Ligue para o espaço profundo: como a NASA acelera a comunicação interplanetária

“Não há praticamente nenhum lugar para melhorar a tecnologia operando em frequências de rádio. Soluções simples terminam aí. ”

Em 26 de novembro de 2018 às 22:53, horário de Moscou, a NASA fez de novo - a sonda InSight pousou com sucesso na superfície de Marte após entrar na atmosfera, manobras de descida e aterrissagem, que mais tarde foram apelidadas de "seis minutos e meio de horror". Uma descrição adequada, porque os engenheiros da NASA não conseguiram descobrir imediatamente se a sonda espacial estava bem-sucedida na superfície do planeta, devido a um atraso temporário nas comunicações entre a Terra e Marte, que totalizou aproximadamente 8,1 minutos. Durante essa janela, o InSight não podia confiar em suas antenas mais modernas e poderosas - tudo dependia de comunicações UHF à moda antiga (esse método tem sido usado em todos os lugares, desde transmissões e walkie-talkies até dispositivos Bluetooth).

Como resultado, dados críticos do InSight foram transmitidos em ondas de rádio com uma frequência de 401,586 MHz para dois satélites, Kubsat , WALL-E e EVE, que depois transmitiram dados a uma velocidade de 8 Kbps a antenas de 70 metros localizadas na Terra. Os Cubs foram lançados no mesmo foguete que o InSight e o acompanharam em uma viagem a Marte para observar o pouso e imediatamente transmitir dados para casa. Outros navios marcianos orbitais, por exemplo, o satélite de reconhecimento marciano (MRS), estavam em uma posição desconfortável e não podiam, a princípio, fornecer mensagens em tempo real com o embarcador. Isso sem dizer que todo o pouso dependia de dois Kubsats experimentais do tamanho de uma mala, mas o MPC só podia transmitir dados do InSight depois de uma espera ainda mais longa.

O pouso do InSight realmente testou toda a arquitetura de comunicações da NASA, a Mars Network. O sinal do módulo de aterrissagem InSight transmitido aos satélites em órbita chegaria à Terra, mesmo que os satélites falhassem. WALL-E e EVE eram necessários para a transferência instantânea de informações e eles lidaram com isso. Se esses Kubsats não tivessem funcionado por algum motivo, a IFA estava pronta para desempenhar seu papel. Cada um deles trabalhava como um nó em uma rede semelhante à Internet, enviando pacotes de dados através de diferentes terminais, consistindo em diferentes equipamentos. Hoje, o mais eficaz deles é o MPC, capaz de transmitir dados em velocidades de até 6 Mbps (e este é o registro atual para missões interplanetárias). No entanto, a NASA teve que trabalhar com velocidades muito mais baixas no passado - e no futuro precisará de uma transferência de dados muito mais rápida.


Como o seu ISP, a NASA permite que os usuários da Internet verifiquem a conexão com a sonda em tempo real.

Rede de comunicações no espaço profundo

Com a crescente presença da NASA no espaço, sistemas de mensagens aprimorados estão aparecendo constantemente, cobrindo cada vez mais espaço: a princípio era uma órbita baixa da Terra, depois uma órbita geossíncrona e a Lua, e logo as comunicações se aprofundaram no espaço. Tudo começou com um rude rádio portátil com o qual a telemetria do Explorer 1, o primeiro satélite lançado com sucesso pelos americanos em 1958, foi recebida nas bases militares dos EUA na Nigéria, Cingapura e Califórnia. Lenta mas seguramente, essa base evoluiu para os sistemas avançados de mensagens atuais.

Douglas Abraham, chefe de previsão estratégica e de sistemas da Diretoria de Rede Interplanetária da NASA, destaca três redes desenvolvidas independentemente para transmitir mensagens no espaço. A Rede Near Earth trabalha com naves espaciais em baixa órbita terrestre. "Este é um conjunto de antenas, principalmente de 9 a 12 m. Existem várias grandes, de 15 a 18 m", diz Abraham. Então, acima da órbita geossíncrona da Terra, existem vários satélites de rastreamento e transmissão de dados (TDRS). "Eles podem olhar para os satélites em órbita baixa da Terra e se comunicar com eles, e depois transmitir essas informações através do TDRS para o solo", explica Abraham. "Este sistema de dados de satélite é chamado de rede espacial da NASA".

