[Перевод] Дозвониться в глубокий космос: как НАСА ускоряет межпланетную связь

«Уже практически некуда улучшать технологию, работающую на радиочастотах. Простые решения заканчиваются»

26 ноября 2018 года в 22:53 мск у НАСА это снова получилось – зонд InSight совершил успешную посадку на поверхность Марса после входа в атмосферу, спуска и посадочных манёвров, которые позже о крестили «шестью с половиной минутами ужаса». Подходящее описание, ведь инженеры НАСА не могли узнать сразу, успешно ли космический зонд сел на поверхность планеты, из-за временной задержки коммуникаций между Землёй и Марсом, составившей примерно 8,1 мин. Во время этого окна InSight не мог полагаться на свои более современные и мощные антенны – всё зависело от старомодной УВЧ-связи (этот метод давно используется везде, от телевещания и раций до устройств Bluetooh).

В итоге, критически важные данные по состоянию InSight были переданы на радиоволнах частотой 401,586 МГц на два спутника-Кубсата, WALL-E и EVE, передавших затем данные на скорости 8 Кбит/с на 70-метровые антенны, расположенные на Земле. Кубсаты были запущены на той же ракете, что и InSight, и они сопровождали его в путешествии к Марсу, чтобы наблюдать за посадкой и сразу передать данные домой. Другие орбитальные марсианские корабли, например, Марсианский разведывательный спутник (МРС), находились в неудобном положении и не могли в первое время обеспечить обмен сообщениями с посадочным модулем в реальном времени. Не сказать, чтобы вся посадка зависела от двух экспериментальных Кубсатов размером с чемодан каждый, но МРС смог бы передать данные от InSight только после ещё более длительного ожидания.

Посадка InSight на самом деле подвергла испытанию всю архитектуру коммуникаций НАСА, «Марсианскую сеть» [the Mars Network]. Сигнал посадочного модуля InSight, переданный на орбитальные спутники, в любом случае достиг бы Земли, даже если бы спутники отказали. WALL-E и EVE нужны были для мгновенной передачи информации, и они с этим справились. Если бы эти Кубсаты не сработали по каким-то причинам, их роль готов был сыграть МРС. Каждый из них работал в качестве узла в сети, похожей на интернет, направляя пакеты данных через разные терминалы, состоящие из разного оборудования. На сегодня самым эффективным из них является МРС, способный передавать данные на скорости до 6 Мбит/с (и это текущий рекорд для межпланетных миссий). Однако НАСА приходилось работать с куда как меньшими скоростями в прошлом – а в будущем ему понадобится гораздо более быстрая передача данных.

Как и ваш интернет-провайдер, НАСА позволяет пользователям интернета проверить связь с космическими кораблями в реальном времени.

Сеть дальней космической связи

С увеличением присутствия НАСА в космосе постоянно появляются улучшенные системы передачи сообщений, покрывающие всё большее пространство: сначала это была низкая околоземная орбита, затем геосинхронная орбита и Луна, а вскоре коммуникации ушли глубже в космос. Всё началось с грубого портативного радиоприёмника, при помощи которого на военных базах США в Нигерии, Сингапуре и Калифорнии принимали телеметрию с Explorer 1, первого спутника, успешно запущенного американцами в 1958-м. Медленно, но верно, этот базис развился в сегодняшние передовые системы передачи сообщений.

Дуглас Абрахам, глава отдела стратегического и системного прогнозирования в Дирекции межпланетной сети НАСА, подчёркивает три независимо разработанные сети для передачи сообщений в космосе. Near Earth Network (сеть ближней связи) работает с космическими аппаратами на низкой околоземной орбите. «Это набор антенн, в основном от 9 до 12 м. Есть несколько крупных, 15-18 м», — говорит Абрахам. Затем, выше геосинхронной орбиты Земли, находятся несколько спутников отслеживания и передачи данных (TDRS). «Они могут смотреть сверху вниз на спутники на низкой околоземной орбите и общаться с ними, а потом эту информацию передают через TDRS на землю, — поясняет Абрахам. – Эту спутниковую систему передачи данных называют космической сетью НАСА».

