XCOM: интернет сквозь стены

3 часа назад Прокомментировать Просмотры: 0

Эмблема эксперимента XCOM, проводившегося в рамках миссии STP-H6, на фоне Земли. Снимок сделал с МКС астронавт Скотт Келли.

Организовать связь на огромных космических расстояниях непросто. С одной стороны, космос почти пуст, поэтому распространению радиоволн не мешают стены и другие препятствия. С другой — расстояния настолько велики, что связь становится серьезной задачей. По мере распространения радиоволны её энергия распределяется по площади, увеличивающейся пропорционально квадрату расстояния. Поэтому на большом удалении до приёмника доходит лишь малая часть исходной энергии, а слабый сигнал трудно различить на фоне шумов. Особенно если космический аппарат ограничен в энергоснабжении и не способен передавать сигнал большой мощности. В таких условиях для защиты от ошибок приходится снижать скорость передачи полезных данных.

Повысить частоту несущей волны полезно для дальней связи сразу по двум причинам. Во-первых, при увеличении частоты дифракционный предел позволяет сузить угол расхождения луча. Узкий луч теряет меньше энергии на большом расстоянии. Во-вторых, более высокая частота несущей даёт возможность использовать широкую полосу сигнала и, следовательно, увеличить скорость передачи. В 2023 году НАСА проверило дальнюю связь с помощью инфракрасных лазеров на аппарате Psyche. А несколькими годами ранее, в 2019-м, инженеры агентства заглянули ещё дальше по электромагнитному спектру и испытали рентгеновскую связь в эксперименте XCOM.

Дальняя связь в космосе

Разберёмся, как электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве от передающей антенны к приёмной и как оценить потери на этом пути. Передатчик с площадью апертуры $A_{TX}$ (диаметром $D_{TX}$ ) излучает электромагнитные волны мощностью $P_{TX}$ . Волны достигают приёмника с площадью апертуры $A_{RX}$ (диаметром $D_{RX}$ ), где принимаемая мощность равна $P_{RX}$ .

Потери при распространении можно оценить, сопоставив принятую и переданную мощности. Эта зависимость известна как формула Фрииса:

$\frac{P_{RX}}{P_{TX}} \approx \frac{A_{RX}A_{TX}}{d^2 \lambda^2} = \left(\frac{\pi D_{RX}D_{TX}}{4 \lambda d}\right)^2$

Здесь — расстояние между передатчиком и приёмником,
$\lambda$ — длина волны электромагнитного излучения. Она обратно пропорциональна частоте $\nu$ : $\lambda = \frac{c}{\nu}$ , где — скорость света.

Иллюстрация для расчёта мощности сигнала на приёмнике при дальней передаче. — Схема, помогающая оценить мощность сигнала на приёмнике при передаче на большое расстояние.

Зависимость принимаемой мощности от квадрата длины волны и расстояния непосредственно связана с дифракционным пределом угла расхождения луча $\theta$ , исходящего от источника.

$\theta \approx \frac{\lambda}{D_{TX}}$

Дифракционный предел — фундаментальное свойство распространения волн, связанное с «принципом неопределённости» преобразования Фурье. Чем сильнее волна ограничена в пространстве, тем менее определёнными становятся направления её распространения.

Чем шире угол расхождения, тем крупнее пятно луча на приёмнике. На большом расстоянии оно может оказаться намного больше площади приёмника, и тогда будет принята лишь часть энергии. Иными словами, излучённая мощность распределяется по площади пятна диаметром на расстоянии от передатчика. При малых углах можно принять, что $\tan{\theta} \approx \theta$ . Тогда площадь пятна равна:

$A_d = \frac{\pi D_d ^ 2 }{4} = \frac{ \pi(2 \cdot d \cdot \tan{\theta/2})^2}{4} \approx \frac{\pi}{4} \left( \frac{d\lambda}{D_{TX}}\right) ^2$

Отсюда получаем оценку потерь:

$\frac{P_{RX}}{P_{TX}} \approx \frac{A_{RX}}{A_d} = \frac{\frac{\pi}{4}(D_{RX})^2}{\frac{\pi}{4}\left( \frac{d\lambda}{D_{TX}}\right) ^2} = \left(\frac{D_{RX}D_{TX}}{\lambda d}\right)^2$

Это выражение совпадает с формулой Фрииса с точностью до постоянного множителя. Оно даёт оценку порядка величины и применимо в дальней зоне, то есть при $d \gg 2 D_{TX}^2 / \lambda$ .

