استدعاء الفضاء السحيق: كيف تسرع ناسا الاتصالات بين الكواكب

لا يوجد عملياً أي مكان لتحسين التكنولوجيا التي تعمل على ترددات الراديو. حلول بسيطة تنتهي هناك. "

في 26 نوفمبر ، 2018 في الساعة 22:53 بتوقيت موسكو ، قامت ناسا بذلك مرة أخرى - نجح مسبار InSight على سطح المريخ بعد دخوله إلى الغلاف الجوي ومناورات الهبوط والهبوط ، والتي أطلق عليها فيما بعد "ست دقائق ونصف من الرعب". وصف مناسب ، لأن مهندسي ناسا لم يتمكنوا على الفور من معرفة ما إذا كان المسبار الفضائي قد جلس بنجاح على سطح الكوكب ، وذلك بسبب تأخير مؤقت في الاتصالات بين الأرض والمريخ ، والتي بلغت حوالي 8.1 دقيقة. خلال هذه النافذة ، لا يمكن لـ InSight الاعتماد على هوائياتها الأكثر حداثة وقوة - كل شيء يعتمد على اتصالات UHF القديمة (هذه الطريقة تستخدم منذ فترة طويلة في كل مكان ، من البث والتحدث عبر الأجهزة المحمولة إلى أجهزة Bluetooth).

ونتيجة لذلك ، تم إرسال بيانات InSight الهامة على موجات الراديو بتردد قدره 401.586 ميغاهرتز إلى قمرين صناعيين ، هما Kubsat و WALL-E و EVE ، اللذين قاما بعد ذلك بنقل البيانات بسرعة تتراوح من 8 كيلوبت في الثانية إلى هوائيات بطول 70 مترًا تقع على الأرض. تم إطلاق الأشبال على نفس صاروخ InSight ، ورافقوه في رحلة إلى المريخ لمراقبة الهبوط ونقل البيانات على الفور إلى المنزل. كانت السفن الأخرى التي تدور حول المريخ ، مثل القمر الصناعي لاستطلاع المريخ (MRS) ، في وضع غير مريح ولا يمكنها في البداية توفير رسائل في الوقت الحقيقي مع الهبوط. كي لا نقول أن عملية الهبوط بأكملها كانت تعتمد على اثنين من Kubsats التجريبية بحجم حقيبة كل منهما ، ولكن يمكن MPC نقل البيانات من InSight إلا بعد انتظار أطول.

اختبرت عملية الهبوط InSight بالفعل بنية الاتصالات بالكامل التابعة لناسا ، شبكة مارس. سوف تصل الإشارة الصادرة من وحدة الهبوط InSight المرسلة إلى الأقمار الصناعية المدارية على أي حال إلى الأرض ، حتى لو فشلت الأقمار الصناعية. كانت هناك حاجة إلى WALL-E و EVE لنقل المعلومات الفورية ، وتعاملوا معها. إذا لم تنجح هذه Kubsats لسبب ما ، فإن IFA كانت مستعدة للعب دورها. كل واحد منهم يعمل كعقدة في شبكة مماثلة للإنترنت ، وإرسال حزم البيانات من خلال محطات مختلفة ، وتتألف من معدات مختلفة. اليوم ، أكثرها فعاليةً هي MPC ، القادرة على نقل البيانات بسرعات تصل إلى 6 ميغابت في الثانية (وهذا هو السجل الحالي للبعثات بين الكواكب). ومع ذلك ، كان على ناسا العمل بسرعات أقل بكثير في الماضي - وستحتاج في المستقبل إلى نقل بيانات أسرع بكثير.


مثل موفر خدمة الإنترنت ، تسمح ناسا لمستخدمي الإنترنت بالتحقق من الاتصال بالمركبة الفضائية في الوقت الفعلي.

شبكة اتصالات الفضاء السحيق

مع الوجود المتزايد لناسا في الفضاء ، تظهر أنظمة الرسائل المحسنة باستمرار ، والتي تغطي مساحة أكثر وأكثر: في البداية كان مدار الأرض منخفضة ، ثم مدار متزامن مع الأرض والقمر ، وقريبا الاتصالات ذهب إلى الفضاء. بدأ كل شيء بجهاز راديو محمول فظ تم استقباله عن بعد من المستكشف 1 ، أول قمر صناعي تم إطلاقه بنجاح من قبل الأميركيين في عام 1958 ، في القواعد العسكرية الأمريكية في نيجيريا وسنغافورة وكاليفورنيا. ببطء ولكن بثبات ، تطور هذا الأساس إلى أنظمة الرسائل المتقدمة اليوم.

