Llame al espacio profundo: cómo la NASA acelera la comunicación interplanetaria

“Prácticamente no hay ningún lugar para mejorar la tecnología que funciona en frecuencias de radio. Las soluciones simples terminan ahí ".




El 26 de noviembre de 2018 a las 22:53 hora de Moscú, la NASA lo hizo nuevamente: la sonda InSight aterrizó con éxito en la superficie de Marte después de ingresar a la atmósfera, maniobras de descenso y aterrizaje, que luego se denominaron "seis minutos y medio de horror". Una descripción adecuada, porque los ingenieros de la NASA no pudieron averiguar de inmediato si la sonda espacial se había posicionado con éxito en la superficie del planeta, debido a un retraso en el tiempo de las comunicaciones entre la Tierra y Marte, que ascendió a aproximadamente 8.1 minutos. Durante esta ventana, InSight no podía confiar en sus antenas más modernas y potentes: todo dependía de las comunicaciones UHF antiguas (este método se ha utilizado durante mucho tiempo en todas partes, desde la transmisión y walkie-talkies hasta dispositivos Bluetooth).

Como resultado, los datos críticos de InSight se transmitieron en ondas de radio con una frecuencia de 401.586 MHz a dos satélites, Kubsat , WALL-E y EVE, que luego transmitieron datos a una velocidad de 8 Kbps a antenas de 70 metros ubicadas en la Tierra. Los Cachorros fueron lanzados en el mismo cohete que InSight, y lo acompañaron en un viaje a Marte para observar el aterrizaje e inmediatamente transmitir datos a casa. Otros barcos marcianos en órbita, por ejemplo, el satélite de reconocimiento marciano (MRS), estaban en una posición incómoda y al principio no podían enviar mensajes en tiempo real con el módulo de aterrizaje. No quiere decir que todo el aterrizaje dependiera de dos Kubsats experimentales del tamaño de una maleta cada uno, pero el MPC podía transmitir datos desde InSight solo después de una espera aún más larga.

El aterrizaje de InSight en realidad probó toda la arquitectura de comunicaciones de la NASA, la Red de Marte. La señal del módulo de aterrizaje InSight transmitida a los satélites en órbita llegaría en cualquier caso a la Tierra, incluso si los satélites fallaran. WALL-E y EVE eran necesarios para la transferencia de información instantánea, y se las arreglaron. Si estos Kubsats no habían funcionado por alguna razón, la IFA estaba lista para desempeñar su papel. Cada uno de ellos trabajó como un nodo en una red similar a Internet, enviando paquetes de datos a través de diferentes terminales, que consisten en diferentes equipos. Hoy, el más efectivo de ellos es el MPC, capaz de transmitir datos a velocidades de hasta 6 Mbps (y este es el récord actual para las misiones interplanetarias). Sin embargo, la NASA tuvo que trabajar con velocidades mucho más bajas en el pasado, y en el futuro necesitará una transferencia de datos mucho más rápida.


Al igual que su ISP, la NASA permite a los usuarios de Internet verificar la conexión con la nave espacial en tiempo real.

Red de comunicaciones del espacio profundo


Con la creciente presencia de la NASA en el espacio, constantemente aparecen sistemas de mensajería mejorados que cubren más y más espacio: al principio era una órbita terrestre baja, luego una órbita geosincrónica y la Luna, y pronto las comunicaciones se hicieron más profundas en el espacio. Todo comenzó con una radio portátil grosera con la que se recibió la telemetría del Explorer 1, el primer satélite lanzado con éxito por los estadounidenses en 1958, en las bases militares estadounidenses en Nigeria, Singapur y California. Lento pero seguro, esta base se ha convertido en los sistemas de mensajería avanzados de hoy.