Итак, чем короче длина волны, тем уже луч и тем меньше потери энергии при передаче на большие расстояния.

Частоты и модуляция

Есть и другая причина повышать частоту несущей электромагнитной волны: это позволяет увеличить пропускную способность канала связи.

Возможности канала описывает его пропускная способность — число бит, которое можно передать за секунду. Для простого канала с аддитивным гауссовским шумом теорема Шеннона связывает пропускную способность C с уровнем шума и полосой частот сигнала:

$C = B \log_2(1+SNR)$

Здесь — полоса частот сигнала, то есть разность между его максимальной и минимальной частотами,
— отношение мощности полезного сигнала к мощности шума.

При низком отношении сигнал/шум, характерном для связи на космических расстояниях, формулу Шеннона можно упростить, воспользовавшись приближением $\log_2(1 + x) = x$ при $x \ll 1$ . Получается, что пропускная способность прямо зависит от отношения сигнал/шум, а значит, изменение потерь напрямую влияет и на ёмкость канала, и на скорость передачи.

Модуляция прежде всего упрощает передачу сигнала. Она позволяет распределять сигналы по частотным каналам, выбирать частоты, лучше распространяющиеся в конкретной среде, а также уменьшать размеры передатчика и приёмника. Сама по себе модуляция пропускную способность не повышает: она лишь переносит полосу сигнала к частоте несущей. Однако на практике доступная полоса ограничена примерно Сравнение спектров последовательностей прямоугольных импульсов с различной длительностью и периодом.

Спектры последовательностей прямоугольных импульсов разной длительности и периода.

Полоса частот сигнала определяется шириной спектра отдельного прямоугольного импульса в последовательности. Его преобразование Фурье — функция sinc в частотной области. Огибающая амплитуды sinc-функции убывает с частотой как . Нули функции расположены с шагом $f_0 = 1/\tau$ , как у синусоиды, а ширина главного лепестка равна удвоенному расстоянию между нулями. Спектр всей последовательности также ограничен огибающей sinc-функции, но состоит уже не из непрерывного спектра, а из отдельных линий. По сути, это выборка спектра одиночного импульса с частотным шагом, обратным периоду последовательности во времени: .

При модуляции один из параметров несущей синусоиды — амплитуду, частоту или фазу — изменяют в соответствии с информационным сигналом. Самый простой способ передать цифровые данные — двоичная амплитудная манипуляция, или on-off keying (OOK): при значении бита 1 несущая включена, а при 0 — выключена.

Спектры при OOK-модуляции: спектр переносится к частоте несущей, но его ширина не меняется. — Спектры сигналов при OOK-модуляции: спектр смещается к частоте несущей, однако его ширина остаётся прежней.

Теоретически при использовании оптического излучения с длиной волны 1500 нм и частотой около 200 ТГц доступная полоса может быть в 200 000 раз шире, чем у радиосигнала с несущей 1 ГГц. Соответственно, во столько же раз потенциально возрастёт и пропускная способность. Для рентгеновского излучения с длиной волны 0,3 нм и частотой 10¹⁸ Гц теоретический выигрыш относительно радио достигает 10⁹ раз: условные 100 Мбит/с превращаются в 100 петабит/с. Это лишь верхняя теоретическая оценка. Реальную скорость ограничивают шумы, быстродействие источника излучения, чувствительность приёмника и его временное разрешение.