يسلط دوغلاس أبراهام ، رئيس قسم التنبؤ الاستراتيجي والنظام في مديرية شبكة الكواكب التابعة لناسا ، الضوء على ثلاث شبكات تم تطويرها بشكل مستقل لنقل الرسائل في الفضاء. تعمل شبكة Earth القريبة مع مركبة فضائية في مدار أرضي منخفض. يقول إبراهيم: "هذه مجموعة من الهوائيات ، معظمها من 9 إلى 12 مترًا. هناك العديد من الهوائيات الكبيرة ، 15-18 م". ثم ، فوق مدار الأرض المتزامن مع الأرض ، هناك العديد من سواتل تتبع البيانات وإرسالها (TDRS). "يمكنهم النظر إلى الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض والتواصل معهم ، ثم نقل هذه المعلومات من خلال TDRS إلى الأرض" ، يوضح أبراهام. "يُطلق على نظام بيانات الأقمار الصناعية هذا شبكة الفضاء التابعة لناسا."

لكن حتى TDRS لم يكن كافيًا للتواصل مع سفينة فضاء تجاوزت مدار القمر إلى كواكب أخرى. "لذلك ، كان علينا إنشاء شبكة تغطي النظام الشمسي بأكمله. وهذه هي شبكة الفضاء السحيق (DSN) ، كما يقول إبراهيم. شبكة المريخ امتداد ل DSN .

نظرًا للطول والخطط ، تعد DSN أكثر هذه الأنظمة تعقيدًا. في الواقع ، هذه مجموعة من الهوائيات الكبيرة ، يتراوح قطرها بين 34 و 70 م. في كل موقع من مواقع DSN الثلاثة ، تعمل عدة هوائيات بطول 34 متراً وواحد للهوائي بطول 70 متراً. يوجد موقع واحد في جولدستون (كاليفورنيا) ، وآخر بالقرب من مدريد (إسبانيا) ، والثالث في كانبيرا (أستراليا). تقع هذه المواقع على بعد 120 درجة تقريبًا حول العالم ، وتوفر تغطية على مدار الساعة لجميع سفن الفضاء خارج المدار المتزامن مع الأرض.

الهوائيات التي يبلغ طولها 34 متراً هي المعدات الرئيسية لـ DSN ، وهناك نوعان: الهوائيات القديمة ذات الكفاءة العالية والأدلة الموجية الجديدة نسبيًا. الفرق هو أن هوائي الدليل الموجي لديه خمسة مرايا تردد راديوي دقيقة تعكس الإشارات عبر الأنبوب إلى غرفة المشغل تحت الأرض ، حيث تتمتع الإلكترونيات التي تحلل هذه الإشارات بحماية أفضل من جميع مصادر التداخل. الهوائيات التي يبلغ طولها 34 متراً ، والتي تعمل بشكل فردي أو في مجموعات من 2-3 لوحات ، يمكن أن توفر معظم اتصالات ناسا الضرورية. لكن للمناسبات الخاصة ، عندما تصبح المسافات طويلة جدًا حتى بالنسبة إلى العديد من الهوائيات التي يبلغ طولها 34 مترًا ، يستخدم التحكم DSN وحوش طولها 70 مترًا.

يقول إبراهيم عن الهوائيات الكبيرة: "إنهم يلعبون دورًا مهمًا في حالات قليلة". الأول ، عندما تكون المركبة الفضائية بعيدة عن الأرض ، سيكون من المستحيل إقامة اتصال معها باستخدام لوحة أصغر. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك مهمة نيو هورايزن ، التي طارت أبعد من بلوتو ، أو مركبة فويجر الفضائية الموجودة خارج المجموعة الشمسية. يقول أبراهام ، إن الهوائيات التي يبلغ طولها 70 متراً فقط هي القادرة على اختراقها وتسليم بياناتها إلى الأرض.