Mas nem o TDRS foi suficiente para se comunicar com uma nave espacial que foi muito além da órbita da lua para outros planetas. “Portanto, tivemos que criar uma rede cobrindo todo o sistema solar. E essa é a Deep Space Network (DSN) ”, diz Abraham. A rede marciana é uma extensão do DSN .

Dada a extensão e os planos, o DSN é o mais complexo desses sistemas. De fato, este é um conjunto de grandes antenas, com 34 a 70 m de diâmetro. Em cada um dos três locais DSN, várias antenas de 34 metros e uma antena de 70 metros funcionam. Um site está localizado em Goldstone (Califórnia), outro perto de Madri (Espanha) e o terceiro em Canberra (Austrália). Esses sites estão localizados a aproximadamente 120 graus de distância em todo o mundo e oferecem cobertura 24 horas por dia para todas as naves espaciais fora da órbita geossíncrona.

As antenas de 34 metros são o principal equipamento da DSN e existem dois tipos: antenas antigas de alta eficiência e guias de onda relativamente novos. A diferença é que a antena do guia de ondas possui cinco espelhos de RF precisos que refletem os sinais através do tubo para a sala do operador subterrâneo, onde os componentes eletrônicos que analisam esses sinais estão melhor protegidos de todas as fontes de interferência. As antenas de 34 metros, trabalhando individualmente ou em grupos de 2 a 3 placas, podem fornecer a maioria das comunicações necessárias da NASA. Mas em ocasiões especiais, quando as distâncias se tornam muito longas, mesmo para várias antenas de 34 metros, o controle DSN usa monstros de 70 metros.

"Eles desempenham um papel importante em alguns casos", diz Abraham sobre grandes antenas. A primeira é quando a sonda está tão distante da Terra que será impossível estabelecer comunicação com ela usando uma placa menor. “Bons exemplos são a missão New Horizons, que voou muito além de Plutão, ou a espaçonave Voyager localizada fora do Sistema Solar. Somente antenas de 70 metros são capazes de romper com elas e entregar seus dados à Terra ”, diz Abraham.

Placas de 70 metros também são usadas quando a espaçonave não pode trabalhar com a antena de amplificação, seja por causa de uma situação crítica planejada, como entrar em órbita, ou porque algo der completamente errado. Uma antena de 70 metros, por exemplo, foi usada para devolver com segurança o Apollo 13 à Terra. Ela também adotou a famosa frase de Neil Armstrong: "Um pequeno passo para o homem, um passo gigante para a humanidade". E ainda hoje, a DSN continua sendo o sistema de comunicações mais avançado e sensível do mundo. "Mas, por muitas razões, ela já atingiu seu limite", adverte Abraham. "Não há praticamente nenhum lugar para melhorar a tecnologia operando em frequências de rádio". Soluções simples terminam aí. ”


Três estações terrestres separadas por 120 graus


Placas DSN em Canberra


DSN Madrid


DSN em Goldstone


Sala de Câmera no Laboratório de Propulsão a Jato

Rádio e o que acontecerá depois

Esta história não é nova. A história das comunicações espaciais de longa distância consiste em uma luta constante para aumentar as frequências e diminuir os comprimentos de onda. O Explorer 1 usou frequências de 108 MHz. Em seguida, a NASA introduziu grandes antenas com melhor ganho, suportando frequências da banda L, de 1 a 2 GHz. Depois veio a virada da banda S, com frequências de 2 a 4 GHz, e depois a agência mudou para a banda X, com frequências de 7 a 11,2 GHz.

Hoje, os sistemas de comunicações espaciais estão novamente passando por mudanças - agora estão migrando para a faixa de 26 a 40 GHz, a banda K a. "O motivo dessa tendência é que, quanto menor o comprimento de onda e maior a frequência, maior a velocidade de transferência de dados que você pode obter", diz Abraham.

Há razões para otimismo, dado que historicamente a velocidade de desenvolvimento das comunicações na NASA tem sido bastante alta. Um estudo de pesquisa de 2014 do Jet Propulsion Laboratory fornece os seguintes dados de largura de banda para comparação: se usássemos a tecnologia de comunicação Explorer 1 para transferir uma foto típica do iPhone de Júpiter para a Terra, levaria 460 vezes mais tempo do que a idade atual O universo. Para os Pioneiros 2 e 4 da década de 1960, isso levaria 633.000 anos. O Mariner 9 de 1971 teria resolvido isso em 55 horas. Hoje, a IFA levará três minutos para fazer isso.

