गहरे स्थान पर कॉल करें: नासा कैसे इंटरप्लेनेटरी संचार को गति देता है

“रेडियो फ्रीक्वेंसी पर काम करने वाली तकनीक में सुधार करने के लिए व्यावहारिक रूप से कहीं नहीं है। सरल समाधान वहाँ समाप्त होते हैं। ”

26 नवंबर, 2018 को 22:53 मॉस्को के समय में, नासा ने इसे फिर से किया - इनसाइट जांच सफलतापूर्वक वायुमंडल, वंश और लैंडिंग युद्धाभ्यास में प्रवेश करने के बाद मंगल की सतह पर उतरा, जिसे बाद में "साढ़े छह मिनट का डरावना" करार दिया गया। एक उपयुक्त विवरण, क्योंकि नासा के इंजीनियरों को यह तुरंत पता नहीं चल सका है कि पृथ्वी और मंगल ग्रह के बीच संचार में अस्थायी देरी के कारण अंतरिक्ष जांच सफलतापूर्वक बैठ गई है, जो लगभग 8.1 मिनट थी। इस विंडो के दौरान, इनसाइट अपने अधिक आधुनिक और शक्तिशाली एंटेना पर भरोसा नहीं कर सकता था - यह सभी पुराने जमाने के यूएचएफ संचार पर निर्भर करता था (यह विधि लंबे समय से हर जगह प्रसारण और वॉकी-टॉकी से ब्लूटूथ डिवाइसों तक इस्तेमाल की गई है)।

नतीजतन, महत्वपूर्ण इनसाइट डेटा को रेडियो तरंगों पर 401.586 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ दो उपग्रहों, किबसैट , डब्ल्यूएएल -ई और ईवीई में प्रेषित किया गया था, जो तब पृथ्वी पर स्थित 8 केबीपीएस से 70-मीटर की गति से डेटा प्रसारित करते थे। शावक को इन्साइट के समान रॉकेट पर लॉन्च किया गया था, और वे लैंडिंग का निरीक्षण करने और तुरंत डेटा घर स्थानांतरित करने के लिए मंगल की यात्रा पर उसके साथ गए। अन्य ऑर्बिटल मार्टियन जहाज, उदाहरण के लिए, मार्टियन टोही उपग्रह (एमआरएस), एक असहज स्थिति में थे और लैंडर के साथ वास्तविक समय संदेश प्रदान करने में पहले नहीं कर सकते थे। यह कहने के लिए नहीं कि पूरी लैंडिंग दो प्रयोगात्मक Kubsats पर एक सूटकेस के आकार पर निर्भर थी, लेकिन MPC इनसाइट से डेटा को एक लंबे समय तक इंतजार करने के बाद ही प्रसारित कर सकता था।

इनसाइट लैंडिंग ने वास्तव में नासा के संपूर्ण संचार वास्तुकला, मंगल नेटवर्क का परीक्षण किया। परिक्रमण करने वाले उपग्रहों से संचरित इनसाइट लैंडिंग मॉड्यूल का संकेत किसी भी स्थिति में पृथ्वी तक पहुंच जाएगा, भले ही उपग्रह विफल हो गए हों। तत्काल सूचना हस्तांतरण के लिए WALL-E और EVE की आवश्यकता थी, और उन्होंने इसका सामना किया। यदि इन किबेट्स ने किसी कारण से काम नहीं किया, तो IFA अपनी भूमिका निभाने के लिए तैयार था। उनमें से प्रत्येक ने इंटरनेट के समान एक नेटवर्क में नोड के रूप में काम किया, विभिन्न उपकरणों से डेटा पैकेट भेजकर, विभिन्न उपकरणों से मिलकर। आज, उनमें से सबसे प्रभावी एमपीसी है, जो 6 एमबीपीएस तक की गति पर डेटा प्रसारित करने में सक्षम है (और यह इंटरप्लेनेटरी मिशन के लिए वर्तमान रिकॉर्ड है)। हालांकि, नासा को अतीत में बहुत कम गति के साथ काम करना पड़ा था - और भविष्य में इसे बहुत तेजी से डेटा हस्तांतरण की आवश्यकता होगी।


अपने आईएसपी की तरह, नासा इंटरनेट उपयोगकर्ताओं को वास्तविक समय में अंतरिक्ष यान के साथ संबंध की जांच करने की अनुमति देता है।

डीप स्पेस कम्युनिकेशन नेटवर्क

अंतरिक्ष में नासा की बढ़ती मौजूदगी के साथ, बेहतर मैसेजिंग सिस्टम लगातार दिखाई दे रहे हैं, अधिक से अधिक जगह को कवर करते हुए: सबसे पहले यह कम पृथ्वी की कक्षा थी, फिर एक जियोसिंक्रोनस ऑर्बिट और मून, और जल्द ही संचार अंतरिक्ष में गहराई से चला गया। यह सब एक कठोर पोर्टेबल रेडियो के साथ शुरू हुआ, जिसमें एक्सप्लोरर 1 से टेलीमेट्री, 1958 में अमेरिकियों द्वारा सफलतापूर्वक लॉन्च किया गया पहला उपग्रह नाइजीरिया, सिंगापुर और कैलिफोर्निया में अमेरिकी सैन्य ठिकानों पर प्राप्त किया गया था। धीरे-धीरे लेकिन निश्चित रूप से, यह आधार आज के उन्नत संदेश प्रणालियों में विकसित हो गया है।