تُستخدم الألواح التي يبلغ طولها 70 مترًا أيضًا عندما يتعذر على المركبة الفضائية العمل مع هوائي التضخيم ، إما بسبب موقف حرج مخطط له مثل الذهاب إلى المدار ، أو بسبب حدوث خطأ ما. على سبيل المثال ، تم استخدام هوائي طوله 70 مترًا لإعادة Apollo 13 بأمان إلى الأرض. كما تبنت عبارة نيل أرمسترونغ الشهيرة ، "خطوة صغيرة للإنسان ، خطوة عملاقة للإنسانية". وحتى اليوم ، تظل DSN نظام الاتصالات الأكثر تطوراً وحساسية في العالم. "ولكن لأسباب كثيرة ، وصلت بالفعل إلى الحد الأقصى" ، يحذر إبراهيم. "لا يوجد عملياً أي مكان لتحسين التكنولوجيا التي تعمل على ترددات الراديو." حلول بسيطة تنتهي هناك. "


ثلاث محطات أرضية 120 درجة على حدة


لوحات DSN في كانبيرا


DSN مدريد


DSN في جولدستون


غرفة الكاميرا في مختبر الدفع النفاث

راديو ، وماذا سيحدث بعد ذلك

هذه القصة ليست جديدة. يتألف تاريخ الاتصالات الفضائية الطويلة المسافة من صراع مستمر لزيادة الترددات وتقصير الأطوال الموجية. مستكشف 1 تستخدم ترددات من 108 ميغاهيرتز. ثم قدمت ناسا هوائيات كبيرة مع كسب أفضل ، ودعم ترددات من النطاق L ، من 1 إلى 2 غيغاهرتز. ثم جاء دور النطاق S ، بترددات من 2 إلى 4 جيجا هرتز ، ثم تحولت الوكالة إلى النطاق X ، بترددات تتراوح بين 7 و 11.2 جيجا هرتز.

اليوم ، تمر أنظمة الاتصالات الفضائية مرة أخرى بتغيرات - الآن تنتقل إلى النطاق GHz 26-40 ، النطاق K a. يقول إبراهيم: "السبب في هذا الاتجاه هو أنه كلما كان طول الموجة أقصر كلما زاد التردد ، زادت سرعة نقل البيانات التي يمكنك الحصول عليها".

هناك أسباب للتفاؤل ، بالنظر إلى أن سرعة تطور الاتصالات في ناسا كانت عالية للغاية. توفر دراسة بحثية لعام 2014 من Jet Propulsion Laboratory بيانات النطاق الترددي التالية للمقارنة: إذا استخدمنا تقنية اتصالات Explorer 1 لنقل صورة iPhone نموذجية من كوكب المشتري إلى Earth ، فسوف يستغرق وقتًا أطول بـ 460 مرة من العمر الحالي الكون. بالنسبة للرواد 2 و 4 من الستينيات ، سيستغرق هذا 633000 عام. مارينر 9 من عام 1971 قد تعاملت مع هذا في 55 ساعة. اليوم ، سوف يستغرق IFA ثلاث دقائق للقيام بذلك.

المشكلة الوحيدة ، بالطبع ، هي أن كمية البيانات التي تتلقاها المركبة الفضائية تنمو بنفس السرعة ، إن لم تكن أسرع من نمو قدرات الإرسال. على مدار 40 عامًا من التشغيل ، أنتج Voyagers 1 و 2 5 تيرابايت من المعلومات. سوف ينتج القمر الصناعي NISAR لعلوم الأرض ، المقرر إطلاقه في عام 2020 ، 85 تيرابايت من البيانات شهريًا. وإذا تمكنت أقمار الأرض من فعل ذلك ، فإن نقل هذا الحجم من البيانات بين الكواكب هو قصة مختلفة تمامًا. حتى MRS سريعة نسبيا سوف تنقل 85 تيرابايت من البيانات إلى الأرض لمدة 20 عامًا.

