«Il n'y a pratiquement nulle part où améliorer la technologie fonctionnant sur les radiofréquences. Les solutions simples s'arrêtent là. "
Le 26 novembre 2018 à 22 h 53, heure de Moscou, la NASA l'a fait à nouveau - la sonde InSight a atterri avec succès à la surface de Mars après avoir pénétré dans l'atmosphère, des manœuvres de descente et d'atterrissage, qui ont ensuite été surnommées «six minutes et demie d'horreur». Une description appropriée, car les ingénieurs de la NASA n'ont pas pu déterminer immédiatement si la sonde spatiale était correctement assise à la surface de la planète, en raison d'un retard temporaire des communications entre la Terre et Mars, qui s'élevait à environ 8,1 minutes. Pendant cette fenêtre, InSight ne pouvait pas compter sur ses antennes plus modernes et plus puissantes - tout dépendait des communications UHF à l'ancienne (cette méthode a longtemps été utilisée partout, de la diffusion et des talkies-walkies aux appareils Bluetooth).
En conséquence, des données critiques InSight ont été transmises sur des ondes radio à une fréquence de 401,586 MHz à deux satellites,
Kubsat , WALL-E et EVE, qui ont ensuite transmis des données à une vitesse de 8 Kbps à des antennes de 70 mètres situées sur Terre. Les Cubs ont été lancés sur la même fusée qu'InSight, et ils l'ont accompagné lors d'un voyage vers Mars pour observer l'atterrissage et transmettre immédiatement des données à la maison. D'autres navires martiens orbitaux, par exemple le
satellite de reconnaissance martien (MRS), se trouvaient dans une position inconfortable et ne pouvaient pas dans un premier temps communiquer avec l'atterrisseur en temps réel. Pour ne pas dire que l'atterrissage entier dépendait de deux Kubsats expérimentaux de la taille d'une valise chacun, mais le MPC ne pouvait transmettre les données d'InSight qu'après une attente encore plus longue.
L'atterrissage InSight a en fait testé l'ensemble de l'architecture de communication de la NASA, le réseau Mars. Le signal du module d'atterrissage InSight transmis aux satellites en orbite atteindrait en tout cas la Terre, même en cas de panne des satellites. WALL-E et EVE étaient nécessaires pour un transfert instantané d'informations, et ils s'en sont sortis. Si ces Kubsats n'avaient pas fonctionné pour une raison quelconque, l'IFA était prête à jouer leur rôle. Chacun d'eux fonctionnait comme un nœud dans un réseau similaire à Internet, envoyant des paquets de données via différents terminaux, composés de différents équipements. Aujourd'hui, le plus efficace d'entre eux est le MPC, capable de transmettre des données à des vitesses allant jusqu'à 6 Mbps (et c'est le record actuel pour les missions interplanétaires). Cependant, la NASA a dû travailler avec des vitesses beaucoup plus faibles dans le passé - et à l'avenir, elle aura besoin d'un transfert de données beaucoup plus rapide.
Comme votre FAI, la NASA permet aux internautes de vérifier la connexion avec un vaisseau spatial en temps réel.Réseau de communication dans l'espace lointain
Avec la présence croissante de la NASA dans l'espace, des systèmes de messagerie améliorés apparaissent constamment, couvrant de plus en plus d'espace: au début, c'était une orbite terrestre basse, puis une orbite géosynchrone et la Lune, et bientôt les communications se sont approfondies dans l'espace. Tout a commencé avec une radio portable grossière avec laquelle la télémétrie d'Explorer 1, le premier satellite lancé avec succès par les Américains en 1958, a été reçue dans des bases militaires américaines au Nigeria, à Singapour et en Californie. Lentement mais sûrement, cette base a évolué vers les systèmes de messagerie avancés d'aujourd'hui.
Douglas Abraham, chef de la prévision stratégique et systémique à la Direction des réseaux interplanétaires de la NASA, met en évidence trois réseaux développés indépendamment pour transmettre des messages dans l'espace. Le réseau Near Earth fonctionne avec des engins spatiaux en orbite terrestre basse. "Il s'agit d'un ensemble d'antennes, pour la plupart de 9 à 12 m. Il y en a plusieurs grandes, de 15 à 18 m", explique Abraham. Ensuite, au-dessus de l'orbite géosynchrone de la Terre, il y a plusieurs satellites de suivi et de transmission de données (TDRS). «Ils peuvent regarder les satellites en orbite terrestre basse et communiquer avec eux, puis transmettre ces informations via TDRS au sol», explique Abraham. "Ce système de données par satellite est appelé le réseau spatial de la NASA."