O único problema, é claro, é que a quantidade de dados recebidos pela sonda está crescendo tão rápido quanto, se não mais, do que o crescimento das capacidades de transmissão. Nos 40 anos de operação, as Voyagers 1 e 2 produziram 5 TB de informações. O satélite NISAR Earth Science, com lançamento previsto para 2020, produzirá 85 TB de dados por mês. E se os satélites da Terra puderem fazer isso, a transferência de um volume de dados entre os planetas é uma história completamente diferente. Mesmo uma MRS relativamente rápida transmitirá 85 TB de dados para a Terra por 20 anos.

"A taxa estimada de transferência de dados durante a exploração de Marte no final da década de 2020 e no início da década de 2030 será de 150 Mbps ou mais, então vamos calcular", diz Abraham. - Se uma espaçonave da classe MPC a uma distância máxima de nós e Marte puder enviar cerca de 1 Mbps a uma antena de 70 metros na Terra, será necessário um conjunto de 150 antenas de 70 metros para estabelecer comunicações a uma velocidade de 150 Mbps. Sim, é claro, podemos encontrar maneiras engenhosas de reduzir um pouco essa quantidade absurda, mas o problema obviamente existe: a organização da comunicação interplanetária a uma velocidade de 150 Mbps é uma questão extremamente complicada. Além disso, estamos encerrando o espectro de frequências permitidas. ”

Como Abraham demonstra, trabalhando na banda S ou X, uma missão com largura de banda de 25 Mbps ocupará todo o espectro disponível. Há mais espaço no intervalo K _a , mas apenas dois satélites de Marte com uma largura de banda de 150 Mbps ocuparão todo o espectro. Simplificando, a Internet interplanetária exigirá mais do que apenas rádio - dependerá de lasers.

O advento das comunicações ópticas

Os lasers parecem futuristas, mas a idéia de comunicações ópticas remonta à patente registrada por Alexander Graham Bell na década de 1880. Bell desenvolveu um sistema no qual a luz solar focada em um feixe muito estreito era direcionada a um diafragma reflexivo que vibrava devido a sons. As vibrações causaram variações na luz que passava através da lente para um fotodetector grosso. Mudanças na resistência do fotodetector mudaram a corrente que passava pelo telefone.

O sistema era instável, o volume era muito baixo e Bell acabou abandonando a ideia. Mas, depois de quase 100 anos, armados com lasers e fibra óptica, os engenheiros da NASA voltaram a esse conceito antigo.

"Sabíamos das limitações dos sistemas de RF, então o Laboratório de Propulsão a Jato no final da década de 1970 e no início da década de 1980 começou a discutir a possibilidade de transmitir mensagens do espaço profundo usando lasers espaciais", disse Abraham. Para entender melhor o que é possível e o que não está nas comunicações ópticas no espaço profundo, o laboratório, no final dos anos 80, organizou um estudo de quatro anos, o Sistema de Satélite de Retransmissão do Espaço Profundo (DSRSS), o Sistema de Satélite de Retransmissão do Espaço Profundo (DSRSS). O estudo deveria responder a questões críticas: o que dizer dos problemas climáticos e de visibilidade (afinal, as ondas de rádio podem passar facilmente pelas nuvens, enquanto os lasers não)? E se o ângulo da sonda Sol-Terra se tornar muito nítido? Um detector na Terra distingue um sinal óptico fraco da luz solar? E finalmente, quanto vai custar tudo, e valerá a pena? "Ainda estamos procurando respostas para essas perguntas", admite Abraham. "No entanto, as respostas confirmam cada vez mais a possibilidade de transmissão óptica de dados."

O DSRSS sugeriu que, para comunicações ópticas e de rádio, um ponto localizado acima da atmosfera da Terra é mais adequado. Foi declarado que o sistema de comunicações ópticas instalado na estação orbital funcionaria melhor do que qualquer arquitetura terrestre, incluindo as icônicas antenas de 70 metros. Foi proposto implantar uma placa de 10 metros em órbita baixa da Terra e depois aumentá-la para geossíncrona. No entanto, o custo desse sistema - que consiste em um satélite com uma antena parabólica, um foguete de lançamento e cinco terminais de usuário - era excessivo. Além disso, o estudo nem mesmo estabeleceu o custo do sistema auxiliar necessário, que entraria em operação em caso de falha do satélite.