يقول إبراهيم: "معدل نقل البيانات المقدر أثناء استكشاف المريخ في أواخر العشرينات وأوائل الثلاثينيات سيكون 150 ميجابت في الثانية أو أعلى ، لذلك دعونا نحسب". - إذا كانت مركبة فضائية من فئة MPC على مسافة قصوى منا إلى المريخ يمكنها إرسال حوالي Mbit / s إلى هوائي طوله 70 مترًا على الأرض ، فستكون هناك حاجة إلى مجموعة من 150 هوائيات بطول 70 مترًا لإقامة اتصال بسرعة 150 Mbit / s. نعم ، بالطبع ، يمكننا التوصل إلى طرق مبتكرة لتقليل هذا المبلغ السخيف بشكل طفيف ، لكن المشكلة موجودة بوضوح: تنظيم التواصل بين الكواكب بسرعة 150 ميغابت في الثانية أمر معقد للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، نحن ننهي طيف الترددات المسموح بها. "

كما يوضح إبراهيم ، بالعمل في النطاق S أو X ، ستشغل مهمة واحدة بعرض نطاق ترددي قدره 25 ميجابت في الثانية الطيف المتاح بأكمله. هناك مساحة أكبر في K K range ، لكن اثنين فقط من أقمار المريخ مع عرض النطاق الترددي 150 ميغابت في الثانية سيشغلان الطيف بأكمله. ببساطة ، سيتطلب الإنترنت بين الكواكب أكثر من مجرد راديو - سوف يعتمد على الليزر.

ظهور الاتصالات البصرية

تبدو أجهزة الليزر مستقبلية ، ولكن يمكن إرجاع فكرة الاتصالات البصرية إلى براءة الاختراع التي قدمها ألكساندر جراهام بيل في الثمانينيات من القرن التاسع عشر. طور بيل نظامًا تركز فيه أشعة الشمس على شعاع ضيق جدًا على غشاء عاكس يهتز بسبب الأصوات. تسببت الاهتزازات في حدوث اختلافات في الضوء الذي يمر عبر العدسة إلى كاشف ضوئي خشن. غيرت التغييرات في مقاومة جهاز الكشف الضوئي التيار الذي يمر عبر الهاتف.

كان النظام غير مستقر ، وكان مستوى الصوت منخفضًا جدًا ، وفي النهاية تخلى بيل عن الفكرة. ولكن بعد حوالي 100 عام ، مسلحين بأشعة الليزر والألياف البصرية ، عاد مهندسو ناسا إلى هذا المفهوم القديم.

"لقد علمنا بالقيود المفروضة على أنظمة الترددات اللاسلكية ، لذلك بدأ مختبر الدفع النفاث في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات في مناقشة إمكانية نقل الرسائل من الفضاء السحيق باستخدام أشعة الليزر الفضائية" ، قال أبراهام. لفهم ما هو ممكن وما هو غير موجود في الاتصالات البصرية في الفضاء السحيق ، نظم المختبر في أواخر الثمانينيات دراسة مدتها أربع سنوات ، وهي نظام الأقمار الصناعية لترحيل الفضاء العميق (DSRSS) ، ونظام الأقمار الصناعية للفضاء العميق (DSRSS). كان من المفترض أن تجيب الدراسة على الأسئلة الحرجة: ماذا عن مشاكل الطقس والرؤية (بعد كل شيء ، يمكن لموجات الراديو أن تمر بسهولة عبر السحب ، بينما لا تستطيع الليزر)؟ ماذا لو أصبحت زاوية مسبار الشمس-الأرض شديدة الوضوح؟ هل يميز الكاشف الموجود على الأرض إشارة ضوئية ضعيفة عن ضوء الشمس؟ وأخيرا ، كم سيكلف كل هذا ، وهل يستحق كل هذا العناء؟ "ما زلنا نبحث عن إجابات لهذه الأسئلة ،" يعترف إبراهيم. "ومع ذلك ، تؤكد الإجابات بشكل متزايد على إمكانية نقل البيانات البصرية."

اقترح DSRSS أنه بالنسبة للاتصالات البصرية والإذاعة ، فإن النقطة التي تقع فوق الغلاف الجوي للأرض هي الأنسب. وذُكر أن نظام الاتصالات البصرية المثبت على المحطة المدارية سيعمل بشكل أفضل من أي معمارية للأرض ، بما في ذلك الهوائيات الأيقونية التي يبلغ طولها 70 متراً. تم اقتراح نشر لوحة طولها 10 أمتار في مدار أرضي منخفض ، ثم رفعها إلى متزامن مع الأرض. ومع ذلك ، فإن تكلفة مثل هذا النظام - الذي يتكون من قمر صناعي مع طبق ، صاروخ إطلاق ، وخمس محطات للمستخدم - كانت باهظة. علاوة على ذلك ، لم تحدد الدراسة حتى تكلفة النظام الإضافي اللازم ، والذي سيبدأ تشغيله في حالة تعطل القمر الصناعي.