Mais même TDRS n'était pas suffisant pour communiquer avec un vaisseau spatial qui allait bien au-delà de l'orbite de la lune vers d'autres planètes. «Nous avons donc dû créer un réseau couvrant l'ensemble du système solaire. Et c'est le Deep Space Network (DSN) », explique Abraham. Le réseau martien est une extension de
DSN .
Compte tenu de la longueur et des plans, DSN est le plus complexe de ces systèmes. En fait, il s'agit d'un ensemble de grandes antennes, de 34 à 70 m de diamètre. Sur chacun des trois sites DSN, plusieurs antennes de 34 mètres et une antenne de 70 mètres fonctionnent. Un site est situé à Goldstone (Californie), un autre près de Madrid (Espagne) et le troisième à Canberra (Australie). Ces sites sont situés à environ 120 degrés l'un de l'autre dans le monde et offrent une couverture 24h / 24 pour tous les vaisseaux spatiaux en dehors de l'orbite géosynchrone.
Les antennes de 34 mètres sont l'équipement principal du DSN, et il en existe deux types: les anciennes antennes à haut rendement et les guides d'ondes relativement nouveaux. La différence est que l'antenne du guide d'ondes possède cinq miroirs de radiofréquence précis qui reflètent les signaux à travers le tuyau vers la salle d'opération souterraine, où l'électronique qui analyse ces signaux est mieux protégée de toutes les sources d'interférences. Des antennes de 34 mètres, travaillant individuellement ou en groupes de 2-3 plaques, peuvent fournir la plupart des communications nécessaires de la NASA. Mais pour des occasions spéciales, lorsque les distances deviennent trop longues, même pour plusieurs antennes de 34 mètres, le contrôle DSN utilise des monstres de 70 mètres.
«Ils jouent un rôle important dans quelques cas», explique Abraham à propos des grandes antennes. Le premier est lorsque le vaisseau spatial est si loin de la Terre qu'il sera impossible d'établir une communication avec lui à l'aide d'une plaque plus petite. «De bons exemples sont la mission New Horizons, qui a volé bien au-delà de Pluton, ou le vaisseau spatial Voyager situé à l'extérieur du système solaire. Seules des antennes de 70 mètres sont capables de les percer et de transmettre leurs données à la Terre », explique Abraham.
Des plaques de 70 mètres sont également utilisées lorsque le vaisseau spatial ne peut pas fonctionner avec l'antenne amplificatrice, soit à cause d'une situation critique planifiée telle que la mise en orbite, soit parce que quelque chose tourne complètement mal. Une antenne de 70 mètres, par exemple, a été utilisée pour ramener Apollo 13 sur Terre en toute sécurité. Elle a également adopté la célèbre phrase de Neil Armstrong, «Un petit pas pour l'homme, un pas de géant pour l'humanité». Et encore aujourd'hui, DSN reste le système de communication le plus avancé et le plus sensible au monde. «Mais pour de nombreuses raisons, elle a déjà atteint ses limites», prévient Abraham. «Il n'y a pratiquement nulle part où améliorer la technologie fonctionnant sur les radiofréquences.» Les solutions simples s'arrêtent là. »
Trois stations au sol espacées de 120 degrés
Plaques DSN à Canberra
DSN Madrid
DSN à Goldstone
Salle de caméra au Jet Propulsion LaboratoryLa radio et ce qui se passera après
Cette histoire n'est pas nouvelle. L'histoire des communications spatiales à longue distance consiste en une lutte constante pour augmenter les fréquences et raccourcir les longueurs d'onde. Explorer 1 a utilisé des fréquences de 108 MHz. La NASA a ensuite introduit de grandes antennes avec un meilleur gain, prenant en charge les fréquences de la bande L, de 1 à 2 GHz. Puis vint le tour de la bande S, avec des fréquences de 2 à 4 GHz, puis l'agence passa à la bande X, avec des fréquences de 7-11,2 GHz.
