Земля в иллюминаторе: как NASA поддерживает связь с космическими аппаратами

Часто испытывали проблемы с мобильной связью, когда нужно срочно позвонить родному человеку, а сеть оператора отказывает вам в этом удольствии? А ведь в это же время на удалении в 150 миллионов километров марсоход размером с грузовик спокойно пересылает на Землю фотографии Красной планеты. Как нам удается поддерживать коммуникацию со столь удаленными объектами? AIN.UA попробовал разобраться в данном вопросе.

Наверняка вы знаете, что обмен любой информацией в интернете происходит посредством пакетной передачи данных: когда исходные данные разбиваются на небольшие порции и передаются получателю, который, словно паззл, собирает все в конечный результат. При этом из трудностей передачи информации на Земле выделяются помехи (как физические, так и радио-), и слабые возможности приемников.

Когда же речь заходит о космосе, возникает целый ряд других трудностей. Да, чаще всего помехи не столь значительны, но на больших расстояниях проявляется такой физический эффект как рассеивание (да, оно незначительное, но влияет на точность), возникают трудности с «прицеливанием» антенн (широкое вещание здесь неприменимо), да и мощности космических аппаратов при отправке данных на родную планету очень малы (в отличие от земных передатчиков, мощность которых теоретически не ограничена).

Лазерный рекордсмен LADEE

И хотя рекорд скорости передачи данных в космосе составляет 622 Мб/сек при расстоянии более 380 000 км, осуществлена она была совсем не посредством радиоволн, которые остаются самой популярной технологией передачи сигнала. На данный момент такую скорость  способен обеспечить только лазерный передатчик, бьющий «прямой наводкой» по приемнику — зависшему над ЛУНой аппарату LADEE. За этой технологией — будущее космической связи, но она пока только начинает развиваться. А как же обстоит дело с радиоволнами?

На самом деле довольно печально. Марсоход Curiosity позавидовал бы вашему Dial-Up из прошлого века: он связывается с научным центром NASA на скорости всего 1,1 кбит/с. Что уж говорить о Voyager’ах, которым для передачи 1 килобайта данных потребуется больше 8 минут! Не говоря уже о задержках передачи, которые могут составлять десятки минут.

Deep Space Network делит космическое пространство на три сектора

Но с этим приходится мириться и обеспечивать максимальное качество при минимальных возможностях. Именно для этого была построена Deep Space Network — сеть дальней космической связи  (разработка NASA). Она состоит из трех мощных антенн (которые используются реже) и большого количества трансляторов поменьше, расположенных в разных точках земного шара. Система позволяет NASA круглосуточно поддерживать связь с любыми космическими аппаратами, находящимися на удалении больше 30 000 км от планеты. Антенны выполняют сразу несколько задач: отслеживают космические объекты, подстраиваются на соответствующие частоты, принимают ответные сигналы, данные телеметрии (которые на месте обрабатываются и проверяются автоматически — нет ли проблем с аппаратами), и передают задачи в космос, позволяя управлять марсоходами, зондами и спутниками.

Со стороны аппаратов — особенно тех, которые находятся на поверхности планет и спутников — существует аналогичная проблема: из-за вращения космических тел, из-за смены их орбиты, постоянную связь напрямую поддерживать просто невозможно. Здесь в игру вступают специальные ретрансляторы, которые «висят» на орбитах планет, и являются промежуточным звеном в цепи Земля-космический аппарат.

Спутник MRO, изображение с сайта NASA JPL

Такая схема на данный момент видится наиболее эффективной и реализуемой, и используется во всех современных проектах. К примеру, коммуникацию с марсоходами обеспечивают спутники Mars Odyssey и MRO (работающие с 2001 и 2006 годов соответственно). К слову, именно MRO принадлежит рекорд скорости межпланетной связи: более 6 мегабит в секунду!

Спутник Mars Odyssey, изображение с сайта NASA JPL

Еще одна задача, которую приходится решать — обеспечение целостности данных. Ведь неверно переданная команда может привести к тому, что космический аппарат выйдет из строя. Здесь NASA использует помехоустойчивое кодирование, обеспечивающее исправление ошибок (например, надежные коды Рида-Соломона в сочетании со сверточными кодами). Совместно с Европейским Космическим Агентством был разработан специальный протокол — DTN — предусматривающий связь при помехах и медленной скорости канала передачи (в случае космической связи, оба фактора обусловлены не столько наличием физических помех, сколько рекордными для технологии расстояниями). Протокол разделяет служебные и полезные данные, и предусматривает полную передачу от узла к узлу: пока промежуточный узел не получил весь набор пакетов, он не будет пересылать их дальше.

В целом, с развитием технологий для фотосъемки и сбора данных об окружающей среде (что приведет к увеличению объемов передаваемой информации), человечеству будут требоваться все более мощные и надежные средства передачи данных. И очень хорошо, что уже сегодня изобретен новый способ лазерной связи, за которым и стоит будущее межпланетной коммуникации.

Любишь космос? Почитай 5 фактов о солнечных затмениях.