Douglas Abraham, jefe de pronósticos estratégicos y de sistemas de la Dirección de Redes Interplanetarias de la NASA, destaca tres redes desarrolladas de forma independiente para transmitir mensajes en el espacio. Near Earth Network funciona con naves espaciales en órbita terrestre baja. "Este es un conjunto de antenas, en su mayoría de 9 a 12 m. Hay varias grandes, de 15-18 m", dice Abraham. Luego, por encima de la órbita geosíncrona de la Tierra, hay varios satélites de seguimiento y transmisión de datos (TDRS). "Pueden mirar los satélites en órbita terrestre baja y comunicarse con ellos, y luego transmitir esta información a través de TDRS al suelo", explica Abraham. "Este sistema de datos satelitales se llama red espacial de la NASA".

Pero incluso TDRS no fue suficiente para comunicarse con una nave espacial que fue mucho más allá de la órbita de la luna a otros planetas. “Por lo tanto, tuvimos que crear una red que cubriera todo el sistema solar. Y esta es la Red del Espacio Profundo (DSN) ”, dice Abraham. La red marciana es una extensión de DSN .

Dada la duración y los planes, DSN es el más complejo de estos sistemas. De hecho, este es un conjunto de antenas grandes, de 34 a 70 m de diámetro. En cada uno de los tres sitios DSN, funcionan varias antenas de 34 metros y una antena de 70 metros. Un sitio está ubicado en Goldstone (California), otro cerca de Madrid (España) y el tercero en Canberra (Australia). Estos sitios están ubicados aproximadamente a 120 grados en todo el mundo y brindan cobertura las 24 horas para todas las naves espaciales fuera de la órbita geosíncrona.

Las antenas de 34 metros son el equipo principal de DSN, y hay dos tipos: antenas viejas de alta eficiencia y guías de onda relativamente nuevas. La diferencia es que la antena de guía de onda tiene cinco espejos de RF precisos que reflejan las señales a través de la tubería hacia la sala de operadores subterránea, donde los componentes electrónicos que analizan estas señales están mejor protegidos de todas las fuentes de interferencia. Las antenas de 34 metros, que funcionan individualmente o en grupos de 2-3 placas, pueden proporcionar la mayoría de las comunicaciones necesarias de la NASA. Pero para ocasiones especiales, cuando las distancias se vuelven demasiado largas, incluso para varias antenas de 34 metros, el control DSN utiliza monstruos de 70 metros.

"Juegan un papel importante en algunos casos", dice Abraham sobre antenas grandes. La primera es cuando la nave espacial está tan lejos de la Tierra que será imposible establecer comunicación con ella utilizando una placa más pequeña. “Buenos ejemplos son la misión New Horizons, que voló mucho más allá de Plutón, o la nave espacial Voyager ubicada fuera del Sistema Solar. Solo las antenas de 70 metros pueden atravesarlas y entregar sus datos a la Tierra ”, dice Abraham.

Las placas de 70 metros también se usan cuando la nave espacial no puede funcionar con la antena amplificadora, ya sea debido a una situación crítica planificada, como entrar en órbita, o porque algo sale completamente mal. Una antena de 70 metros, por ejemplo, se usó para devolver de forma segura el Apolo 13 a la Tierra. También adoptó la famosa frase de Neil Armstrong, "Un pequeño paso para el hombre, un paso gigante para la humanidad". E incluso hoy, DSN sigue siendo el sistema de comunicaciones más avanzado y sensible del mundo. "Pero por muchas razones, ella ya ha alcanzado su límite", advierte Abraham. "Prácticamente no hay ningún lugar para mejorar la tecnología que funciona en frecuencias de radio". Las soluciones simples terminan ahí ”.