डगलस अब्राहम, नासा के इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क निदेशालय में रणनीतिक और प्रणाली पूर्वानुमान के प्रमुख, अंतरिक्ष में संदेश प्रसारित करने के लिए तीन स्वतंत्र रूप से विकसित नेटवर्क पर प्रकाश डालते हैं। नियर अर्थ नेटवर्क कम पृथ्वी की कक्षा में अंतरिक्ष यान के साथ काम करता है। अब्राहम कहते हैं, "यह 9 से 12 मीटर तक के एंटेना का एक सेट है। कई बड़े लोग हैं, 15-18 मीटर।" फिर, पृथ्वी के जियोसिंक्रोनस ऑर्बिट के ऊपर, कई डेटा ट्रैकिंग और उपग्रह (TDRS) संचारित कर रहे हैं। "वे कम पृथ्वी की कक्षा में उपग्रहों को देख सकते हैं और उनके साथ संवाद कर सकते हैं, और फिर टीडीआरएस के माध्यम से इस जानकारी को जमीन पर पहुंचा सकते हैं," अब्राहम बताते हैं। "इस उपग्रह डेटा प्रणाली को नासा का अंतरिक्ष नेटवर्क कहा जाता है।"

लेकिन यहां तक ​​कि टीडीआरएस भी एक अंतरिक्ष यान के साथ संचार करने के लिए पर्याप्त नहीं था जो अन्य ग्रहों से चंद्रमा की कक्षा से बहुत आगे निकल गया था। “इसलिए, हमें पूरे सौर मंडल को कवर करने वाला एक नेटवर्क बनाना था। और यह डीप स्पेस नेटवर्क (DSN) है, ”अब्राहम कहते हैं। मार्टियन नेटवर्क DSN का विस्तार है।

लंबाई और योजनाओं को देखते हुए, DSN इन प्रणालियों में सबसे जटिल है। वास्तव में, यह 34 से 70 मीटर व्यास के बड़े एंटेना का एक सेट है। तीन डीएसएन साइटों में से प्रत्येक में, कई 34-मीटर एंटेना और एक 70-मीटर एंटीना काम करते हैं। एक साइट गोल्डस्टोन (कैलिफोर्निया) में स्थित है, दूसरी मैड्रिड (स्पेन) के पास, और तीसरी कैनबरा (ऑस्ट्रेलिया) में। ये साइटें दुनिया भर में लगभग 120 डिग्री अलग हैं, और जियोसिंक्रोनस कक्षा के बाहर सभी अंतरिक्ष यान के लिए चौबीसों घंटे कवरेज प्रदान करती हैं।

34-मीटर एंटेना डीएसएन के मुख्य उपकरण हैं, और दो प्रकार हैं: उच्च दक्षता के पुराने एंटेना और अपेक्षाकृत नए वेवगाइड। अंतर यह है कि वेवगाइड एंटीना में पांच सटीक रेडियो फ्रीक्वेंसी मिरर होते हैं जो पाइप के जरिए सिग्नल को अंडरग्राउंड ऑपरेटर रूम में दर्शाते हैं, जहाँ इन संकेतों का विश्लेषण करने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स को हस्तक्षेप के सभी स्रोतों से बेहतर सुरक्षा मिलती है। 34-मीटर एंटेना, व्यक्तिगत रूप से या 2-3 प्लेटों के समूहों में काम करते हुए, अधिकांश आवश्यक नासा संचार प्रदान कर सकते हैं। लेकिन विशेष अवसरों के लिए, जब कई 34-मीटर एंटेना के लिए भी दूरी बहुत लंबी हो जाती है, डीएसएन नियंत्रण 70-मीटर राक्षसों का उपयोग करता है।

"वे कुछ मामलों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं," अब्राहम बड़े एंटेना के बारे में कहते हैं। पहला यह है कि जब अंतरिक्ष यान पृथ्वी से इतनी दूर है कि छोटी प्लेट का उपयोग करके इसके साथ संचार स्थापित करना असंभव होगा। “अच्छे उदाहरण न्यू होराइजन्स मिशन हैं, जो प्लूटो से परे या सौर मंडल के बाहर स्थित वायेजर अंतरिक्ष यान से बहुत दूर तक उड़ान भरते हैं। केवल 70-मीटर एंटेना उनके माध्यम से तोड़ने और पृथ्वी पर अपना डेटा देने में सक्षम हैं, ”अब्राहम बताते हैं।