Электромагнитный спектр и диапазоны волн. — Спектр и диапазоны электромагнитных волн.

Радиосвязь

Сегодня для связи на больших космических расстояниях обычно используют радиоволны. Сеть дальней космической связи НАСА ( Внешний вид аппаратов «Вояджер». Крупнейшая часть каждого зонда — антенна связи, постоянно направленная на Землю.

Так выглядят «Вояджеры». Самая крупная деталь аппарата — антенна связи, которая всё время ориентирована на Землю.

Для связи с Землёй зонды используют параболическую антенну высокого усиления (High Gain Antenna, HGA) диаметром 3,7 м. Она работает в S- и X-диапазонах. Частота передачи «Вояджера-1» составляет 8420,5 МГц, а «Вояджера-2» — 8414,9 МГц. На Земле их сигналы принимают 70-метровые параболические антенны DSN.

Передатчик «Вояджера» излучает всего 23 Вт, но до земной антенны добирается лишь Антенна DSN 63 в Мадриде связывается с «Вояджером-1» 2 ноября 2026 года в 10:07 CET. За работой сети DSN можно следить онлайн. Принимаемая мощность — всего 10⁻¹⁹ Вт.

2 ноября 2026 года в 10:07 по CET антенна DSN 63 в Мадриде поддерживает связь с «Вояджером-1». За работой сети DSN можно наблюдать в реальном времени на сайте. Принимаемая мощность — всего 10^-19 Вт.

Оптическая связь

Проект НАСА по оптической связи на больших расстояниях называется DSOC — Deep Space Optical Communications. Его возможности проверяли на аппарате Psyche, который отправился к астероиду (16) Психея в главном поясе астероидов 13 октября 2023 года. В начале 2026-го Psyche пролетел мимо Марса; расстояние до Земли тогда составляло около 50 млн км. Во время испытаний на такой дистанции скорость передачи по оптическому каналу достигла 267 Мбит/с.

Космический аппарат Psyche. В отличие от «Вояджеров», он получает энергию от солнечных панелей площадью 75 м². На орбите Земли доступная мощность составляет 21 кВт, в поясе астероидов — около 3 кВт. — Аппарат Psyche получает энергию от солнечных панелей, в отличие от «Вояджеров». Их площадь — 75 м². На орбите Земли аппарат располагает мощностью 21 кВт, а в поясе астероидов — примерно 3 кВт.

Оптический лазерный приёмопередатчик Psyche, Flight Laser Transceiver (FLT), принимает инфракрасный сигнал с длиной волны 1064 нм и передаёт данные лазером мощностью 4 Вт на длине волны 1550 нм. Диаметр его апертуры составляет 22 см.

На Земле сигнал от Psyche принимает телескоп Хейла с апертурой 5 м. Передачу в сторону аппарата обеспечивает система GLT (Ground Laser Transmitter), установленная на телескопе OCTL. Мощность её лазерного излучения — 5 кВт.

Представим, что оптическая система Psyche работает на расстоянии до «Вояджера». Дистанция увеличится в 400 раз: с 50 млн до 20 млрд км. Из-за расхождения луча принимаемая энергия уменьшится в 400² раз. Если уровень шума останется прежним, во столько же раз снизится отношение сигнал/шум. Согласно формуле Шеннона, пропускная способность канала тоже упадёт в 400² раз. Тогда вместо 267 Мбит/с, достигнутых у Марса, на окраине Солнечной системы получится около 1,7 кбит/с — примерно в десять раз больше нынешней скорости радиосвязи «Вояджеров».

Схема оптической системы связи с аппаратом Psyche. — Схема оптического канала связи с аппаратом Psyche.

Рентгеновская связь

Эксперимент НАСА XCOM на МКС был значительно скромнее по масштабу, чем связь с «Вояджерами» или испытания DSOC. Оборудование XCOM доставили на станцию 4 мая 2019 года в составе миссии STP-H6. Технологию рентгеновской связи разработали совместно НАСА и Исследовательская лаборатория ВМС США, а заказчиком миссии STP-H6 выступили ВВС США.