Но даже и TDRS не было достаточно для связи с космическим кораблём, отправившимся далеко за орбиту Луны, к другим планетам. «Поэтому нам пришлось создать сеть, покрывающую всю Солнечную систему. И это Сеть дальней космической связи» [Deep Space Network, DSN], — говорит Абрахам. Марсианская сеть является расширением DSN.

Учитывая протяжённость и планы, DSN является самой сложной из перечисленных систем. По сути, это набор крупных антенн, от 34 до 70 м в диаметре. На каждой из трёх площадок DSN работают несколько 34-метровых антенн и одна 70-метровая. Одна площадка находится в Голдстоуне (Калифорния), другая рядом с Мадридом (Испания), а третья в Канберре (Австралия). Эти площадки расположены примерно на 120 градусов друг от друга по всему земному шару, и обеспечивают круглосуточное покрытие для всех космических кораблей за пределами геосинхронной орбиты.

34-метровые антенны – основное оборудование DSN, и их бывает два вида: старые антенны высокой эффективности и относительно новые волноводные. Разница в том, что у волноводной антенны есть пять точных радиочастотных зеркал, отражающих сигналы по трубе в находящуюся под землёй операторскую, где электроника, анализирующая эти сигналы, лучше защищена от всех источников помех. 34-метровые антенны, работая по отдельности или группами из 2-3 тарелок, могут обеспечить большую часть необходимой НАСА связи. Но для особых случаев, когда расстояния становятся слишком большими даже для нескольких 34-метровых антенн, управление DSN использует 70-метровых монстров.

«Они играют важную роль в нескольких случаях», — говорит Абрахам о крупных антеннах. Первый – когда космический корабль находится так далеко от Земли, что установить с ним связь при помощи меньшей тарелки будет невозможно. «Хорошими примерами будут миссия „Новые горизонты“, улетевшая уже гораздо дальше Плутона, или космический корабль „Вояджер“, находящийся за пределами Солнечной системы. Только 70-метровые антенны способны пробиться к ним и доставить их данные на Землю», — поясняет Абрахам.

70-метровые тарелки также используются, когда космический корабль не может работать с усиливающей антенной, либо из-за запланированной критической ситуации типа выхода на орбиту, либо из-за того, что что-то идёт совсем не так. 70-метровую антенну, к примеру, использовали для безопасного возвращения Аполло-13 на Землю. Она также приняла знаменитую фразу Нила Армстронга «Маленький шаг для человека, гигантский шаг для человечества». И даже сегодня DSN остаётся самой передовой и чувствительной системой связи в мире. «Но по многим причинам она уже дошла до своего предела, — предупреждает Абрахам. – Уже практически некуда улучшать технологию, работающую на радиочастотах. Простые решения заканчиваются».

Три наземные станции в 120 градусах друг от друга

Тарелки DSN в Канберре

Комплекс DSN в Мадриде

DSN в Голдстоуне

Операторская в Лаборатории реактивного движения

Радио, и что будет после него

Эта история не нова. История дальней космической связи состоит из постоянной борьбы за повышение частот и укорачивание длин волн. Explorer 1 использовал частоты 108 МГц. Затем НАСА внедрила крупные антенны с лучшим усилением, поддерживавшие частоты из L-диапазона, от 1 до 2 ГГц. Потом настал черёд S-диапазона, с частотами от 2 до 4 ГГц, а потом агентство перешло на X-диапазон, с частотами 7-11,2 ГГц.

Сегодня системы космических коммуникаций вновь претерпевают изменения – сейчас они переходят на диапазон 26-40 ГГц, К_а-диапазон. «Причина этой тенденции в том, что чем короче длины волн и выше частоты, тем большую скорость передачи данных можно получить», — говорит Абрахам.

Причины для оптимизма есть, учитывая, что исторически скорость развития коммуникаций в НАСА была довольно высокой. Исследовательская работа от 2014 года от Лаборатории реактивного движения приводит следующие данные по пропускной способности для сравнения: если бы мы использовали технологии связи Explorer 1 для передачи типичного фото с iPhone с Юпитера на Землю, то это заняло бы в 460 раз больше времени, чем текущий возраст Вселенной. У «Пионеров» 2 и 4 из 1960-х годов на это ушло бы 633 000 лет. Маринер-9 из 1971 года справился бы с этим за 55 часов. Сегодня у МРС на это уйдёт три минуты.