Aujourd'hui, les systèmes de communication spatiale subissent à nouveau des changements - ils se déplacent désormais vers la bande 26-40 GHz, la bande K a. «La raison de cette tendance est que plus la longueur d'onde est courte et plus la fréquence est élevée, plus la vitesse de transfert de données que vous pouvez obtenir est grande», explique Abraham.
Il y a des raisons d'être optimiste, étant donné que, historiquement, la vitesse de développement des communications en NASA a été assez élevée. Une étude de recherche réalisée en 2014 par le Jet Propulsion Laboratory fournit les données de bande passante suivantes à titre de comparaison: si nous utilisions la technologie de communication Explorer 1 pour transférer une photo iPhone typique de Jupiter vers la Terre, cela prendrait 460 fois plus de temps que l'âge actuel L'univers. Pour les Pionniers 2 et 4 des années 60, cela prendrait 633 000 ans. Mariner 9 de 1971 aurait réglé cela en 55 heures. Aujourd'hui, l'IFA prendra trois minutes pour ce faire.
Le seul problème, bien sûr, est que la quantité de données reçues par les engins spatiaux augmente tout aussi rapidement, sinon plus vite que la croissance des capacités de transmission. Au cours des 40 années d'exploitation, les Voyagers 1 et 2 ont produit 5 To d'informations. Le satellite NISAR Earth Science, dont le lancement est prévu en 2020, produira 85 To de données par mois. Et si les satellites de la Terre peuvent le faire, le transfert d'un tel volume de données entre les planètes est une toute autre histoire. Même un MRS relativement rapide transmettra 85 To de données à la Terre pendant 20 ans.
«Le taux de transfert de données estimé lors de l'exploration de Mars à la fin des années 2020 et au début des années 2030 sera de 150 Mbps ou plus, alors calculons», explique Abraham. - Si un vaisseau spatial de classe MPC à une distance maximale de nous à Mars peut envoyer environ 1 Mbit / s à une antenne de 70 mètres sur Terre, alors un réseau de 150 antennes de 70 mètres sera nécessaire pour établir la communication à une vitesse de 150 Mbit / s. Oui, bien sûr, nous pouvons trouver des moyens ingénieux pour réduire légèrement ce montant absurde, mais le problème existe évidemment: l'organisation de la communication interplanétaire à une vitesse de 150 Mbps est une affaire extrêmement compliquée. De plus, nous mettons fin au spectre des fréquences autorisées. »
Comme Abraham le démontre, travaillant dans la bande S ou X, une mission avec une bande passante de 25 Mbps occupera tout le spectre disponible. Il y a plus d'espace dans la gamme K
a , mais seuls deux satellites Mars avec une bande passante de 150 Mbps occuperont tout le spectre. En termes simples, l'Internet interplanétaire nécessitera plus que de la radio, il dépendra des lasers.
L'avènement des communications optiques
Les lasers semblent futuristes, mais l'idée des communications optiques remonte au brevet déposé par Alexander Graham Bell dans les années 1880. Bell a développé un système dans lequel la lumière du soleil focalisée sur un faisceau très étroit était dirigée vers un diaphragme réfléchissant qui vibrait en raison des sons. Les vibrations ont provoqué des variations de la lumière passant à travers la lentille dans un photodétecteur grossier. Les changements dans la résistance du photodétecteur ont changé le courant traversant le téléphone.
Le système était instable, le volume était très faible et Bell a finalement abandonné l'idée. Mais, après près de 100 ans, armés de lasers et de fibres optiques, les ingénieurs de la NASA sont revenus sur ce vieux concept.
"Nous connaissions les limites des systèmes RF, donc le Jet Propulsion Laboratory à la fin des années 1970 et au début des années 1980 a commencé à discuter de la possibilité de transmettre des messages depuis l'espace lointain à l'aide de lasers spatiaux", a déclaré Abraham. Pour mieux comprendre ce qui est possible et ce qui ne l'est pas dans les communications optiques dans l'espace lointain, le laboratoire a organisé à la fin des années 1980 une étude de quatre ans, le Deep Space Relay Satellite System (DSRSS), le Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). L'étude était censée répondre à des questions cruciales: qu'en est-il des problèmes de météo et de visibilité (après tout, les ondes radio peuvent facilement traverser les nuages, contrairement aux lasers)? Que faire si l'angle de la sonde Soleil-Terre devient trop net? Un détecteur sur Terre distingue-t-il un faible signal optique de la lumière solaire? Et enfin, combien cela coûtera-t-il et en vaudra-t-il la peine? «Nous cherchons toujours des réponses à ces questions», admet Abraham. "Cependant, les réponses confirment de plus en plus la possibilité de transmission optique de données."