نظرًا لأن هذا النظام ، بدأ خبراء من المختبر في النظر إلى البنية الأرضية الموصوفة في التقرير التحليلي "دراسة التكنولوجيا المتقدمة على أساس الأرض (GBATS)" ، التي أجريت في المختبر في نفس الوقت تقريبًا مثل DRSS. قدم الأشخاص الذين يعملون على GBATS اقتراحين بديلين. الأول هو تركيب ست محطات بها هوائيات بطول 10 أمتار وهوائيات احتياطية بطول متر واحد تقع على بعد 60 درجة من بعضها البعض عبر خط الاستواء. كان لا بد من بناء محطات على قمم الجبال ، حيث ما لا يقل عن 66 ٪ من أيام السنة هي طقس صافٍ. وبالتالي ، سوف تكون 2-3 محطات دائمًا مرئية لأي مركبة فضائية ، وسيكون لها طقس مختلف. الخيار الثاني هو تسع محطات ، مجمعة في مجموعات من ثلاثة ، وتقع على بعد 120 درجة. يجب أن تقع المحطات داخل كل مجموعة على بعد 200 كيلومتر من بعضها البعض بحيث تكون في خط البصر المباشر ، ولكن في خلايا الطقس المختلفة.

كان كلا معماري GBATS أرخص من النهج الفضائي ، لكنهما واجهتا أيضًا مشكلات. أولاً ، نظرًا لأن الإشارات اللازمة للمرور عبر الغلاف الجوي للأرض ، سيكون الاستقبال في النهار أسوأ بكثير من الليل بسبب السماء المضاءة. على الرغم من موقعها المبدع ، ستعتمد المحطات البصرية الأرضية على الطقس. ستضطر المركبة الفضائية التي توجه الليزر إلى المحطة الأرضية في النهاية إلى التكيف مع الظروف الجوية السيئة وإعادة الاتصال مع محطة أخرى لا تمنعها السحب.

ومع ذلك ، وبغض النظر عن المشاكل ، وضعت مشاريع DSRSS و GBATS الأساس النظري للأنظمة البصرية للاتصالات الفضائية لمسافات طويلة والتطورات الحديثة للمهندسين في ناسا. بقي فقط لبناء نظام مماثل وإظهار قابلية التشغيل. لحسن الحظ ، بقيت بضعة أشهر فقط.

تنفيذ المشروع

بحلول ذلك الوقت ، كان نقل البيانات البصرية في الفضاء قد حدث بالفعل. أجريت أول تجربة في عام 1992 ، عندما كان مسبار جاليليو يتجه نحو كوكب المشتري ، ونشر كاميرته عالية الدقة على الأرض لاستقبال مجموعة من نبضات الليزر المرسلة بنجاح من التلسكوب الذي يبلغ طوله 60 سم من مرصد جبل الطاولة ومن 1.5 متر من تلسكوب USAF Starfire Optical المدى في نيو مكسيكو. في هذه المرحلة ، كان غاليليو على بعد 1.4 مليون كيلومتر من الأرض ، ولكن أشعة الليزر ضربت كاميرته.

كما تمكنت وكالات الفضاء اليابانية والأوروبية من إقامة اتصالات بصرية بين المحطات الأرضية والأقمار الصناعية في مدار حول الأرض. ثم تمكنوا من إنشاء اتصال بسرعة 50 ميغابت في الثانية بين قمرين صناعيين. قبل بضع سنوات ، أنشأ الفريق الألماني اتصالًا ثنائي الاتجاه 5.6 جيجابت / ثانية متماسكًا ثنائي الاتجاه بين ساتل NFIRE في مدار أرضي منخفض والمحطة الأرضية في تينيريفي (إسبانيا). ولكن كل هذه الحالات كانت مرتبطة مع مدار الأرض.