Como esse sistema, os especialistas do laboratório começaram a examinar a arquitetura do solo descrita no relatório analítico “Estudo de tecnologia avançada baseada em terra (GBATS)”, realizado no laboratório aproximadamente na mesma época que o DRSS. As pessoas que trabalham no GBATS apresentaram duas sugestões alternativas. A primeira é a instalação de seis estações com antenas de 10 metros e antenas sobressalentes de um metro, localizadas a 60 graus uma da outra no equador. Estações tiveram que ser construídas nos picos das montanhas, onde pelo menos 66% dos dias do ano são de clima limpo. Assim, 2-3 estações serão sempre visíveis para qualquer nave espacial e terão um clima diferente. A segunda opção são nove estações, agrupadas em grupos de três e localizadas a 120 graus de distância. As estações dentro de cada grupo devem estar localizadas a 200 km uma da outra, para que fiquem na linha de visão direta, mas em células climáticas diferentes.

Ambas as arquiteturas GBATS eram mais baratas que a abordagem espacial, mas também tinham problemas. Primeiro, como os sinais precisavam passar pela atmosfera da Terra, a recepção durante o dia seria muito pior do que a noite, devido ao céu iluminado. Apesar de sua localização engenhosa, as estações ópticas terrestres dependerão do clima. A espaçonave que direciona o laser para a estação terrestre terá que se adaptar às condições climáticas adversas e restabelecer a comunicação com outra estação que as nuvens não bloqueiam.

No entanto, independentemente dos problemas, os projetos DSRSS e GBATS lançaram as bases teóricas para sistemas ópticos para comunicações espaciais de longa distância e desenvolvimentos modernos de engenheiros da NASA. Restou apenas construir um sistema semelhante e demonstrar sua operacionalidade. Felizmente, apenas alguns meses restaram.

Implementação do projeto

Naquela época, a transmissão óptica de dados no espaço já havia ocorrido. O primeiro experimento foi realizado em 1992, quando a sonda Galileo estava indo em direção a Júpiter, e implantou sua câmera de alta resolução na Terra para receber com sucesso um conjunto de pulsos de laser enviados pelo telescópio de 60 cm do Observatório da Table Mountain e a 1,5 m do telescópio USAF Starfire Optical Faixa no Novo México. Nesse ponto, Galileu estava a 1,4 milhão de quilômetros da Terra, no entanto, ambos os raios laser atingiram sua câmera.

As agências espaciais japonesas e européias também foram capazes de estabelecer comunicações ópticas entre estações terrestres e satélites em órbita ao redor da Terra. Eles foram capazes de estabelecer uma conexão a uma velocidade de 50 Mbps entre dois satélites. Alguns anos atrás, a equipe alemã estabeleceu uma comunicação bidirecional óptica coerente de 5,6 Gbit / s entre o satélite NFIRE em baixa órbita terrestre e a estação terrestre em Tenerife (Espanha). Mas todos esses casos foram associados à órbita da Terra.

O primeiro link óptico que conecta uma estação terrestre e uma espaçonave em órbita perto de outro planeta do sistema solar foi estabelecido em janeiro de 2013. Uma imagem em preto-e-branco da Mona Lisa medindo 152x200 pixels foi transmitida da estação de laser de satélite de última geração, localizada no Goddard Space Flight Center da NASA, para o Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) a uma velocidade de 300 bps. A conexão era unidirecional. A LRO enviou a imagem recebida da Terra de volta através das radiocomunicações convencionais. A imagem precisava de uma pequena correção de erro de software, mas mesmo sem essa codificação era fácil reconhecer. E naquela época, o lançamento de um sistema mais poderoso para a lua já estava planejado.


No projeto "Veículo orbital de reconhecimento lunar" em 2013: para limpar as informações dos erros de transmissão introduzidos pela atmosfera da Terra (esquerda), os cientistas do Goddard Space Flight Center aplicaram a correção de erros Reed-Solomon (direita), que é usada ativamente em CD e DVD. Os erros típicos incluem pixels ausentes (branco) e sinais falsos (preto). Uma barra branca indica uma breve pausa na transmissão.