Единственная проблема, конечно, состоит в том, что количество данных, получаемых космическими аппаратами, растёт столь же быстро, если не быстрее роста возможностей их передачи. За 40 лет работы Вояджеры 1 и 2 выдали 5 Тб информации. Спутник NISAR Earth Science, планируемый к запуску в 2020, будет выдавать по 85 Тб данных в месяц. И если спутникам Земли это вполне по силам, передача такого объёма данных между планетами – история совершенно другая. Даже относительно шустрый МРС будет передавать 85 Тб данных на Землю 20 лет.

«Предполагаемая скорость передачи данных во время изучения Марса в конце 2020-х и начале 2030-х составит 150 Мбит/с или выше, так что давайте подсчитаем, — говорит Абрахам. – Если космический корабль класса МРС на максимальном расстоянии от нас до Марса может отправлять примерно 1 Мбит/с на 70-метровую антенну на Земле, то для организации связи на скорости 150 Мбит/с потребуется массив из 150 70-метровых антенн. Да, конечно, мы можем придумать хитроумные способы немного уменьшить это абсурдное количество, но проблема, очевидно, существует: организация межпланетной связи на скорости 150 Мбит/с – дело чрезвычайно сложное. Кроме того, у нас заканчивается спектр разрешённых частот».

Как демонстрирует Абрахам, работая в диапазоне S или X, одна миссия с пропускной способностью в 25 Мбит/с займёт весь доступный спектр. В K_a-диапазоне места больше, но всего лишь два спутника Марса с пропускной способностью в 150 Мбит/с займут весь спектр. Проще говоря, для работы межпланетного интернета потребуется нечто большее, чем просто радио – он будет полагаться на лазеры.

Появление оптических коммуникаций

Лазеры звучат футуристично, но идею оптических коммуникаций можно отследить до патента, поданного Александром Грэхемом Беллом в 1880-х. Белл разработал систему, в которой солнечный свет, сфокусированный до очень узкого пучка, направлялся на отражающую диафрагму, вибрировавшую из-за звуков. Вибрации вызывали вариации света, проходившего через линзу в грубый фотодетектор. Изменения сопротивления фотодетектора меняли ток, проходивший через телефон.

Система работала нестабильно, громкость была очень малой, и Белл в итоге отказался от этой идеи. Но, спустя почти 100 лет, вооружившись лазерами и оптоволокном, инженеры НАСА вернулись к этой старой концепции.

«Мы знали об ограничениях радиочастотных систем, поэтому в Лаборатории реактивного движения в конце 1970-х, начале 1980-х, начали обсуждать возможность передачи сообщений из дальнего космоса при помощи космических лазеров», — рассказал Абрахам. Чтобы лучше понять, что возможно, а что нет в оптических коммуникациях в глубоком космосе, лаборатория в конце 1980-х организовала четырёхлетнее исследование «Система спутниковых передатчиков дальнего космоса» Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). Исследование должно было ответить на критически важные вопросы: как быть с погодой и проблемами видимости (ведь радиоволны легко могут проходить через облака, тогда как лазеры – нет)? Что, если угол Солнце-Земля-зонд станет слишком острым? Отличит ли детектор на Земле слабый оптический сигнал от солнечного света? И, наконец, сколько всё это будет стоить и будет ли оно стоить того? «Мы пока ещё ищем ответы на эти вопросы, — признаёт Абрахам. – Однако ответы всё больше и больше подтверждают возможность оптической передачи данных».

В DSRSS предположили, что для оптической и радиосвязи лучше всего подойдёт точка, расположенная над атмосферой Земли. Заявлялось, что система оптических коммуникаций, установленная на орбитальной станции, будет работать лучше любой наземной архитектуры, включая культовые 70-метровые антенны. На околоземной орбите предполагалось развернуть 10-метровую тарелку, а потом поднять её до геосинхронной. Однако стоимость такой системы – состоящей из спутника с тарелкой, ракеты для запуска и пяти пользовательских терминалов – была чрезмерной. Более того, в исследование даже не закладывали стоимость необходимой вспомогательной системы, которая вступала бы в работу в случае отказа спутника.