تم إنشاء أول وصلة بصرية تربط محطة أرضية ومركبة فضائية في مدار بالقرب من كوكب آخر من النظام الشمسي في يناير 2013. تم إرسال صورة بالأبيض والأسود لموناليزا بقياس 152 × 200 بكسل من محطة الليزر التي تتراوح قمرها من القمر الصناعي والتي تقع في مركز غودارد لرحلات الفضاء في ناسا إلى مدار الاستكشاف القمري (LRO) بسرعة 300 بت في الثانية. كان الاتصال في اتجاه واحد. أرسل LRO الصورة المستلمة من Earth عبر الاتصالات اللاسلكية التقليدية. كانت الصورة تحتاج إلى تصحيح خطأ بسيط في البرنامج ، لكن حتى بدون هذا الترميز ، كان من السهل التعرف عليه. وفي ذلك الوقت ، تم بالفعل التخطيط لإطلاق نظام أكثر قوة إلى القمر.


من مشروع "المركبة الفضائية لاستكشاف القمر" في عام 2013: لمسح المعلومات من أخطاء الإرسال التي أدخلها الغلاف الجوي للأرض (يسار) ، قام علماء من مركز جودارد لرحلات الفضاء بتطبيق تصحيح خطأ ريد سولومون (يمين) ، والذي يستخدم بنشاط في أقراص CD و DVD. تتضمن الأخطاء النموذجية بكسلات مفقودة (أبيض) وإشارات خاطئة (سوداء). شريط أبيض يشير إلى توقف قصير في الإرسال.

دخل باحث الغلاف الجوي للغلاف القمري (LADEE) إلى مدار القمر في 6 أكتوبر 2013 ، وبعد أسبوع واحد فقط أطلق ليزره النبضي لنقل البيانات. هذه المرة ، حاولت ناسا ترتيب اتصال ثنائي الاتجاه بسرعة 20 ميغابت في الثانية في هذا الاتجاه وسرعة قياسية قدرها 622 ميغابت في الثانية في الاتجاه المعاكس. كانت المشكلة الوحيدة هي العمر الافتراضي للبعثة. اتصالات LRO البصرية تعمل فقط لبضع دقائق. تبادل LADEE البيانات مع الليزر الخاص به لمدة 16 ساعة في إجمالي 30 يومًا. يجب أن يتغير هذا الموقف عند إطلاق القمر الصناعي لشبكة الاتصالات التوضيحية بالليزر (LCRD) ، المقرر إجراؤه في يونيو 2019. وتتمثل مهمته في إظهار كيفية عمل أنظمة الاتصالات المستقبلية في الفضاء.

يتم تطوير LCRD في مختبر الدفع النفاث في ناسا بالتعاون مع مختبر لينكولن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. سيكون لديه طرفان بصريان: واحد للاتصال في مدار أرضي منخفض ، والآخر للمساحة العميقة. سيتعين على الأول استخدام Keying Switch Shift Keying (DPSK).سوف ترسل الارسال نبضات الليزر مع تردد 2.88 غيغاهرتز. وفقًا لهذه التكنولوجيا ، سيتم تشفير كل بت بفارق الطور للنبضات المتتالية. ستكون قادرة على العمل بسرعة 2.88 جيجابت / ثانية ، لكن هذا سيتطلب الكثير من الطاقة. لا يمكن للكشف عن التعرف على الفرق بين النبضات إلا في الإشارات عالية الطاقة ، لأن DPSK يعمل بشكل مثالي مع الاتصالات القريبة من الأرض ، لكن هذه ليست الطريقة الأفضل للمساحة العميقة ، حيث يكون تخزين الطاقة مشكلة. ستفقد الإشارة المرسلة من المريخ الطاقة حتى تصل إلى الأرض ، وبالتالي ، لتوضيح الاتصال البصري مع الفضاء السحيق ، سوف تستخدم LCRD تقنية أكثر كفاءة - تعديل نبض الطور.


