Łazik Perseverance już nadaje z Marsa - kto na Ziemi odbiera te dane i w jaki sposób?

Mamy już pierwsze zdjęcia z łazika Perseverance, który wylądował na Marsie 18 lutego 2021 roku, a także pierwsze zdjęcie łazika, a nie tylko wykonane przez kamery łazika. Są to zdjęcia techniczne wykonane tuż po lądowaniu, zdjęcia kół, a także zdjęcie opuszczanego w dół łazika wykonane przez kamery zainstalowane w module rakietowym. W innych tekstach znajdziecie więcej informacji o samym lądowaniu jak i misji Mars 2020.

Na takie zdjęcie czekaliśmy od zawsze. Perseverance na ostatnim etapie lądowania, opuszczany na powierzchnię Marsa

Koła Perseverance są trochę inne niż koła Curiosity. Powinny lepiej stawić czoła podróży w trudnym terenie

Wszystko ładnie, czekamy na więcej, ale przy okazji pewnie zastanawiacie się jak Perseverance, a także inne pojazdy na Marsie i w Układzie Słonecznym komunikują się z Ziemią. Oto odpowiedź.

Jak daleko jest Mars i co z tego wynika?

Mars zależnie od pory roku znajduje się średnio w odległości od 55 do 401 milionów kilometrów od Ziemi. A ponieważ najszybsza forma komunikacji to fale elektromagnetyczne, czas przesyłki informacji na Czerwoną Planetę będzie determinowany przez prędkość światła. Skończoną, dlatego jeśli chcemy przekazać takiemu łazikowi czy sondzie polecenie lub odebrać dane, trzeba trochę poczekać.

Maszyny nie przejmują się opóźnieniami, tak jak człowiek, którego nawet 60 ms lag w grze potrafi wyprowadzić z równowagi. A w tym czasie sygnał radiowy pokona niespełna 18 tysięcy kilometrów. W przypadku pojazdów kosmicznych negatywną stroną tego zjawiska jest konieczność rezygnacji z możliwości sterowania nimi w czasie rzeczywistym. Pozostaje tylko autonomia, z której w szerokim zakresie korzysta Perseverance , a w jeszcze większym stopniu helikopter Ingenuity, który w ciągu najbliższych kilkudziesięciu dni ma rozpocząć swoją 30 dniową misję.

Kto na Ziemi odbiera i wysyła dane z i do marsjańskich sond, łazików i lądowników

W tym celu przygotowano sieć radioteleskopów pod nazwą Deep Space Network (DSN), która jest częścią jeszcze większej struktury o nazwie SCaN (Space Communications and Navigation). Łączy ona wszystkie nadajniki i odbiorniki na Ziemi wykorzystywane do komunikacji z pojazdami i astronautami w Kosmosie. DSN jest nadzorowany przez NASA JPL. Radioteleskopy, z których największe mają 70 m średnicy, umieszczone są pod Madrytem w Hiszpanii, pod Canberrą w Australii i w USA w Goldstone na pustyni Mojave. Rozmieszczenie dookoła Ziemi minimalizuje ryzyko przerw w komunikacji.

Centrum kontroli lotów NASA JPL

Chiny, by uniezależnić się od innych sieci, zbudowały własny radioteleskop, również o rozmiarze około 70 m, za pomocą którego odbierają transmisję z Tianwen-1. Między innymi pierwsze zdjęcia planety wykonano z tego orbitera.

Moc nadajników, a moc odbieranego sygnału - gigantyczna różnica

Nadajniki zainstalowane na tych antenach i wycelowane w Kosmos mają moc sięgającą 20 kW w pasmie X (częstotliwości od 8 do około 12 GHz), a nawet 400 kW (użycie mocy powyżej 100 kW wymaga koordynacji z kontrolą ruchu powietrznego i kosmicznego) w pasmie S (częstotliwości od około 2 do 4 GHz, czyli podobne jak w domowym Wi-Fi czy niektórych sieciach telefonii komórkowej). Dla porównania, moc najsilniejszych nadajników stacji bazowej sieci 5G to 120W, zwykle jednak jest to znacznie mniej, poza tym wiązka jest uformowana inaczej niż w przypadku transmisji do pojazdów kosmicznych.

70-metrowa antena znajdująca się w okolicach Canberry w Australii

Przy odbiorze sygnału te największe z anten sieci DSN są w stanie wychwycić wiązkę danych o mocy rzędu attowatów (to 10^-18 W). Taką moc ma na Ziemi sygnał odbierany obecnie z Voyagera 2. Zresztą sygnały z sond wokółmarsjańskich również nie są zbyt mocne, zważywszy na odległość i ograniczony budżet energetyczny sond.