Pesquisador da atmosfera lunar e do ambiente empoeirado (LADEE) entrou na órbita da lua em 6 de outubro de 2013, e apenas uma semana depois lançou seu laser pulsado para transmissão de dados.Desta vez, a NASA tentou organizar a comunicação bidirecional a uma velocidade de 20 Mbps nessa direção e a uma velocidade recorde de 622 Mbps na direção oposta. O único problema foi a curta vida útil da missão. As comunicações ópticas de LRO funcionaram apenas por alguns minutos. O LADEE trocou dados com o laser por 16 horas em um total de 30 dias. Essa situação deve mudar quando o Satélite de Comunicação a Laser de Demonstração (LCRD), programado para junho de 2019, for lançado, cuja tarefa é mostrar como os futuros sistemas de comunicação no espaço funcionarão.

O LCRD está sendo desenvolvido no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em conjunto com o Laboratório de Lincoln do MIT. Ele terá dois terminais ópticos: um para comunicação em baixa órbita terrestre e outro para o espaço profundo. O primeiro terá que usar a Chamada de deslocamento de fase diferencial (DPSK). O transmissor enviará pulsos de laser com uma frequência de 2,88 GHz. De acordo com essa tecnologia, cada bit será codificado pela diferença de fase de pulsos consecutivos. Ele será capaz de trabalhar a uma velocidade de 2,88 Gbit / s, mas isso exigirá muita energia. Os detectores são capazes de reconhecer a diferença entre pulsos apenas em sinais de alta energia, porque o DPSK funciona perfeitamente com comunicações próximas à Terra, mas esse não é o melhor método para o espaço profundo, onde é problemático armazenar energia. Um sinal enviado de Marte perderá energia,até atingir a Terra, portanto, para demonstrar comunicação óptica com o espaço profundo, o LCRD usará uma tecnologia mais eficiente - modulação de pulso de fase.


Engenheiros da NASA preparam o LADEE para testes


Em 2017, os engenheiros testaram modems de vôo em uma câmara de vácuo térmico

"Na verdade, isso é contagem de fótons", explica Abraham. - O curto período alocado para comunicação é dividido em vários períodos. Para obter os dados, basta verificar se os fótons em cada uma das lacunas colidiram com o detector. Portanto, os dados são codificados no FIM ". Isso é semelhante ao código Morse, apenas em velocidade ultra-rápida. Ou há um flash em um determinado momento ou não, e a mensagem é codificada por uma sequência de flashes. "E embora seja muito mais lento que o DPSK, ainda podemos organizar comunicações ópticas a velocidades de dezenas ou centenas de Mbps à distância de Marte", acrescenta Abraham.

Obviamente, o projeto LCRD não é apenas esses dois terminais. Também deve funcionar como um site da Internet no espaço. Três estações trabalharão em terra com a LCRD: uma em White Sands, no Novo México, uma em Table Mountain, na Califórnia, e uma na ilha do Havaí ou Maui. A idéia é verificar a mudança de uma estação terrestre para outra em caso de mau tempo em uma das estações. A missão também verificará o funcionamento do LCRD como transmissor de dados. Um sinal óptico de uma das estações será enviado ao satélite e transmitido para outra estação - tudo através da comunicação óptica.

Se a transferência de dados falhar imediatamente, o LCRD a armazenará e transmitirá quando surgir a oportunidade. Se os dados forem urgentes ou se não houver espaço suficiente no armazenamento a bordo, o LCRD os enviará imediatamente pela antena K_uma banda. Assim, o antecessor de futuros transmissores de satélite, o LCRD será um sistema radio-óptico híbrido. É uma unidade da NASA que precisa ser colocada em órbita em torno de Marte para organizar uma rede interplanetária que apóia a exploração espacial profunda por seres humanos na década de 2030.

Trazendo Marte Online

No ano passado, a equipe de Abraham escreveu dois trabalhos descrevendo o futuro das comunicações espaciais de longa distância, que serão apresentados na conferência SpaceOps na França em maio de 2019. Um descreve as comunicações espaciais de longa distância em geral e o outro ( Rede Interplanetária Marciana para a era da exploração humana - problemas em potencial e soluções ") é proposta uma descrição detalhada da infraestrutura que pode fornecer um serviço semelhante à Internet para os astronautas no Planeta Vermelho.