يعد مهندسو ناسا LADEE للاختبار


في عام 2017 ، اختبر المهندسون أجهزة مودم الرحلة في غرفة فراغ حرارية

"في الأساس ، إنه حساب الفوتون" ، يوضح إبراهيم. - يتم تقسيم الفترة القصيرة المخصصة للاتصال إلى عدة فترات زمنية. للحصول على البيانات ، تحتاج فقط إلى التحقق مما إذا كانت الفوتونات الموجودة في كل من الفجوات قد اصطدمت بالكاشف. لذلك يتم تشفير البيانات في FIM ". هذا يشبه رمز مورس ، فقط بسرعة فائقة السرعة. إما أن يكون هناك وميض في لحظة معينة أم لا ، ويتم تشفير الرسالة بتسلسل من ومضات. "على الرغم من أنه أبطأ بكثير من DPSK ، لا يزال بإمكاننا تنظيم الاتصالات البصرية بسرعة عشرات أو مئات ميغابت في الثانية على مسافة إلى المريخ" ، يضيف إبراهيم.

بطبيعة الحال ، فإن مشروع LCRD ليس فقط هذه المحطتين. يجب أن تعمل أيضًا كموقع إنترنت في الفضاء. ستعمل ثلاث محطات على الأرض مع LCRD: واحدة في وايت ساندز في نيو مكسيكو ، وواحدة في تابل ماونتن في كاليفورنيا ، وواحدة في جزيرة هاواي أو ماوي. والفكرة هي التحقق من التبديل من محطة أرضية إلى أخرى في حالة سوء الاحوال الجوية في إحدى المحطات. ستقوم المهمة أيضًا بالتحقق من تشغيل LCRD كجهاز إرسال بيانات. سيتم إرسال إشارة ضوئية من إحدى المحطات إلى القمر الصناعي ثم يتم إرسالها إلى محطة أخرى - كل ذلك من خلال الاتصالات البصرية.

إذا فشل نقل البيانات على الفور ، فسوف يقوم LCRD بتخزينه وإرساله عندما تنشأ الفرصة. إذا كانت البيانات عاجلة ، أو إذا لم تكن هناك مساحة كافية في وحدة التخزين على متن الطائرة ، فسوف يرسل LCRD ذلك فورًا عبر هوائي K_و مجموعة A. لذلك ، فإن سلف أجهزة إرسال الأقمار الصناعية في المستقبل ، سوف يكون LCRD نظامًا ضوئيًا هجينًا ضوئيًا. إنها وحدة ناسا تحتاج إلى وضعها في مدار حول المريخ من أجل تنظيم شبكة بين الكواكب تدعم استكشاف الفضاء السحيق من قبل البشر في ثلاثينيات القرن العشرين.

جلب المريخ على الانترنت

على مدار العام الماضي ، كتب فريق إبراهيم عملين يصفان مستقبل الاتصالات الفضائية الطويلة ، والذي سيتم تقديمه في مؤتمر SpaceOps في فرنسا في مايو 2019. أحدهما يصف الاتصالات الفضائية الطويلة المسافة عمومًا ، والآخر ( شبكة المريخ بين الكواكب لعصر الاستكشاف البشري - المشاكل المحتملة والحلول ") يوصف وصف مفصل للبنية التحتية التي يمكن أن توفر خدمة تشبه الإنترنت لرواد الفضاء على الكوكب الأحمر.

تم الحصول على تقديرات لمتوسط ​​ذروة معدل نقل البيانات في منطقة 215 ميغابت / ثانية للتنزيل و 28 ميجابت / ثانية للتنزيل. ستتألف شبكة الإنترنت المريخية من ثلاث شبكات: شبكة WiFi ، تغطي منطقة الأبحاث السطحية ، وهي شبكة كوكبية تنقل البيانات من الأرض إلى الأرض ، وشبكة الأرض ، وهي شبكة اتصالات فضائية تضم ثلاثة مواقع مسؤولة عن تلقي هذه البيانات وإرسال ردود إلى كوكب المريخ.

هناك الكثير من المشاكل عند تطوير هذه البنية التحتية. يجب أن تكون موثوقة ومستقرة ، حتى على مسافة أقصاها 2.67 AU إلى المريخ. يقول إبراهيم: "خلال فترات التداخل الشمسي العلوي ، عندما يختبئ المريخ وراء الشمس". يحدث مثل هذا الاتصال كل عامين ويعطل الاتصال مع المريخ تمامًا. "اليوم ، لا أستطيع التعامل مع هذا. جميع محطات الهبوط والمدارات الموجودة على سطح المريخ تفقد ببساطة اتصالها بالأرض لمدة أسبوعين تقريبًا. مع الاتصالات البصرية ، ستكون خسائر الاتصالات الناتجة عن التوصيلات الشمسية أطول ، من 10 إلى 15 أسبوعًا. " بالنسبة للروبوتات ، هذه الثغرات ليست مخيفة بشكل خاص. مثل هذه العزلة لا تسبب لهم مشاكل ، لأنهم لا يبدأون بالملل ، لا يشعرون بالوحدة ، ولا يحتاجون إلى رؤية أحبائهم. لكن بالنسبة للناس ، هذا خطأ تمامًا.