Na przykład MRO (Mars Recoinassance Orbiter) ma do dyspozycji dwa wzmacniacze sygnału o mocy 100 W każdy dla pasma X. Jeden na okoliczność awarii drugiego. Ma też eksperymentalny nadajnik pracujący w paśmie Ka (częstotliwości w zakresie 26-40 GHz), który nadaje z mocą 35 W, ale tylko w celach testowych.

Im dalej w Kosmos tym wolniej

DSN rozmawia też z innymi sondami, ale wiadomo, im dalej są one od Ziemi, tym niższe tempo transmisji danych. Wiele też zależy od mocy nadajnika na danym pojeździe. Najdalej znajdująca się od Ziemi sonda Voyager 1, wysyła dane w tempie 160 bps, niewiele tylko większym niż pierwsze modemy z lat 50. XX wieku. By otworzyć stronę benchmark.pl z tym tekstem z takiej odległości, trzeba byłoby czekać grubo ponad dobę.

Z kolei sygnał docierający do sondy z Ziemi jest silniejszy, ale za to antena Voyagera ma tylko 3,7 metra średnicy, co sprawia, że skuteczność recepcji sygnału jest znacznie słabsza niż gdyby była to 70-metrowa antena.

Ile danych przesyła marsjańska sonda czy łazik w trakcie swojej misji?

Misje na Marsa trwają zazwyczaj podstawowe dwa lata plus czas misji rozszerzonej, która najczęściej ma miejsce i może rozciągnąć się do ponad dekady. Najwięcej przepustowości potrzebują sondy i instrumenty, które wykonują obserwacje wizualne. Wiadomo, zdjęcia to co najmniej megabajty danych. W takiej samej objętości można zmieścić za to dużo więcej liczb, które charakteryzują inne pomiary, atmosfery, pola magnetycznego, temperatury itp.

Na korzyść sond kosmicznych działa czas. Nie nadają one zbyt szybko, ale robią to wytrwale przez lata

Sonda MRO, która fotografuje Marsa od 2005 roku, wykonała już ponad 50 tysięcy obiegów Marsa i wykonała ponad 90 tysięcy zdjęć pokrywających 99% powierzchni planety (dane z 2017 roku). Do tego przesyła transmisje z łazików marsjańskich. Sam Curiosity wykonał już prawie milion surowych zdjęć (nie wszystkie są przetwarzane do postaci, którą lubimy podziwiać). Objętość zgromadzonych na Ziemi danych odebranych z MRO zbliża się do 0,5 petabajta (szacunkowe dane na 2021).

Lądujący łazik Perseverance widziany przez kamery Mars Recoinassance Orbiter

MRO to jednak misja koncentrująca się na zdjęciach i przekazywaniu danych. Dla porównania, orbiter Cassini, który przez kilkanaście lat badał Saturna i jego księżyce przesłał na Ziemię tylko 635 GB danych, na które składało się między innymi 453 tysiące zdjęć. Z kolei łazik Opportunity, który przez 15 lat przemierzał Marsa, wysłał na Ziemię do 2018 roku (niedługo potem straciliśmy z nim na dobre kontakt) ponad 225 tysięcy zdjęć.

Ilość danych, które wysyłane są w kierunku Marsa, jest znacznie mniejsza. Bo to głównie polecenia i komendy, ewentualnie poprawki oprogramowania (te ważą najwięcej), do których transferu nie są potrzebne nawet szczególnie mocne nadajniki.

A jak marsjańska sonda, lądownik, łazik rozmawiają z Ziemią?

Wiemy już jak dane z Marsa są odbierane na Ziemi, ale jak inicjowane jest połączenie z pojazdu na Czerwonej Planecie? Najłatwiej mają sondy na orbicie, bo one mogą wygodnie bezpośrednio dzwonić na Ziemię i wysyłać spore ilości danych. Taka komunikacja wykorzystuje najczęściej wspomniane pasmo X. Dwa nadajniki (niskiej i dużej mocy) pracujące na tym paśmie ma też łazik Perseverance, podobnie jak Curiosity.

Za ich pomocą łazik jest w stanie sam zadzwonić do domu, ale tempo przesyłania w ten sposób danych z nadajnika dużej mocy to co najwyżej 800 bps, gdy sygnał odbiera 70-metrowa antena, lub 160 bps, gdy jest to antena 34-metrowej średnicy. Nadajnik niskiej mocy to już wyłącznie ostatnia deska ratunku, bo to łącze o wydajności 10 bit dla transmisji lub 30 bit dla odbioru danych.