В качестве этой системы специалисты из Лаборатории начали смотреть на наземную архитектуру, описанную в аналитическом отчёте «Исследование передовых наземных технологий» [Ground Based Advanced Technology Study (GBATS)], проведённом в Лаборатории примерно в то же время, что и DRSS. Люди, работавшие над GBATS, выдвинули два альтернативных предложения. Первое – установка шести станций с 10-метровыми антеннами и метровыми запасными антеннами, расположенными через 60 градусов друг от друга по всему экватору. Станции нужно было строить на горных вершинах, там, где не менее 66% дней в году стоит ясная погода. Таким образом 2-3 станции всегда будут видны любому космическому кораблю, и на них будет разная погода. Второй вариант – девять станций, кучкующихся гурппами по три, и расположенных через 120 градусов друг от друга. Станции внутри каждой группы стоило располагать в 200 км друг от друга, чтобы они находились в прямой видимости, но в разных погодных ячейках.

Обе архитектуры GBATS были дешевле космического подхода, но и у них были проблемы. Во-первых, поскольку сигналам нужно было пройти сквозь атмосферу Земли, приём в дневное время будет гораздо хуже, чем в ночное, из-за освещённого неба. Несмотря на хитроумное расположение, наземные оптические станции будут зависеть от погоды. Космическому аппарату, направляющему лазер на наземную станцию, в итоге придётся адаптироваться к плохим погодным условиям и заново налаживать связь с другой станцией, которую не закрывают облака.

Однако, вне зависимости от проблем, проекты DSRSS и GBATS заложили теоретический фундамент для оптических систем дальней космической связи и современных разработок инженеров в НАСА. Оставалось только построить подобную систему и продемонстрировать её работоспособность. К счастью, до этого оставалось всего несколько месяцев.

Реализация проекта

К тому моменту оптическая передача данных в космосе уже имела место. Первый опыт провели в 1992 году, когда зонд Галилео направлялся к Юпитеру, и резвернул свою камеру высокого разрешения к Земле, чтобы успешно получить набор лазерных импульсов, отправленных с 60-см телескопа обсерватории Тейбл-Маунтин и с 1,5 м телескопа USAF Starfire Optical Range в Нью-Мексико. В этот момент Галилео находился в 1,4 млн км от Земли, однако оба лазерных луча попали в его камеру.

Японское и Европейское космические агентства также смогли установить оптическую связь между наземными станциями и спутниками на орбите Земли. Затем они смогли установить соединение на скорости 50 Мбит/с между двумя спутниками. Несколько лет назад немецкая команда установила когерентную оптическую двунаправленную связь на 5,6 Гбит/с между спутником NFIRE, находившимся на околоземной орбите, и наземной станцией в Тенерифе (Испания). Но все эти случаи были связаны с околоземной орбитой.

Самая первая оптическая связь, соединившая наземную станцию и космический корабль на орбите возле другой планеты Солнечной системы, была установлена в январе 2013 года. Чёрно-белое изображение Моны Лизы размером 152х200 пикселей было передано со Станции дальномерных спутниковых лазеров следующего поколения, находящейся в Центре космических полётов Годдарда в НАСА на Лунный разведывательный орбитальный аппарат (LRO) на скорости 300 бит/с. Связь была односторонней. LRO отправила полученное с Земли изображение обратно по обычной радиосвязи. Изображению понадобилась небольшая программная коррекция ошибок, однако и без этого кодирования его было легко узнать. И на тот момент уже был запланирован запуск более мощной системы к Луне.

Из проекта «Лунного разведывательного орбитального аппарата» в 2013 году: чтобы очистить информацию от ошибок передачи, вносимых атмосферой Земли (слева), учёные из Центра космических полётов Годдарда применили коррекцию ошибок Рида-Соломона (справа), которая активно используется в CD и DVD. Среди типичных ошибок – пропущенные пиксели (белые) и ложные сигналы (чёрные). Белая полоска обозначает небольшую паузу в передаче.

«Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения» (LADEE) вышел на орбиту луны 6 октября 2013 года, и всего через неделю запустил свой импульсный лазер для передачи данных. На этот раз в НАСА попытались организовать двустороннюю связь на скорости 20 Мбит/с в ту сторону и рекордную скорость 622 Мбит/с в обратную. Единственной проблемой было короткое время жизни миссии. Оптическая связь LRO работала всего по нескольку минут. LADEE обменивался данными с его лазером в течении 16 часов в суме за 30 дней. Эта ситуация должна измениться, когда будет запущен Демонстрационный спутник лазерных коммуникаций (LCRD), намеченный на июнь 2019. Его задача – показать, как будут работать будущие системы связи в космосе.

LCRD разрабатывают в Лаборатории реактивного движения в НАСА совместно с Лабораторией Линкольна в MIT. У него будет два оптических терминала: один для связи на околоземной орбите, другой – для глубокого космоса. Первый должен будет использовать дифференциальную фазовую манипуляцию (Differential Phase Shift Keying, DPSK). Передатчик будет отправлять лазерные импульсы с частотой 2,88 ГГц. По такой технологии каждый бит будет кодироваться разницей фаз последовательных импульсов. Она сможет работать со скоростью 2,88 Гбит/с, но для этого потребуется много энергии. Детекторы способны распознавать разницу между импульсами только у сигналов с высокой энергией, потому DPSK превосходно работает с околоземной связью, но это не лучший метод для дальнего космоса, где запасать энергию проблематично. Сигнал, отправленный с Марса, потеряет энергию, пока доберётся до Земли, поэтому для демонстрации оптической связи с дальним космосом LCRD будет использовать более эффективную технологию — фазово-импульсную модуляцию.

Инженеры НАСА готовят LADEE к испытаниям

В 2017 году инженеры испытывали полётные модемы в термовакуумной камере

«По сути, это подсчёт фотонов, — поясняет Абрахам. – Краткий период, выделенный на связь, делится на несколько временных отрезков. Чтобы получить данные, нужно просто проверить, сталкивались ли фотоны на каждом из промежутков с детектором. Так данные кодируются в ФИМ». Это похоже на азбуку Морзе, только на сверхбыстрой скорости. Либо в определённый момент есть вспышка, либо нет, и сообщение кодируется последовательностью вспышек. «И хотя это гораздо мендленнее DPSK, мы всё равно можем организовать оптическую связь со скоростью в десятки или сотни Мбит/с на расстоянии до Марса», — добавляет Абрахам.

Конечно, проект LCRD – это не только два этих терминала. Он также должен работать как интернет-узел в космосе. На земле работать с LCRD будут три станции: одна в Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, одна на Тейбл-Маунтин в Калифорнии, и одна на острове Гавайи или на Мауи. Идея в том, чтобы проверить переключение с одной наземной станции на другую в случае наступления плохой погоды на одной из станций. Миссия также проверит работу LCRD в качестве передатчика данных. Оптический сигнал с одной из станций отправится на спутник и затем передастся на другую станцию – и всё это по оптической связи.

Если сразу же передать данные не получится, LCRD будет хранить их и передаст, когда появится возможность. Если данные будут срочными, или в хранилище на борту не будет достаточно места, LCRD отправит их сразу же через свою антенну K_a-диапазона. Так что, предшественник будущих спутников-передатчиков, LCRD будет гибридной радио-оптической системой. Именно такой агрегат НАСА нужно разместить на орбите вокруг Марса, чтобы организовать межпланетную сеть, поддерживающую исследование дальнего космоса людьми в 2030-х годах.

Выводим Марс в онлайн

За последний год команда Абрахама написала две работы, описывающие будущее дальней космической связи, которые будут представлены на конференции SpaceOps во Франции в мае 2019. В одной описывается дальняя космическая связь в общем, в другой («Марсианская межпланетная сеть для эры исследований человечества – потенциальные проблемы и решения«) предложено подробное описание инфраструктуры, способной обеспечить похожий на интернет сервис для астронавтов на Красной планете.