Tres estaciones terrestres separadas 120 grados


Placas DSN en Canberra


DSN Madrid


DSN en Goldstone


Sala de cámaras en el laboratorio de propulsión a chorro

Radio, y que pasará después


Esta historia no es nueva. La historia de las comunicaciones espaciales a larga distancia consiste en una lucha constante para aumentar las frecuencias y acortar las longitudes de onda. Explorer 1 utiliza frecuencias de 108 MHz. Luego, la NASA introdujo antenas grandes con mejor ganancia, soportando frecuencias de la banda L, de 1 a 2 GHz. Luego llegó el turno de la banda S, con frecuencias de 2 a 4 GHz, y luego la agencia cambió a la banda X, con frecuencias de 7-11.2 GHz.

Hoy en día, los sistemas de comunicaciones espaciales están experimentando cambios nuevamente; ahora se están moviendo a la banda de 26-40 GHz, la banda K a. "La razón de esta tendencia es que cuanto más corta es la longitud de onda y mayor es la frecuencia, mayor es la velocidad de transferencia de datos que puede obtener", dice Abraham.

Hay razones para el optimismo, dado que históricamente la velocidad de desarrollo de las comunicaciones en la NASA ha sido bastante alta. Un estudio de investigación de 2014 del Laboratorio de Propulsión a Chorro proporciona los siguientes datos de ancho de banda para comparar: si utilizamos la tecnología de comunicaciones Explorer 1 para transferir una foto típica de iPhone de Júpiter a la Tierra, tomaría 460 veces más tiempo que la edad actual El universo Para los Pioneros 2 y 4 de la década de 1960, esto tomaría 633,000 años. El Mariner 9 de 1971 habría tratado esto en 55 horas. Hoy, el IFA tomará tres minutos para hacer esto.

El único problema, por supuesto, es que la cantidad de datos recibidos por la nave espacial está creciendo tan rápido, si no más rápido que el crecimiento de las capacidades de transmisión. Durante los 40 años de operación, los Voyagers 1 y 2 han producido 5 TB de información. El satélite NISAR Earth Science, que se lanzará en 2020, producirá 85 TB de datos por mes. Y si los satélites de la Tierra pueden hacerlo, la transferencia de tal volumen de datos entre los planetas es una historia completamente diferente. Incluso un MRS relativamente rápido transmitirá 85 TB de datos a la Tierra durante 20 años.

"La tasa estimada de transferencia de datos durante la exploración de Marte a fines de 2020 y principios de 2030 será de 150 Mbps o más, así que calculemos", dice Abraham. - Si una nave espacial de clase MPC a una distancia máxima de nosotros a Marte puede enviar aproximadamente 1 Mbit / s a ​​una antena de 70 metros en la Tierra, entonces se requerirá una matriz de 150 antenas de 70 metros para establecer la comunicación a una velocidad de 150 Mbit / s. Sí, por supuesto, podemos encontrar formas ingeniosas de reducir ligeramente esta cantidad absurda, pero el problema obviamente existe: la organización de la comunicación interplanetaria a una velocidad de 150 Mbps es un asunto extremadamente complicado. Además, estamos terminando el espectro de frecuencias permitidas ".

Como demuestra Abraham, trabajando en la banda S o X, una misión con un ancho de banda de 25 Mbps ocupará todo el espectro disponible. Hay más espacio en el rango K a , pero solo dos satélites de Marte con un ancho de banda de 150 Mbps ocuparán todo el espectro. En pocas palabras, la Internet interplanetaria requerirá más que solo radio: dependerá de los láseres.

El advenimiento de las comunicaciones ópticas.


Los láseres suenan futuristas, pero la idea de las comunicaciones ópticas se remonta a la patente presentada por Alexander Graham Bell en la década de 1880. Bell desarrolló un sistema en el que la luz solar, enfocada a un haz muy estrecho, se dirigía a un diafragma reflectante que vibraba debido a los sonidos. Las vibraciones causaron variaciones en la luz que pasa a través de la lente hacia un fotodetector grueso. Los cambios en la resistencia del fotodetector cambiaron la corriente que pasa por el teléfono.