70-मीटर प्लेट का उपयोग तब भी किया जाता है जब अंतरिक्ष यान प्रवर्धित एंटीना के साथ काम नहीं कर सकता है, या तो नियोजित महत्वपूर्ण स्थिति जैसे कि कक्षा में जाने के कारण, या क्योंकि कुछ पूरी तरह से गलत हो जाता है। उदाहरण के लिए, 70 मीटर का एंटीना, अपोलो 13 को सुरक्षित रूप से पृथ्वी पर वापस लाने के लिए इस्तेमाल किया गया था। उसने नील आर्मस्ट्रांग के प्रसिद्ध वाक्यांश को भी अपनाया, "मनुष्य के लिए एक छोटा कदम, मानवता के लिए एक विशाल कदम।" और आज भी, DSN दुनिया में सबसे उन्नत और संवेदनशील संचार प्रणाली बनी हुई है। "लेकिन कई कारणों से, वह पहले ही अपनी सीमा तक पहुंच गई है," अब्राहम को चेतावनी दी। "रेडियो फ्रीक्वेंसी पर प्रौद्योगिकी के संचालन में सुधार करने के लिए व्यावहारिक रूप से कहीं नहीं है।" सरल समाधान वहाँ समाप्त होते हैं। ”


तीन ग्राउंड स्टेशन 120 डिग्री अलग


कैनबरा में डीएसएन प्लेटें


DSN मैड्रिड


गोल्डस्टोन में डी.एस.एन.


जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला में कैमरा कक्ष

रेडियो, और उसके बाद क्या होगा

यह कहानी नई नहीं है। लंबी दूरी के अंतरिक्ष संचार के इतिहास में आवृत्तियों को बढ़ाने और तरंग दैर्ध्य को कम करने के लिए निरंतर संघर्ष होता है। एक्सप्लोरर 1 ने 108 मेगाहर्ट्ज की आवृत्तियों का उपयोग किया। फिर नासा ने 1 से 2 गीगाहर्ट्ज तक एल-बैंड से आवृत्तियों का समर्थन करते हुए बेहतर लाभ के साथ बड़े एंटेना पेश किए। फिर एस-बैंड की बारी आई, जिसमें 2 से 4 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति थी, और फिर एजेंसी ने 7-11.2 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ एक्स-बैंड पर स्विच किया।

आज, अंतरिक्ष संचार प्रणाली फिर से बदलाव के दौर से गुजर रही है - अब वे हर्ट्ज गीगाहर्ट्ज बैंड, के ए बैंड पर जा रहे हैं। अब्राहम कहते हैं, "इस प्रवृत्ति का कारण यह है कि तरंगदैर्घ्य जितना कम होगा और आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी।

आशावाद के कारण हैं, यह देखते हुए कि ऐतिहासिक रूप से नासा में संचार के विकास की गति काफी अधिक रही है। जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी का 2014 का एक शोध अध्ययन तुलना के लिए निम्नलिखित बैंडविड्थ डेटा प्रदान करता है: अगर हमने बृहस्पति से पृथ्वी पर एक विशिष्ट iPhone फोटो को स्थानांतरित करने के लिए एक्सप्लोरर 1 संचार प्रौद्योगिकी का उपयोग किया, तो यह वर्तमान युग की तुलना में 460 गुना अधिक समय लेगा। ब्रह्मांड। 1960 के पायनियर्स 2 और 4 के लिए, यह 633,000 साल लगेंगे। 1971 के मेरिनर 9 ने 55 घंटे में इससे निपटा होगा। आज, IFA को ऐसा करने में तीन मिनट लगेंगे।

केवल समस्या, ज़ाहिर है, अंतरिक्ष यान द्वारा प्राप्त आंकड़ों की मात्रा तेजी से बढ़ रही है, अगर ट्रांसमिशन क्षमताओं के विकास की तुलना में तेजी से नहीं। ऑपरेशन के 40 वर्षों में, वायोसैंस 1 और 2 ने 5 टीबी जानकारी का उत्पादन किया है। 2020 में लॉन्च होने वाला NISAR अर्थ साइंस उपग्रह, प्रति माह 85 टीबी डेटा का उत्पादन करेगा। और अगर पृथ्वी के उपग्रह ऐसा कर सकते हैं, तो ग्रहों के बीच डेटा की इतनी मात्रा का हस्तांतरण एक पूरी तरह से अलग कहानी है। यहां तक ​​कि अपेक्षाकृत त्वरित एमआरएस 20 वर्षों के लिए 85 टीबी डेटा पृथ्वी पर प्रसारित करेगा।

अब्राहम कहते हैं, "2020 के अंत में और 2030 के दशक की शुरुआत में मंगल की खोज के दौरान अनुमानित डेटा अंतरण दर 150 एमबीपीएस या उससे अधिक होगी, तो चलो गणना करते हैं," अब्राहम कहते हैं। - यदि मंगल से हमसे अधिकतम दूरी पर एक MPC वर्ग का अंतरिक्ष यान, पृथ्वी पर 70 मीटर के एंटीना पर लगभग 1 Mbit / s भेज सकता है, तो 150 Mbit / s की गति से संचार स्थापित करने के लिए 150 70-मीटर एंटेना की आवश्यकता होगी। हां, बेशक, हम इस बेतुकी राशि को थोड़ा कम करने के लिए सरल तरीके से आ सकते हैं, लेकिन समस्या स्पष्ट रूप से मौजूद है: 150 एमबीपीएस की गति पर इंटरप्लेनेटरी संचार का संगठन एक अत्यंत जटिल मामला है। इसके अलावा, हम अनुमत आवृत्तियों के स्पेक्ट्रम को समाप्त कर रहे हैं। ”