Расположение телескопа NICER и передатчика MXS на МКС во время испытаний XCOM. Расстояние между ними — около 50 м. — Расположение телескопа NICER и источника MXS на МКС во время испытаний XCOM. Между передатчиком и приёмником — примерно 50 м.

В установке STP-H6 находился модулируемый источник рентгеновского излучения Modulated X-Ray Source (MXS) — ключевой элемент системы XCOM. Эта специальная рентгеновская трубка способна быстро менять интенсивность излучения, что необходимо для передачи данных на высокой скорости. STP-H6 закрепили снаружи на одном конце МКС, на транспортно-складской платформе ELC-3. На другом конце станции, на ELC-2, находился приёмник — рентгеновский телескоп NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), предназначенный прежде всего для изучения состава и структуры нейтронных звёзд. В ходе эксперимента удалось достичь скорости передачи 1 Мбит/с.

Рентгеновский телескоп NICER на борту МКС.

Рентгеновские трубки

Устройство рентгеновской трубки. Отрицательно заряженный катод служит источником электронов. На положительно заряженном аноде расположена мишень, к которой ускоряются электроны и на которой они тормозятся. — Схема рентгеновской трубки. Источник электронов — катод, электрод с отрицательным потенциалом. На аноде, имеющем положительный потенциал, находится мишень: к ней электроны ускоряются, а затем тормозятся.

В рентгеновской трубке электроны движутся в вакууме: электрическое поле, создаваемое напряжением в десятки киловольт, разгоняет их, а мишень резко тормозит. Возникающее при таком торможении электромагнитное излучение называют тормозным. Оно образует широкий непрерывный спектр, поскольку электроны теряют энергию по-разному: множество торможений с различными параметрами складывается в сплошное излучение.

Помимо тормозного, в трубке возникает характеристическое излучение. Быстрый электрон может выбить электрон атома с одной из орбиталей. Освободившееся место занимает электрон с более высокой орбитали, и при переходе выделяется энергия. Если она приходится на рентгеновский диапазон, возникает характеристическое излучение. Его спектр состоит из отдельных линий, положение которых определяется разностью энергий орбиталей и зависит от материала мишени.

Спектры рентгеновской трубки при ускоряющем напряжении 60 и 100 кВ.

Положение и ширина спектра рентгеновской трубки зависят от ускоряющего напряжения. Полная мощность излучения определяется количеством ускоренных электронов, то есть током, проходящим через трубку.

В стандартных трубках свободные электроны получают за счёт термоэмиссии. При нагреве до нескольких тысяч градусов электронов в металле хватает тепловой энергии, чтобы покинуть кристаллическую решётку. Для этого катод нагревают отдельной спиралью: чем выше температура, тем больше электронов и интенсивнее излучение. Однако тепловые процессы происходят медленно — металл не сразу нагревается и остывает. Поэтому обычная трубка не может достаточно быстро менять интенсивность излучения, чтобы передавать высокоскоростной сигнал.

Зависимость силы тока в рентгеновской трубке от температуры катода. — запатентована. Ультрафиолетовый светодиод выбивает электроны из катода, благодаря чему рентгеновское излучение можно быстро переключать, формируя импульсы длительностью до 20 нс. Последовательность таких импульсов соответствует полосе частот около 100 МГц. При достаточном отношении сигнал/шум — например, равном единице — быстродействие MXS теоретически позволяет передавать до 50 Мбит/с. Во время эксперимента ускоряющее напряжение было невысоким, поэтому энергия излучения не превышала 4 кэВ. Трубка производила главным образом тормозное излучение в мягком рентгеновском диапазоне.

Схема рентгеновской трубки MXS НАСА и сравнение скорости переключения её излучения с обычной трубкой.