Le DSRSS a suggéré que pour les communications optiques et radio, un point situé au-dessus de l'atmosphère terrestre est le mieux adapté. Il a été déclaré que le système de communication optique installé sur la station orbitale fonctionnerait mieux que n'importe quelle architecture terrestre, y compris les antennes emblématiques de 70 mètres. Il a été proposé de déployer une plaque de 10 mètres en orbite terrestre basse, puis de la porter en géosynchrone. Cependant, le coût d'un tel système - composé d'un satellite avec une antenne parabolique, d'une fusée de lancement et de cinq terminaux d'utilisateurs - était excessif. De plus, l'étude n'a même pas fixé le coût du système auxiliaire nécessaire, qui entrerait en service en cas de panne d'un satellite.
Avec ce système, les experts du Laboratoire ont commencé à examiner l'architecture du sol décrite dans le rapport analytique «Ground Based Advanced Technology Study (GBATS)», mené au Laboratoire à peu près en même temps que DRSS. Les personnes travaillant sur le GBATS ont avancé deux suggestions alternatives. Le premier est l'installation de six stations avec des antennes de 10 mètres et des antennes de rechange d'un mètre situées à 60 degrés l'une de l'autre à travers l'équateur. Les stations devaient être construites sur les sommets des montagnes, où au moins 66% des jours de l'année sont par temps clair. Ainsi, 2-3 stations seront toujours visibles pour tout vaisseau spatial, et elles auront des conditions météorologiques différentes. La deuxième option est de neuf stations, regroupées en groupes de trois, et situées à 120 degrés l'une de l'autre. Les stations au sein de chaque groupe doivent être situées à 200 km les unes des autres afin qu'elles soient en ligne de vue directe, mais dans des cellules météorologiques différentes.
Les deux architectures GBATS étaient moins chères que l'approche spatiale, mais elles avaient également des problèmes. Premièrement, étant donné que les signaux devaient traverser l'atmosphère terrestre, la réception le jour serait bien pire que la nuit à cause du ciel éclairé. Malgré son emplacement ingénieux, les stations optiques au sol dépendront de la météo. Le vaisseau spatial dirigeant le laser vers la station au sol devra finalement s'adapter aux mauvaises conditions météorologiques et rétablir la communication avec une autre station que les nuages ne bloquent pas.
Cependant, quels que soient les problèmes, les projets DSRSS et GBATS ont jeté les bases théoriques des systèmes optiques pour les communications spatiales à longue distance et des développements modernes des ingénieurs de la NASA. Il ne restait plus qu'à construire un système similaire et à démontrer son opérabilité. Heureusement, il ne restait que quelques mois.
Mise en œuvre du projet
À cette époque, la transmission optique des données dans l'espace avait déjà eu lieu. La première expérience a été menée en 1992, lorsque la sonde Galileo se dirigeait vers Jupiter, et a déployé sa caméra haute résolution sur Terre pour recevoir avec succès un ensemble d'impulsions laser envoyées par le télescope de 60 cm du Table Mountain Observatory et par 1,5 m du télescope USAF Starfire Optical Gamme au Nouveau-Mexique. À ce stade, Galileo était à 1,4 million de kilomètres de la Terre, cependant, les deux faisceaux laser ont frappé sa caméra.
Les agences spatiales japonaise et européenne ont également pu établir des communications optiques entre les stations au sol et les satellites en orbite autour de la Terre. Ils ont ensuite pu établir une connexion à une vitesse de 50 Mbps entre deux satellites. Il y a quelques années, l'équipe allemande a établi une communication bidirectionnelle optique cohérente à 5,6 Gbit / s entre le satellite NFIRE en orbite terrestre basse et la station au sol de Tenerife (Espagne). Mais tous ces cas étaient associés à l'orbite terrestre.