जैसा कि अब्राहम दर्शाता है, एस या एक्स बैंड में काम करते हुए, 25 एमबीपीएस की बैंडविड्थ के साथ एक मिशन पूरे उपलब्ध स्पेक्ट्रम पर कब्जा कर लेगा। K की _एक सीमा में अधिक जगह है, लेकिन 150 एमबीपीएस की बैंडविड्थ के साथ केवल दो मंगल उपग्रह पूरे स्पेक्ट्रम पर कब्जा कर लेंगे। सीधे शब्दों में कहें तो इंटरप्लेनेटरी इंटरनेट के लिए सिर्फ रेडियो से ज्यादा की आवश्यकता होगी - यह लेजर पर निर्भर करेगा।

ऑप्टिकल संचार का आगमन

लेजर ध्वनि भविष्यवाणियां करते हैं, लेकिन 1880 के दशक में अलेक्जेंडर ग्राहम बेल द्वारा दायर पेटेंट पर ऑप्टिकल संचार के विचार का पता लगाया जा सकता है। बेल ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की जिसमें सूर्य के प्रकाश को एक बहुत ही संकीर्ण बीम पर केंद्रित किया गया था जो कि एक परावर्तक डायाफ्राम को निर्देशित किया गया था जो ध्वनियों के कारण कंपन करता था। कंपन ने लेंस के माध्यम से गुजरने वाले प्रकाश में एक मोटे फोटोडेटेक्टर में बदलाव का कारण बना। फोटोडेटेक्टर के प्रतिरोध में परिवर्तन ने फोन से गुजरने वाले वर्तमान को बदल दिया।

सिस्टम अस्थिर था, वॉल्यूम बहुत कम था, और बेल ने अंततः विचार को छोड़ दिया। लेकिन, लगभग 100 वर्षों के बाद, लेज़रों और ऑप्टिकल फाइबर से लैस होकर, नासा के इंजीनियर इस पुरानी अवधारणा पर लौट आए।

"हम आरएफ सिस्टम की सीमाओं के बारे में जानते थे, इसलिए 1970 के दशक के अंत और 1980 के दशक की शुरुआत में जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी ने स्पेस लेज़रों का उपयोग करके गहरे अंतरिक्ष से संदेशों को प्रसारित करने की संभावना पर चर्चा करना शुरू किया।" यह समझने के लिए कि गहरे अंतरिक्ष में ऑप्टिकल संचार में क्या संभव है और क्या नहीं है, 1980 के दशक के उत्तरार्ध में प्रयोगशाला ने चार साल के अध्ययन, डीप स्पेस रिले सैटेलाइट सिस्टम (डीआरआरएसएस), डीप स्पेस रिले सैटेलाइट सिस्टम (डीएसआरएसएस) का आयोजन किया। अध्ययन में महत्वपूर्ण सवालों का जवाब देना चाहिए था: मौसम और दृश्यता की समस्याओं के बारे में क्या (आखिरकार, रेडियो तरंगें बादलों से आसानी से गुजर सकती हैं, जबकि लेजर नहीं कर सकता)? क्या होगा अगर सूर्य-पृथ्वी-जांच का कोण बहुत तेज हो जाए? क्या पृथ्वी पर एक डिटेक्टर सूर्य के प्रकाश से एक कमजोर ऑप्टिकल सिग्नल को अलग करता है? और अंत में, यह सब कितना खर्च होगा, और क्या यह इसके लायक होगा? अब्राहम मानते हैं, '' हम अभी भी इन सवालों के जवाब तलाश रहे हैं। "हालांकि, उत्तर तेजी से ऑप्टिकल डेटा ट्रांसमिशन की संभावना की पुष्टि करते हैं।"

DSRSS ने सुझाव दिया कि ऑप्टिकल और रेडियो संचार के लिए, पृथ्वी के वायुमंडल के ऊपर स्थित एक बिंदु सबसे उपयुक्त है। यह कहा गया था कि कक्षीय स्टेशन पर स्थापित ऑप्टिकल संचार प्रणाली किसी भी स्थलीय वास्तुकला की तुलना में बेहतर काम करेगी, जिसमें प्रतिष्ठित 70 मीटर के एंटेना शामिल हैं। यह कम पृथ्वी की कक्षा में 10 मीटर की प्लेट को तैनात करने का प्रस्ताव था, और फिर इसे जियोसिंक्रोनस में बढ़ा दिया। हालांकि, ऐसी प्रणाली की लागत - एक डिश के साथ एक उपग्रह, एक प्रक्षेपण रॉकेट और पांच उपयोगकर्ता टर्मिनलों से मिलकर - अत्यधिक थी। इसके अलावा, अध्ययन ने आवश्यक सहायक प्रणाली की लागत को भी कम नहीं किया, जो कि उपग्रह की विफलता की स्थिति में ऑपरेशन में आएगा।

