптическая связь?
Все существующие системы используют радиочастотную связь. По мере увеличения количества миссий и мощности исследовательского оборудования этот способ связи приближается к пределу пропускной способности. Планируемые миссии будут передавать огромные объемы научных данных, включая изображения и видео высокой четкости, что требует существенного расширения каналов связи.
Исследователи из НАСА полагают, что для увеличения пропускной способности можно использовать оптические электромагнитные волны. Они отличаются меньшей длиной волны и, соответственно, могут кодировать и передавать больше информации в единицу времени при том же размере и мощности устройств. По оценкам, переход на оптическую связь увеличит «ширину канала» на 1-2 порядка (в 10–100 раз).
Исследователи разработали лазерный приемопередатчик ближнего инфракрасного диапазона для миссии «Психея» для исследования астероида 16 Психея. Ее запуск запланирован на осень этого года. Прибор миссии будет собирать данные, кодировать ее с помощью волн ближнего инфракрасного диапазона и отправлять их на одну из двух 3,5-метровых антенн, установленных в Калифорнии.
Инженеры НАСА планируют протестировать новую систему связи в течение двух лет, пока автоматическая межпланетная станция миссии будет двигаться к поясу астероидов. Этот анализ должен показать, как на качество связи влияют возможные помехи, какие методы кодирования обеспечивают наиболее точный сигнал, как будут работать лазерные передатчики на большом расстоянии.
Система лазерной связи уже показала свою эффективность на низкой околоземной орбите. Дальний космос — новое испытание. Если система пройдет испытания, возможно, в будущем круглосуточная прямая трансляция (с учетом задержки сигнала) FullHD-видео с Марса станет реальностью.
Читать далее:
Спустя 17 лет космический корабль НАСА STEREO-A пролетел мимо Земли
Ученые придумали, как бороться с атеросклезором
Массовое похолодание 1,27 млн лет назад помешало человеческой оккупации Европе
На обложке: иллюстрация лазерной связи в космосе. Изображение: NASA/JPL