Компактная трубка MXS имеет диаметр 5,1 см и длину 3,1 см. Размер апертуры можно менять; максимальный составляет 22 мм. Ток трубки равен 1 мА. Если принять ускоряющее напряжение равным 4 кВ, а типичную эффективность преобразования энергии в рентгеновское излучение — 1%, выходная мощность составит около 0,04 Вт. Излучение трубки некогерентно и не сфокусировано, поэтому угол расхождения пучка велик — около 20 градусов.

Схема рентгеновской трубки MXS.

Рентгеновские детекторы

Рентгеновское и оптическое излучение регистрируют принципиально иначе, чем радиоволны. Длина волны рентгеновского фотона слишком мала, чтобы измерить электрическую составляющую его поля обычной антенной. Детектор фиксирует энергию, которую фотон передаёт при взаимодействии с ним. Поэтому при регистрации рентгеновского излучения измеряется интенсивность, но не фаза волны.

Есть и другое отличие радиосигналов от оптического и рентгеновского излучения: источники шума при приёме. В радиодиапазоне главным образом мешает тепловой шум. На высоких частотах и при низкой интенсивности энергия отдельного фотона может быть сравнима с общей энергией, поступающей на приёмник. В этом случае заметную роль играет гибридные пиксельные детекторы, способны регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию.

Схема кремниевого дрейфового детектора.

В телескопе NICER применяются
Схема работы рентгеновской оптики.

Устройство рентгеновской трубки MXS НАСА и сравнение скорости переключения излучения с обычной трубкой. — запатентована. Ультрафиолетовый светодиод выбивает электроны из катода, благодаря чему рентгеновское излучение можно быстро переключать, формируя импульсы длительностью до 20 нс. Последовательность таких импульсов соответствует полосе частот около 100 МГц. При достаточном отношении сигнал/шум — например, равном единице — быстродействие MXS теоретически позволяет передавать до 50 Мбит/с. Во время эксперимента ускоряющее напряжение было невысоким, поэтому энергия излучения не превышала 4 кэВ. Трубка производила главным образом тормозное излучение в мягком рентгеновском диапазоне.

Схема рентгеновской трубки MXS НАСА и сравнение скорости переключения её излучения с обычной трубкой.

Компактная трубка MXS имеет диаметр 5,1 см и длину 3,1 см. Размер апертуры можно менять; максимальный составляет 22 мм. Ток трубки равен 1 мА. Если принять ускоряющее напряжение равным 4 кВ, а типичную эффективность преобразования энергии в рентгеновское излучение — 1%, выходная мощность составит около 0,04 Вт. Излучение трубки некогерентно и не сфокусировано, поэтому угол расхождения пучка велик — около 20 градусов.

Схема рентгеновской трубки MXS.

Рентгеновские детекторы

Рентгеновское и оптическое излучение регистрируют принципиально иначе, чем радиоволны. Длина волны рентгеновского фотона слишком мала, чтобы измерить электрическую составляющую его поля обычной антенной. Детектор фиксирует энергию, которую фотон передаёт при взаимодействии с ним. Поэтому при регистрации рентгеновского излучения измеряется интенсивность, но не фаза волны.

Есть и другое отличие радиосигналов от оптического и рентгеновского излучения: источники шума при приёме. В радиодиапазоне главным образом мешает тепловой шум. На высоких частотах и при низкой интенсивности энергия отдельного фотона может быть сравнима с общей энергией, поступающей на приёмник. В этом случае заметную роль играет гибридные пиксельные детекторы, способны регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию.

Схема кремниевого дрейфового детектора.

В телескопе NICER применяются
Схема работы рентгеновской оптики.

Один из 56 концентрических рентгеновских концентраторов телескопа NICER. — Один из 56 концентрических концентраторов рентгеновского излучения телескопа NICER. Фотография.

Эффективная площадь апертуры одного концентратора NICER равна 44 см² при энергии 1,5 кэВ и 18 см² при 4,5 кэВ. Для энергий у верхней границы спектра MXS суммарная эффективная площадь апертуры всех концентраторов составляет около 1000 см², что соответствует диаметру примерно 0,35 м.