इस प्रणाली के रूप में, प्रयोगशाला के विशेषज्ञ डीआरएसएस के रूप में लगभग उसी समय प्रयोगशाला में किए गए विश्लेषणात्मक रिपोर्ट "ग्राउंड बेस्ड एडवांस्ड टेक्नोलॉजी स्टडी (जीबीएटीएस)" में वर्णित जमीनी वास्तुकला को देखने लगे। GBATS पर काम कर रहे लोगों ने दो वैकल्पिक सुझाव सामने रखे हैं। पहला 10-मीटर एंटेना के साथ छह स्टेशनों की स्थापना है और भूमध्य रेखा के पार एक-दूसरे से 60 डिग्री पर स्थित एक मीटर स्पेयर एंटेना है। पहाड़ की चोटियों पर स्टेशन बनाए जाने थे, जहाँ वर्ष में कम से कम 66% दिन मौसम साफ रहता है। इस प्रकार, 2-3 स्टेशन हमेशा किसी भी अंतरिक्ष यान को दिखाई देंगे, और उनके पास अलग मौसम होगा। दूसरा विकल्प नौ स्टेशनों, तीन के समूहों में समूहीकृत, और 120 डिग्री अलग स्थित है। प्रत्येक समूह के भीतर स्टेशनों को एक दूसरे से 200 किमी की दूरी पर स्थित होना चाहिए ताकि वे दृष्टि की सीधी रेखा में हों, लेकिन विभिन्न मौसम कोशिकाओं में।

दोनों GBATS आर्किटेक्चर अंतरिक्ष के दृष्टिकोण से सस्ते थे, लेकिन उन्हें भी समस्या थी। सबसे पहले, चूंकि संकेत पृथ्वी के वायुमंडल से गुजरने के लिए आवश्यक हैं, इसलिए दिन में स्वागत हल्के आकाश की वजह से रात में बहुत खराब होगा। इसके सरल स्थान के बावजूद, जमीन-आधारित ऑप्टिकल स्टेशन मौसम पर निर्भर करेगा। लेजर को ग्राउंड स्टेशन पर निर्देशित करने वाले अंतरिक्ष यान को अंततः खराब मौसम की स्थिति के अनुकूल होना होगा और किसी अन्य स्टेशन के साथ संचार को फिर से स्थापित करना होगा जो बादल ब्लॉक नहीं करते हैं।

हालांकि, समस्याओं की परवाह किए बिना, डीएसआरएसएस और जीबीएटीएस परियोजनाओं ने नासा में लंबी दूरी के अंतरिक्ष संचार और इंजीनियरों के आधुनिक विकास के लिए ऑप्टिकल सिस्टम के लिए सैद्धांतिक नींव रखी। यह केवल एक समान प्रणाली का निर्माण करने और अपनी संचालन क्षमता प्रदर्शित करने के लिए बना रहा। सौभाग्य से, कुछ ही महीने रह गए।

परियोजना कार्यान्वयन

उस समय तक, अंतरिक्ष में ऑप्टिकल डेटा ट्रांसमिशन पहले ही हो चुका था। पहला प्रयोग 1992 में किया गया था, जब गैलीलियो जांच बृहस्पति की ओर बढ़ रही थी, और टेबल माउंटेन वेधशाला के 60-सेमी दूरबीन से भेजे गए लेजर दालों का एक सेट सफलतापूर्वक प्राप्त करने के लिए पृथ्वी पर अपना उच्च-रिज़ॉल्यूशन कैमरा तैनात किया और दूरबीन USAF Starfire ऑप्टिकल के 1.5 मीटर से न्यू मैक्सिको में रेंज। इस बिंदु पर, गैलीलियो पृथ्वी से 1.4 मिलियन किमी दूर था, हालांकि, दोनों लेजर बीम ने उसके कैमरे को मारा।

जापानी और यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसियां ​​पृथ्वी के चारों ओर कक्षा में ग्राउंड स्टेशन और उपग्रहों के बीच ऑप्टिकल संचार स्थापित करने में सक्षम थीं। तब वे दो उपग्रहों के बीच 50 एमबीपीएस की गति से एक कनेक्शन स्थापित करने में सक्षम थे। कुछ साल पहले, जर्मन टीम ने कम पृथ्वी की कक्षा में NFIRE उपग्रह और Tenerife (स्पेन) के ग्राउंड स्टेशन के बीच 5.6 Gbit / s सुसंगत ऑप्टिकल द्विदिश संचार की स्थापना की। लेकिन ये सभी मामले पृथ्वी की कक्षा से जुड़े थे।