Sondy wchodzące w skład sieci Mars Relay Network

Dlatego dziś lądowniki i łaziki Curiosity i Perseverance zazwyczaj najpierw łączą się w paśmie UHF ze swoją „stacją bazową” na orbicie Marsa, sondami, które mają znacznie większe anteny nadawcze. W tym celu wykorzystywane są MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey oraz europejskie Mars Express i TGO (Trace Gas Orbiter). Tworzą one sieć zwaną MRN (Mars Relay Network).

Zanim powstała taka sieć przekaźników, lądowniki takie jak Viking 1 i 2 musiały liczyć na towarzyszące im orbitery. Do bezpośredniej komunikacji z Ziemią stosowano nadajniki o mocy 20 W i pasmo S. Z orbiterem komunikacja realizowana była na częstotliwości 381 MHz (pasmo UHF), podobnie jak czynią to dziś łaziki na Marsie.

Maksymalna szybkość łącza Mars-Ziemia

Perseverance zdjęcia i inne dane prześle najpierw do sond na orbicie, wykorzystując częstotliwość 400 MHz, za pomocą anteny umieszczonej z tyłu pojazdu tuż obok osłony radioizotopowego generatora termoelektrycznego. Przepustowość łącza z powierzchni na orbitę Czerwonej Planety wynosi do 2 Mbps. Wydajność połączenia z orbity Marsa zależy od jego odległości od Ziemi, a ta jak wiemy zmienia się w szerokim zakresie.

Maksymalna szybkość połączenia zmienia się od 500 kbps, gdy Mars jest najdalej od Ziemi, do ponad 3 Mbps, gdy Mars mocno zbliży się do naszej planety. Zwykle wykorzystywane są 34-metrowe anteny sieci DSN, przez około 8 godzin dziennie. Nie oznacza to jednak, że dane są cały czas przesyłane z maksymalną prędkością, co widać na podsumowaniu funkcjonowania anten DSN.

Duża antena w Mardycie nadaje właśnie bezpośrednio do Perseverance, a mniejsza 34-metrowa odbiera sygnał z MRO z prędkością 2 Mbps

Do Perseverance można też zadzwonić z Ziemi

Z łazikami i lądownikami na Marsie można też próbować połączyć się bezpośrednio z Ziemi. Są to połączenia stosowane awaryjnie lub do przesyłania wyłącznie prostych komend sterujących. Wykorzystują te same anteny na Ziemi jak i na łaziku oraz pasmo X. Przepustowość łącza na Marsa jest 3-4 razy większa niż przy bezpośredniej transmisji z powierzchni Marsa.

Przerwy w komunikacji, na które dziś nie mamy wpływu

Ich przyczyną jest Słońce. Samo Słońce potrafi zakłócać transmisję danych z sond przelatujących w jego pobliżu, ale Czerwona Planeta jest po prostu przez nie od czasu do czasu zasłonięta. A ponieważ nie mamy jeszcze rozwiniętej sieci komunikacji w Układzie Słonecznym, nie mówiąc już o kolejnych opóźnieniach od przekaźników, co dwa lata trzeba czekać około 10 dni, by Mars prześliznął się za tarczą Słońca.

Czasem jednak nie ma wyjścia, trzeba się mozolić i czekać na dane dniami, a nawet miesiącami

W przypadku Marsa takich problemów na szczęście nie mieliśmy, ale jeśli ktoś z Was pamięta sondę Galileo z lat 90. XX wieku, to wie jakich trosk dostarczyła ona kontroli naziemnej. Tylko częściowo rozłożona antena nadawcza nie była w stanie osiągnąć zakładanej przepustowości 134 kbps. Naukowcy musieli opracować nowe techniki kompresji danych, by nie stracić potencjału sondy. Udało im się zwiększyć wydajność drugiej z anten, o niskim wzmocnieniu sygnału, z tylko 8-16 bps (tak, tylko bitów na sekundę) do 160 bps, a potem do około 1 kbps. To wciąż było bardzo mało, ale wystarczyło, by uratować misję.

Z kolei bardzo odległe pojazdy nie mają wyjścia. Musiałyby być albo wyposażone w bardzo duże anteny nadawcze i potężne źródła energii, albo godzimy się na to, że transfer trwa długo. W przypadku sondy New Horizons, której antena nadawcza ma moc 12 W, po jej przelocie w pobliżu Plutona na komplet przesłanych danych czekaliśmy miesiącami.

Źródło: inf. własna, NASA, ESA

Czytaj więcej na temat eksploracji planety Mars:

• Inwazja ziemskich pojazdów na Marsa w lutym 2021 - orbiter, lądowniki, łaziki
• Marsjanie niedawno świętowali Sylwestra - dla nich rozpoczął się rok 36
• To już koniec - kret z lądownika InSight pokonany przez marsjański piasek