La toute première liaison optique reliant une station au sol et un vaisseau spatial en orbite à proximité d'une autre planète du système solaire a été établie en janvier 2013. Une image en noir et blanc de Joconde mesurant 152 x 200 pixels a été transmise de la station laser de télémétrie de nouvelle génération située au Goddard Space Flight Center de la NASA au Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) à une vitesse de 300 bps. La connexion était à sens unique. Le LRO a renvoyé l'image reçue de la Terre par des communications radio conventionnelles. L'image avait besoin d'une petite correction d'erreur logicielle, mais même sans cet encodage, elle était facile à reconnaître. Et à cette époque, le lancement d'un système plus puissant sur la Lune était déjà prévu.
Du projet «Lunar Reconnaissance Orbital Vehicle» en 2013: pour effacer les informations des erreurs de transmission introduites par l'atmosphère terrestre (à gauche), les scientifiques du Goddard Space Flight Center ont appliqué la correction d'erreur Reed-Solomon (à droite), qui est activement utilisée sur CD et DVD. Les erreurs typiques incluent les pixels manquants (blanc) et les faux signaux (noir). Une barre blanche indique une courte pause dans la transmission.Le chercheur de l'atmosphère lunaire et de l'environnement poussiéreux (LADEE) est entré sur l'orbite de la lune le 6 octobre 2013, et seulement une semaine plus tard a lancé son laser pulsé pour la transmission de données. Cette fois, la NASA a tenté d'organiser une communication bidirectionnelle à une vitesse de 20 Mbps dans cette direction et une vitesse record de 622 Mbps dans la direction opposée. Le seul problème était la courte durée de vie de la mission. Les communications optiques LRO n'ont fonctionné que quelques minutes. LADEE a échangé des données avec son laser pendant 16 heures en un total de 30 jours. Cette situation devrait changer lors du lancement du satellite de communication laser de démonstration (LCRD), prévu pour juin 2019. Sa mission est de montrer comment les futurs systèmes de communication dans l'espace fonctionneront.
Le LCRD est développé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en collaboration avec le Lincoln Laboratory du MIT. Il disposera de deux terminaux optiques: l'un pour la communication en orbite terrestre basse, l'autre pour l'espace lointain. Le premier devra utiliser la clé de décalage de phase différentielle (DPSK).
L'émetteur enverra des impulsions laser avec une fréquence de 2,88 GHz. Selon cette technologie, chaque bit sera codé par la différence de phase d'impulsions consécutives. Il pourra fonctionner à une vitesse de 2,88 Gbit / s, mais cela demandera beaucoup d'énergie. Les détecteurs ne peuvent reconnaître la différence entre les impulsions que dans les signaux à haute énergie, car le DPSK fonctionne parfaitement avec les communications proches de la Terre, mais ce n'est pas la meilleure méthode pour l'espace lointain, où il est difficile de stocker de l'énergie. Un signal envoyé depuis Mars perdra de l'énergie jusqu'à ce qu'il atteigne la Terre.Par conséquent, pour démontrer la communication optique avec l'espace lointain, le LCRD utilisera une technologie plus efficace - la modulation d'impulsion de phase.
Les ingénieurs de la NASA préparent le LADEE pour les tests
En 2017, les ingénieurs ont testé des modems de vol dans une chambre à vide thermique« , , — . – , , . , , . ». , . , , . « DPSK, / », — .
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«Il y a beaucoup de problèmes lors du développement d'une telle infrastructure. Il doit être fiable et stable, même à une distance maximale de 2,67 UA vers Mars. pendant les périodes de la conjonction solaire supérieure, lorsque Mars se cache derrière le Soleil », explique Abraham. Une telle connexion se produit tous les deux ans et perturbe complètement la communication avec Mars. «Aujourd'hui, je ne peux pas faire face à cela. Toutes les stations d'atterrissage et orbitales qui se trouvent sur Mars perdent simplement le contact avec la Terre pendant environ deux semaines. Avec les communications optiques, les pertes de communications dues aux connexions solaires seront encore plus longues, de 10 à 15 semaines. » Pour les robots, de tels écarts ne sont pas particulièrement effrayants. Un tel isolement ne leur cause pas de problèmes, car ils ne commencent pas à s'ennuyer, ne ressentent pas la solitude, ils n'ont pas besoin de voir leurs proches. Mais pour les gens, c'est complètement faux.« , 17300 », — . , 1500 , , X-, K
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