ग्राउंड स्टेशन और सौरमंडल के किसी अन्य ग्रह के निकट कक्षा में एक अंतरिक्ष यान को जोड़ने वाला बहुत पहला ऑप्टिकल लिंक जनवरी 2013 में स्थापित किया गया था। 152x200 पिक्सल मापने वाली मोना लिसा की एक श्वेत-श्याम छवि को अगली पीढ़ी के उपग्रह से ले जाया गया था, जो नासा के गोडार्ड स्पेस फ़्लाइट सेंटर में स्थित लूनर रिकॉइसेंस ऑर्बिटर (एलआरओ) में 300 बीपीएस की गति से स्थित था। कनेक्शन एक तरफ़ा था। एलआरओ ने पारंपरिक रेडियो संचार पर पृथ्वी से प्राप्त छवि को वापस भेजा। छवि को थोड़ा सॉफ़्टवेयर त्रुटि सुधार की आवश्यकता थी, लेकिन इस एन्कोडिंग के बिना भी इसे पहचानना आसान था। और उस समय, चंद्रमा के लिए एक अधिक शक्तिशाली प्रणाली का प्रक्षेपण पहले से ही योजनाबद्ध था।


2013 में "लूनर टोही वाहन" परियोजना से: पृथ्वी के वायुमंडल (बाएं) द्वारा शुरू की गई संचरण त्रुटियों से स्पष्ट जानकारी के लिए, गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर के वैज्ञानिकों ने रीड-सोलोमन त्रुटि सुधार (दाएं) लागू किया, जिसका सक्रिय रूप से सीडी और डीवीडी में उपयोग किया जाता है। विशिष्ट त्रुटियों में लापता पिक्सेल (सफेद) और गलत संकेत (काला) शामिल हैं। एक सफेद पट्टी संचरण में एक छोटे ठहराव को इंगित करती है।

चंद्र वातावरण और धूल के वातावरण (LADEE) के शोधकर्ता ने 6 अक्टूबर, 2013 को चंद्रमा की कक्षा में प्रवेश किया, और केवल एक हफ्ते बाद डेटा संचरण के लिए अपने स्पंदित लेजर का शुभारंभ किया। इस बार, नासा ने उस दिशा में 20 एमबीपीएस की गति से दो तरफा संचार और विपरीत दिशा में 622 एमबीपीएस की रिकॉर्ड गति की व्यवस्था करने की कोशिश की। एकमात्र समस्या मिशन का छोटा जीवन काल था। ऑप्टिकल एलआरओ संचार केवल कुछ मिनटों के लिए काम करता है। LADEE ने अपने लेजर के साथ कुल 30 दिनों में 16 घंटे तक डेटा का आदान-प्रदान किया। जून 2019 के लिए निर्धारित डेमोंस्ट्रेशन लेजर कम्युनिकेशन सैटेलाइट (LCRD) लॉन्च होने पर यह स्थिति बदलनी चाहिए। इसका काम यह दिखाना है कि अंतरिक्ष में भविष्य की संचार प्रणाली कैसे काम करेगी।

LITD को NASA में जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी में MIT में लिंकन प्रयोगशाला के साथ विकसित किया जा रहा है। उसके पास दो ऑप्टिकल टर्मिनल होंगे: एक कम पृथ्वी की कक्षा में संचार के लिए, दूसरा गहरे स्थान के लिए। सबसे पहले डिफरेंशियल फेज शिफ्ट की (डीपीएसके) का उपयोग करना होगा।ट्रांसमीटर लेजर दालों को 2.88 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ भेजेगा। इस तकनीक के अनुसार, प्रत्येक बिट को लगातार दालों के चरण अंतर से एन्कोड किया जाएगा। यह 2.88 Gbit / s की गति से काम करने में सक्षम होगा, लेकिन इसके लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी। डिटेक्टर केवल उच्च-ऊर्जा संकेतों में दालों के बीच के अंतर को पहचानने में सक्षम हैं, क्योंकि डीपीएसके पृथ्वी के निकट संचार के साथ पूरी तरह से काम करता है, लेकिन यह गहरी जगह के लिए सबसे अच्छा तरीका नहीं है, जहां ऊर्जा को स्टोर करना समस्याग्रस्त है। मंगल से भेजा गया एक संकेत ऊर्जा को तब तक खो देगा जब तक वह पृथ्वी तक नहीं पहुंच जाता है, इसलिए, गहरे अंतरिक्ष के साथ ऑप्टिकल संचार का प्रदर्शन करने के लिए, एलसीआरडी एक अधिक कुशल तकनीक - चरण-पल्स मॉड्यूलेशन का उपयोग करेगा।