Оценки пиковой средней скорости передачи данных получились в районе 215 Мбит/с на скачивание и 28 Мбит/с на закачивание. Марсианский интернет будет состоять из трёх сетей: WiFi, покрывающей область исследований на поверхности, планетной сети, передающей данные с поверхности на Землю, и земной сети, сети дальней космической связи с тремя площадками, отвечающими за получение этих данных и отправку ответов обратно на Марс.

«При разработке подобной инфраструктуры появляется множество проблем. Она должна быть надёжной и стабильно работающей, даже на максимальном расстоянии до Марса в 2,67 а.е. в периоды верхнего солнечного соединения, когда Марс прячется за Солнцем», — говорит Абрахам. Такое соединение происходит каждые два года и полностью нарушает связь с Марсом. «Сегодня с этим не получается справиться. Все посадочные и орбитальные станции, которые есть на Марсе, просто теряют связь с Землёй примерно на две недели. С оптической связью потери связи из-за солнечного соединения будут ещё более длительными, от 10 до 15 недель». Для роботов такие промежутки не особо страшны. Такая изоляция не доставляет им проблем, потому что они не начинают скучать, не испытывают одиночества, им не надо видеться с любимыми. Но для людей всё совершенно не так.

«Поэтому мы теоретически допускаем ввод в строй двух орбитальных передатчиков, размещённых на круговой экваториальной орбите в 17300 км над поверхностью Марса», — продолжает Абрахам. Согласно исследованию, они должны весить по 1500 кг, и иметь на борту набор терминалов, работающих в X-диапазоне, K_a-дипазоне, и оптическом диапазоне, а питаться от солнечных батарей мощностью 20-30 кВт. Они должны поддерживать протокол, устойчивый к задержкам (Delay Tolerant Network Protocol) – по сути, TCP/IP, спроектированный для работы с большими задержками, которые неизбежно будут происходить в межпланетных сетях. Участвующие в сети орбитальные станции должны уметь устанавливать связь с астронавтами и транспортными средствами на поверхности планеты, с наземными станциями и друг с другом.

«Такая перекрёстная связь очень важна, поскольку уменьшает количество антенн, требующихся для организации передачи данных на скорости в 250 Мбит/с», — говорит Абрахам. Его команда прикидывает, что для получения данных на скорости в 250 Мбит/с, переданных с одного из орбитальных передатчиков потребуется массив из шести 34-метровых антенн. Это значит, что НАСА потребуется построить по три дополнительных антенны на площадках дальней космической связи, но на их строительство уходят годы, и стоят они чрезвычайно дорого. «Но мы думаем, что две орбитальных станции могут делить данные между собой и отправлять их одновременно на скорости 125 Мбит/с, когда один передатчик будет отправлять одну половину пакета данных, а другой – другую», — говорит Абрахам. Даже сегодня 34-метровые антенны дальней космической связи могут одновременно получать данные с четырёх разных космических кораблей сразу, в результате чего для выполнения задачи потребуются три антенны. «Для получения двух передач на скорости 125 Мбит/с из одного и того же участка неба требуется столько же антенн, сколько и для получения одной передачи, — объясняет Абрахам. – Больше антенн требуется, только если нужно установить связь на большей скорости».

Чтобы справиться с проблемой солнечного соединения, команда Абрахама предложила запустить спутник-передатчик на точки L4/L5 орбиты Солнце-Марс/Солнце-Земля. Тогда в периоды соединения его можно будет использовать для передачи данных вокруг Солнца, вместо того, чтобы отправлять сигналы сквозь него. К сожалению, в этот период скорость будет падать до 100 Кбит/с. Проще говоря, работать будет, но хреново.

А пока будущим астронавтам на Марсе придётся ждать получения фотографии котёнка чуть более трёх минут, не считая задержек, которые могут составить до 40 минут. К счастью, до того времени, как амбиции человечества погонят нас ещё дальше Красной планеты, межпланетный интернет уже будет работать неплохо большую часть времени.