Заключение

Сопоставление радио, оптики и рентгеновского диапазона показывает, что оптическая система 2020-х годов заметно превосходит радиосвязь «Вояджеров», разработанную в 1970-х: аппаратура компактнее, потребляет меньше энергии и обеспечивает намного более высокую скорость передачи. Рентгеновская связь пока находится на ранней стадии развития, а её потенциальное преимущество — меньшие потери благодаря более узкому лучу — в нынешнем эксперименте не проявилось. Обычные рентгеновские трубки плохо подходят для дальней космической связи из-за сильного расхождения пучка. Возможно, лучше справятся другие источники, например «Вояджер» — Земля

Psyche — Земля

XCOM

Тип связи

Радио

ИК-оптика

Мягкий рентген

Частота несущей, Гц

8,4 * 10⁹

1,9 * 10¹⁴

9,7 * 10¹⁷

Энергия фотона несущей, кэВ

3 * 10^-8

8 * 10^-4

Длина волны несущей, м

3,56 * 10^-2

1,55 * 10^-6

3 * 10^-10

Апертура передатчика, м

3,7

2,2 * 10^-1

2,2 * 10^-2

Угол расхождения, градусы

0,55

4 * 10^-4

Мощность передатчика, Вт

4 * 10^-2

Апертура приёмника, м

3,5 * 10^-1

Расстояние, м

2 * 10¹³

5 * 10¹⁰

Скорость передачи, бит/с

160

2,67 * 10⁸

1 * 10⁶

	«Вояджер» — Земля	Psyche — Земля	XCOM
Тип связи	Радио	ИК-оптика	Мягкий рентген
Частота несущей, Гц	8,4 * 10^9	1,9 * 10^14	9,7 * 10^17
Энергия фотона несущей, кэВ	3 * 10^-8	8 * 10^-4	4
Длина волны несущей, м	3,56 * 10^-2	1,55 * 10^-6	3 * 10^-10
Апертура передатчика, м	3,7	2,2 * 10^-1	2,2 * 10^-2
Угол расхождения, градусы	0,55	4 * 10^-4	20
Мощность передатчика, Вт	23	4	4 * 10^-2
Апертура приёмника, м	70	5	3,5 * 10^-1
Расстояние, м	2 * 10 ^13	5 * 10^10	50
Скорость передачи, бит/с	160	2,67 * 10^8	1 * 10^6

У рентгеновской связи может быть и другое применение — передача сигнала сквозь плазменное облако, непроницаемое для радиоволн. Такое облако образуется вокруг космического корабля при возвращении с орбиты на Землю. При движении через атмосферу на огромной скорости воздух нагревается до тысяч градусов и превращается в плазму. В самый критический момент связь с кораблём может прерваться. Впрочем, иногда проблему можно решить и без рентгеновского излучения. Позади плазменного облака образуется «кильватерная» область, поэтому радиоволны могут поступать к кораблю сверху. Связь через спутники — как в случае с прямой видеотрансляцией возвращения Starship, которую обеспечили спутники Starlink, — позволяет обойти помеху.

Можно также в шутку прикинуть, насколько быстрее работали бы центры обработки данных, если бы вместо оптики использовали рентген. В 2013 году исследователь Калифорнийского университета Джордж Портер провёл такую оценку и получил скорость порядка 40 петабит/с. Разумеется, дата-центры в этом случае стали бы источниками радиационной опасности, а электронику пришлось бы защищать от излучения. Неясно и как создать рентгеновский аналог медных и оптических кабелей, чтобы прокладывать сеть просто и эффективно. Но потенциальный выигрыш в скорости впечатляет.

В космосе же рентгеновскому лучу ничто не мешает распространяться. А возможность уменьшить потери на больших расстояниях благодаря более узкому лучу делает рентгеновскую связь перспективной технологией на будущее.