नासा के इंजीनियर परीक्षण के लिए LADEE तैयार करते हैं


2017 में, इंजीनियरों ने एक थर्मल वैक्यूम कक्ष में उड़ान मोडेम का परीक्षण किया

अब्राहम बताते हैं, "अनिवार्य रूप से, यह फोटॉन की गिनती है।" - संचार के लिए आवंटित छोटी अवधि को कई समय अवधि में विभाजित किया जाता है। डेटा प्राप्त करने के लिए, आपको बस यह जांचने की आवश्यकता है कि क्या प्रत्येक गैप्स के फोटॉन डिटेक्टर से टकराए हैं। तो डेटा FIM में एन्कोडेड है ”। यह मोर्स कोड के समान है, केवल अल्ट्राफास्ट गति से। या तो एक निश्चित समय पर फ्लैश होता है या नहीं, और संदेश फ्लैश के अनुक्रम द्वारा एन्कोड किया जाता है। "और यद्यपि यह डीपीएसके की तुलना में बहुत धीमा है, हम अभी भी दसियों या सैकड़ों एमबीपीएस की गति से ऑप्टिकल संचार को मंगल की दूरी पर व्यवस्थित कर सकते हैं," अब्राहम कहते हैं।

बेशक, LCRD परियोजना केवल ये दो टर्मिनल नहीं हैं। यह अंतरिक्ष में इंटरनेट साइट के रूप में भी काम करना चाहिए। तीन स्टेशन LCRD के साथ जमीन पर काम करेंगे: एक न्यू मैक्सिको के व्हाइट सैंड्स में, एक कैलिफोर्निया के टेबल माउंटेन में, और एक हवाई या माउ द्वीप पर। यह विचार है कि किसी एक स्टेशन पर खराब मौसम की स्थिति में एक ग्राउंड स्टेशन से दूसरे में स्विच की जाँच करें। मिशन डेटा ट्रांसमीटर के रूप में LCRD के संचालन को भी सत्यापित करेगा। सभी स्टेशनों में से एक ऑप्टिकल सिग्नल को उपग्रह को भेजा जाएगा और फिर दूसरे स्टेशन पर भेजा जाएगा - जो सभी ऑप्टिकल संचार के माध्यम से होगा।

यदि डेटा ट्रांसफर तुरंत विफल हो जाता है, तो LCRD इसे स्टोर करेगा और अवसर आने पर इसे ट्रांसमिट कर देगा। यदि डेटा अत्यावश्यक है, या यदि बोर्ड पर स्टोरेज में पर्याप्त जगह नहीं है, तो LCRD अपने K एंटीना के माध्यम से तुरंत भेज देगा_a -band। तो, भविष्य के उपग्रह ट्रांसमीटरों के पूर्ववर्ती, LCRD एक हाइब्रिड रेडियो-ऑप्टिकल सिस्टम होगा। यह ऐसी नासा इकाई है जिसे 2030 के दशक में मनुष्यों द्वारा गहन अंतरिक्ष अन्वेषण का समर्थन करने वाले एक इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क को व्यवस्थित करने के लिए मंगल ग्रह के चारों ओर कक्षा में रखा जाना चाहिए।

मंगल ऑनलाइन लाना

पिछले एक साल में, अब्राहम की टीम ने लंबी दूरी के अंतरिक्ष संचार के भविष्य का वर्णन करते हुए दो काम लिखे हैं, जो मई 2019 में फ्रांस में स्पेस ऑप्स सम्मेलन में प्रस्तुत किए जाएंगे। एक सामान्य रूप से लंबी दूरी के अंतरिक्ष संचार का वर्णन करता है, और दूसरा ( मानव अन्वेषण के युग के लिए मार्शल इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क - संभावित समस्याएं) और समाधान ") बुनियादी ढांचे का एक विस्तृत विवरण जो लाल ग्रह पर अंतरिक्ष यात्रियों के लिए इंटरनेट जैसी सेवा प्रदान कर सकता है, प्रस्तावित है।

शिखर औसत डेटा दर के अनुमान डाउनलोड करने के लिए 215 Mbit / s के क्षेत्र में और 28 Mbit / s डाउनलोड करने के लिए प्राप्त किए गए थे। मार्टियन इंटरनेट में तीन नेटवर्क शामिल होंगे: वाईफाई, सतह पर अनुसंधान के क्षेत्र को कवर करते हुए, एक ग्रह नेटवर्क जो सतह से पृथ्वी तक डेटा पहुंचाता है, और पृथ्वी नेटवर्क, एक अंतरिक्ष संचार नेटवर्क जिसमें तीन साइट हैं जो इस डेटा को प्राप्त करने और मंगल पर प्रतिक्रियाएं भेजने के लिए जिम्मेदार हैं।

“इस तरह के बुनियादी ढांचे को विकसित करते समय बहुत सारी समस्याएं हैं। यह मंगल पर 2.67 एयू की अधिकतम दूरी पर भी विश्वसनीय और स्थिर होना चाहिए। ऊपरी सौर संधि की अवधि के दौरान, जब मंगल सूर्य के पीछे छिप जाता है, ”अब्राहम कहते हैं। ऐसा संबंध हर दो साल में होता है और मंगल के साथ संचार को पूरी तरह से बाधित करता है। "आज, मैं इसके साथ सामना नहीं कर सकता। मंगल पर जाने वाले सभी लैंडिंग और कक्षीय स्टेशन लगभग दो सप्ताह के लिए पृथ्वी से संपर्क खो देते हैं। ऑप्टिकल संचार के साथ, सौर कनेक्शन के कारण संचार हानि 10 से 15 सप्ताह तक लंबी होगी। " रोबोट के लिए, ऐसे अंतराल विशेष रूप से डरावने नहीं हैं। इस तरह के अलगाव से उन्हें परेशानी नहीं होती है, क्योंकि वे ऊब नहीं होने लगते हैं, अकेलापन महसूस नहीं करते हैं, उन्हें अपने प्रियजनों को देखने की आवश्यकता नहीं है। लेकिन लोगों के लिए, यह पूरी तरह से गलत है।