As estimativas da taxa média de pico de transferência de dados foram obtidas na região de 215 Mbit / s para download e 28 Mbit / s para download. A Internet marciana consistirá em três redes: WiFi, cobrindo a área de pesquisa na superfície, uma rede planetária que transmite dados da superfície para a Terra e a rede da Terra, uma rede de comunicações espaciais com três sites responsáveis ​​por receber esses dados e enviar respostas de volta a Marte.

“Existem muitos problemas ao desenvolver essa infraestrutura. Ele deve ser confiável e estável, mesmo a uma distância máxima de 2,67 UA a Marte. durante os períodos da conjunção solar superior, quando Marte se esconde atrás do sol ”, diz Abraham. Essa conexão ocorre a cada dois anos e interrompe completamente a comunicação com Marte. "Hoje não consigo lidar com isso. Todas as estações de pouso e orbitais que estão em Marte simplesmente perdem contato com a Terra por cerca de duas semanas. Com as comunicações ópticas, as perdas de comunicação devido às conexões solares serão ainda maiores, de 10 a 15 semanas. ” Para os robôs, essas lacunas não são particularmente assustadoras. Esse isolamento não lhes causa problemas, porque não começam a se cansar, não sentem solidão, não precisam ver seus entes queridos. Mas para as pessoas, isso está completamente errado.

“Portanto, teoricamente permitimos o comissionamento de dois transmissores orbitais colocados em uma órbita equatorial circular 17300 km acima da superfície de Marte”, continua Abraham. De acordo com o estudo, eles devem pesar 1.500 kg e ter a bordo um conjunto de terminais operando nas bandas X, K _- band e óptica e ser alimentados por painéis solares com capacidade de 20 a 30 kW. Eles devem suportar o Protocolo de rede tolerante a atrasos - essencialmente TCP / IP, projetado para lidar com os grandes atrasos que inevitavelmente ocorrerão nas redes interplanetárias. As estações orbitais participantes da rede devem poder se comunicar com astronautas e veículos na superfície do planeta, com estações terrestres e entre si.

"Essa conversa cruzada é muito importante porque reduz o número de antenas necessárias para organizar a transferência de dados a 250 Mbps", diz Abraham. Sua equipe estima que, para receber dados a uma velocidade de 250 Mbit / s transmitidos por um dos transmissores orbitais, será necessário um conjunto de seis antenas de 34 metros. Isso significa que a NASA precisará construir três antenas adicionais nos locais das comunicações espaciais de longa distância, mas sua construção leva anos e são extremamente caras. "Mas pensamos que duas estações orbitais podem compartilhar dados entre si e enviá-los simultaneamente a uma velocidade de 125 Mbps, quando um transmissor envia uma metade do pacote de dados e o outro o outro", diz Abraham.Ainda hoje, as antenas de comunicação espacial de longo alcance de 34 metros podem receber simultaneamente dados de quatro naves espaciais diferentes ao mesmo tempo, como resultado das quais três antenas serão necessárias para concluir a tarefa. "Para receber duas transmissões a uma velocidade de 125 Mbps de uma única seção do céu, são necessárias tantas antenas quanto para receber uma transmissão", explica Abraham. "Mais antenas são necessárias apenas se você precisar estabelecer comunicação em uma velocidade mais alta."

Para lidar com o problema da conexão solar, a equipe de Abraham propôs o lançamento de um transmissor de satélite nos pontos L4 / L5 da órbita Sol-Marte / Sol-Terra. Depois, durante os períodos de conexão, ele pode ser usado para transmitir dados ao redor do Sol, em vez de enviar sinais através dele. Infelizmente, durante esse período, a velocidade cairá para 100 Kbps. Simplificando, ele funcionará, mas é ruim.

Enquanto isso, futuros astronautas em Marte terão que esperar um pouco mais de três minutos para tirar uma foto do gatinho, sem contar os atrasos, que podem levar até 40 minutos. Felizmente, até que as ambições da humanidade nos levem ainda mais longe que o Planeta Vermelho, a Internet interplanetária funcionará muito bem na maioria das vezes.