El sistema era inestable, el volumen era muy bajo y Bell finalmente abandonó la idea. Pero, después de casi 100 años, armados con láser y fibra óptica, los ingenieros de la NASA volvieron a este viejo concepto.

"Sabíamos acerca de las limitaciones de los sistemas de RF, por lo que el Laboratorio de Propulsión a Chorro a fines de la década de 1970 y principios de la década de 1980 comenzó a discutir la posibilidad de transmitir mensajes desde el espacio profundo utilizando láseres espaciales", dijo Abraham. Para comprender mejor lo que es posible y lo que no está en las comunicaciones ópticas en el espacio profundo, el laboratorio a fines de la década de 1980 organizó un estudio de cuatro años, el Sistema de satélite de retransmisión de espacio profundo (DSRSS), el Sistema de satélite de retransmisión de espacio profundo (DSRSS). Se suponía que el estudio respondía preguntas críticas: ¿qué pasa con el clima y los problemas de visibilidad (después de todo, las ondas de radio pueden pasar fácilmente a través de las nubes, mientras que los láseres no pueden)? ¿Qué pasa si el ángulo de la sonda Sol-Tierra se vuelve demasiado agudo? ¿Un detector en la Tierra distingue una señal óptica débil de la luz solar? Y finalmente, ¿cuánto costará todo y valdrá la pena? "Todavía estamos buscando respuestas a estas preguntas", admite Abraham. "Sin embargo, las respuestas confirman cada vez más la posibilidad de transmisión óptica de datos".

DSRSS sugirió que para las comunicaciones ópticas y de radio, un punto ubicado sobre la atmósfera de la Tierra es el más adecuado. Se afirmó que el sistema de comunicaciones ópticas instalado en la estación orbital funcionaría mejor que cualquier arquitectura terrestre, incluidas las icónicas antenas de 70 metros. Se propuso desplegar una placa de 10 metros en órbita terrestre baja y luego elevarla a geosíncrona. Sin embargo, el costo de dicho sistema, que consiste en un satélite con un plato, un cohete de lanzamiento y cinco terminales de usuario, fue excesivo. Además, el estudio ni siquiera estableció el costo del sistema auxiliar necesario, que entraría en funcionamiento en caso de una falla del satélite.

Como este sistema, los expertos del Laboratorio comenzaron a analizar la arquitectura del terreno descrita en el informe analítico "Estudio de Tecnología Avanzada Basada en el Terreno (GBATS)", realizado en el Laboratorio aproximadamente al mismo tiempo que el DRSS. Las personas que trabajan en GBATS han presentado dos sugerencias alternativas. La primera es la instalación de seis estaciones con antenas de 10 metros y antenas de repuesto de un metro ubicadas a 60 grados entre sí a través del ecuador. Las estaciones tuvieron que construirse en los picos de las montañas, donde al menos el 66% de los días del año son de clima despejado. Por lo tanto, 2-3 estaciones siempre serán visibles para cualquier nave espacial, y tendrán un clima diferente. La segunda opción es nueve estaciones, agrupadas en grupos de tres y ubicadas a 120 grados de distancia. Las estaciones dentro de cada grupo deben ubicarse a 200 km una de la otra para que estén en línea directa de visión, pero en celdas climáticas diferentes.

Ambas arquitecturas GBATS eran más baratas que el enfoque espacial, pero también tenían problemas. En primer lugar, dado que las señales necesitaban pasar a través de la atmósfera de la Tierra, la recepción durante el día sería mucho peor que por la noche debido al cielo iluminado. A pesar de su ingeniosa ubicación, las estaciones ópticas terrestres dependerán del clima. La nave espacial que dirige el láser a la estación terrestre eventualmente tendrá que adaptarse a las malas condiciones climáticas y restablecer la comunicación con otra estación que las nubes no bloqueen.