"इसलिए, हम सैद्धांतिक रूप से मंगल की सतह से 17300 किमी ऊपर एक गोलाकार भूमध्यरेखीय कक्षा में रखे गए दो कक्षीय ट्रांसमीटरों को चालू करने की अनुमति देते हैं," अब्राहम जारी रखता है। अध्ययन के अनुसार, वे 1500 किलो वजन चाहिए, और बोर्ड पर एक्स-बैंड में सक्रिय टर्मिनलों का एक सेट है, कश्मीर _एक -dipazone, और ऑप्टिकल रेंज, और सौर ऊर्जा 20-30 किलोवाट के द्वारा संचालित। उन्हें देरी टॉलरेंट नेटवर्क प्रोटोकॉल का समर्थन करना चाहिए - अनिवार्य रूप से टीसीपी / आईपी, जो बड़े देरी को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो अनिवार्य रूप से इंटरप्लेनेटरी नेटवर्क पर होगा। नेटवर्क में भाग लेने वाले कक्षीय स्टेशन ग्रह की सतह पर अंतरिक्ष यात्रियों और वाहनों के साथ, ग्राउंड स्टेशन के साथ और एक दूसरे के साथ संवाद करने में सक्षम होना चाहिए।

"यह क्रॉस-टॉक बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह 250 एमबीपीएस पर डेटा ट्रांसफर को व्यवस्थित करने के लिए आवश्यक एंटेना की संख्या को कम करता है," अब्राहम कहते हैं। उनकी टीम का अनुमान है कि कक्षीय ट्रांसमीटरों में से प्रेषित 250 Mbit / s की गति से डेटा प्राप्त करने के लिए, छह 34-मीटर एंटेना की एक सरणी की आवश्यकता होगी। इसका मतलब है कि नासा को लंबी दूरी के अंतरिक्ष संचार के स्थलों पर तीन अतिरिक्त एंटेना बनाने की आवश्यकता होगी, लेकिन उनके निर्माण में वर्षों लगते हैं, और वे बहुत महंगे हैं। "लेकिन हमें लगता है कि दो कक्षीय स्टेशन एक दूसरे के साथ डेटा साझा कर सकते हैं और उन्हें 125 एमबीपीएस की गति से एक साथ भेज सकते हैं, जब एक ट्रांसमीटर एक आधा डेटा पैकेट और दूसरे को भेजेगा," अब्राहम कहते हैं।आज भी, 34-मीटर लंबी दूरी के अंतरिक्ष संचार एंटेना एक साथ चार अलग-अलग अंतरिक्ष यान से डेटा प्राप्त कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कार्य को पूरा करने के लिए तीन एंटेना की आवश्यकता होगी। "अब्राहम बताते हैं," एक और एक ही खंड से 125 एमबीपीएस की गति से दो प्रसारण प्राप्त करने के लिए, जितना कि एक ही ट्रांसमिशन प्राप्त करने के लिए कई एंटेना की आवश्यकता होती है, "अब्राहम बताते हैं। "अधिक एंटेना की आवश्यकता केवल तभी होती है जब आपको उच्च गति पर संचार स्थापित करने की आवश्यकता होती है।"

सौर कनेक्शन की समस्या से निपटने के लिए, अब्राहम टीम ने सूर्य-मंगल / सूर्य-पृथ्वी की कक्षा के L4 / L5 बिंदुओं पर एक उपग्रह ट्रांसमीटर लॉन्च करने का प्रस्ताव रखा। फिर कनेक्शन की अवधि के दौरान इसका उपयोग सिग्नल भेजने के बजाय, सूर्य के चारों ओर डेटा संचारित करने के लिए किया जा सकता है। दुर्भाग्य से, इस अवधि के दौरान, गति 100 केबीपीएस तक गिर जाएगी। सीधे शब्दों में कहें, यह काम करेगा, लेकिन यह बुरा है।

इस बीच, मंगल ग्रह पर भविष्य के अंतरिक्ष यात्रियों को बिल्ली के बच्चे की तस्वीर लेने के लिए तीन मिनट से थोड़ा अधिक इंतजार करना होगा, देरी को गिना नहीं, जो 40 मिनट तक हो सकता है। सौभाग्य से, जब तक मानवता की महत्वाकांक्षाएं हमें लाल ग्रह की तुलना में आगे नहीं बढ़ाती हैं, तब तक इंटरप्लेनेटरी इंटरनेट ज्यादातर समय अच्छी तरह से काम करेगा।