"لذلك ، نحن من الناحية النظرية نسمح بتكليف جهازين للإرسال المداري وضعت في مدار استوائي دائري 17300 كم فوق سطح المريخ" ، ويستمر إبراهيم. وفقًا للدراسة ، يجب أن تزن 1500 كجم ، وعلى متنها مجموعة من المحطات العاملة في النطاق X-band و K _a -band والشريط البصري ، وأن يتم تشغيلها بواسطة الألواح الشمسية بسعة 20-30 كيلو واط. يجب أن يدعموا بروتوكول شبكة تأخير التسامح - بشكل أساسي TCP / IP ، المصمم للتعامل مع التأخيرات الكبيرة التي ستحدث حتماً على الشبكات بين الكواكب. ينبغي أن تكون المحطات المدارية المشاركة في الشبكة قادرة على التواصل مع رواد الفضاء والمركبات على سطح الكوكب والمحطات الأرضية ومع بعضها البعض.

يقول أبراهام: "هذا الحديث المتقاطع مهم للغاية لأنه يقلل من عدد الهوائيات اللازمة لتنظيم نقل البيانات بسرعة 250 ميجابت في الثانية". ويقدر فريقه أنه لتلقي البيانات بسرعة 250 ميجابت / ثانية المرسلة من أحد أجهزة الإرسال المدارية ، ستكون هناك حاجة لمجموعة من ستة هوائيات 34 مترا. هذا يعني أن ناسا ستحتاج إلى بناء ثلاثة هوائيات إضافية في مواقع الاتصالات الفضائية الطويلة ، ولكن بنائها يستغرق سنوات ، وهي مكلفة للغاية. "لكننا نعتقد أن محطتين مداريتين يمكنهما مشاركة البيانات مع بعضهما البعض وإرسالها في وقت واحد بسرعة 125 ميجابت / ثانية ، عندما يرسل جهاز إرسال نصف حزمة البيانات والنصف الآخر" ، كما يقول إبراهيم.وحتى اليوم ، يمكن لهوائيات الاتصالات الفضائية طويلة المدى التي يبلغ طولها 34 متراً تلقي البيانات في وقت واحد من أربع سفن فضائية مختلفة في آن واحد ، ونتيجة لذلك ستكون هناك حاجة إلى ثلاثة هوائيات لإكمال المهمة. "لاستقبال إرسالين بسرعة 125 ميغابت في الثانية من واحد ونفس القسم من السماء ، حيث أن العديد من الهوائيات مطلوبة لاستقبال إرسال واحد" ، يوضح أبراهام. "هناك حاجة إلى مزيد من الهوائيات فقط إذا كنت بحاجة إلى إنشاء اتصال بسرعة أعلى."

لمواجهة مشكلة الاتصال بالطاقة الشمسية ، اقترح فريق إبراهيم إطلاق جهاز إرسال عبر الأقمار الصناعية عند نقاط L4 / L5 في مدار الشمس-المريخ / شمس الأرض. ثم خلال فترات الاتصال ، يمكن استخدامه لنقل البيانات حول الشمس ، بدلاً من إرسال الإشارات عبرها. لسوء الحظ ، خلال هذه الفترة ، ستنخفض السرعة إلى 100 كيلوبت في الثانية. ببساطة ، سوف ينجح ، لكنه سيء.

في غضون ذلك ، سيتعين على رواد الفضاء المستقبليين على المريخ الانتظار أكثر من ثلاث دقائق بقليل للحصول على صورة للطائرة الصغيرة ، دون حساب حالات التأخير التي قد تصل إلى 40 دقيقة. لحسن الحظ ، إلى أن تقودنا طموحات الإنسانية إلى أبعد من الكوكب الأحمر ، فإن الإنترنت بين الكواكب سيعمل بشكل جيد في معظم الأوقات.