Sin embargo, independientemente de los problemas, los proyectos DSRSS y GBATS sentaron las bases teóricas para los sistemas ópticos para comunicaciones espaciales de larga distancia y los desarrollos modernos de ingenieros en la NASA. Solo quedaba construir un sistema similar y demostrar su operatividad. Afortunadamente, solo quedaron unos pocos meses.

Implementación del proyecto


Para entonces, la transmisión óptica de datos en el espacio ya había tenido lugar. El primer experimento se realizó en 1992, cuando la sonda Galileo se dirigía hacia Júpiter, y desplegó su cámara de alta resolución en la Tierra para recibir con éxito un conjunto de pulsos láser enviados desde el telescopio de 60 cm del Observatorio Table Mountain y desde 1,5 m del telescopio Starfire Optical de la USAF Rango en Nuevo México. En este punto, Galileo estaba a 1,4 millones de kilómetros de la Tierra, sin embargo, ambos rayos láser golpearon su cámara.

Las agencias espaciales japonesas y europeas también pudieron establecer comunicaciones ópticas entre estaciones terrestres y satélites en órbita alrededor de la Tierra. Luego pudieron establecer una conexión a una velocidad de 50 Mbps entre dos satélites. Hace unos años, el equipo alemán estableció una comunicación bidireccional óptica coherente de 5.6 Gbit / s entre el satélite NFIRE en órbita terrestre baja y la estación terrestre en Tenerife (España). Pero todos estos casos estaban asociados con la órbita de la Tierra.

El primer enlace óptico que conecta una estación terrestre y una nave espacial en órbita cerca de otro planeta del sistema solar se estableció en enero de 2013. Se transmitió una imagen en blanco y negro de Mona Lisa que mide 152x200 píxeles desde la estación láser de alcance satelital de próxima generación ubicada en el Centro de Vuelo Espacial Goddard en la NASA hasta el Orbitador de Reconocimiento Lunar (LRO) a una velocidad de 300 bps. La conexión era unidireccional. LRO envió la imagen recibida de la Tierra a través de comunicaciones de radio convencionales. La imagen necesitaba una pequeña corrección de errores de software, pero incluso sin esta codificación era fácil de reconocer. Y en ese momento, el lanzamiento de un sistema más poderoso a la luna ya estaba planeado.


Del proyecto "Vehículo orbital de reconocimiento lunar" en 2013: para borrar la información de los errores de transmisión introducidos por la atmósfera de la Tierra (izquierda), los científicos del Centro de vuelo espacial Goddard aplicaron la corrección de errores Reed-Solomon (derecha), que se utiliza activamente en CD y DVD. Los errores típicos incluyen píxeles faltantes (blanco) y señales falsas (negro). Una barra blanca indica una breve pausa en la transmisión.

El investigador de la atmósfera lunar y el ambiente de polvo (LADEE) ingresó a la órbita de la luna el 6 de octubre de 2013, y solo una semana después lanzó su láser pulsado para la transmisión de datos. Esta vez, la NASA trató de organizar la comunicación bidireccional a una velocidad de 20 Mbps en esa dirección y una velocidad récord de 622 Mbps en la dirección opuesta. El único problema fue la corta vida útil de la misión. Las comunicaciones ópticas LRO solo funcionaron durante unos minutos. LADEE intercambió datos con su láser durante 16 horas en un total de 30 días. Esta situación debería cambiar cuando se lance el Demonstration Laser Communication Satellite (LCRD), programado para junio de 2019. Su tarea es mostrar cómo funcionarán los futuros sistemas de comunicación en el espacio.

LCRD se está desarrollando en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA junto con el Laboratorio Lincoln en el MIT. Tendrá dos terminales ópticos: uno para la comunicación en órbita terrestre baja, el otro para el espacio profundo. El primero tendrá que usar la codificación de cambio de fase diferencial (DPSK). 2,88 . . 2,88 /, . , DPSK , , . , , , , LCRD — - .


LADEE


2017

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Source: https://habr.com/ru/post/444960/


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