Nauka

Operator, który oferuje międzyplanetarny zasięg komunikacji

przeczytasz w 4 min.

Jeśli planujecie wycieczkę na Marsa, a nawet dalej, i chcecie zadzwonić na Ziemię, to obecnie w praktyce istnieje tylko jedna możliwość. A jest nią sieć Deep Space Network, która zapewnia transmisję danych pomiędzy pojazdami kosmicznymi w Układzie Słonecznym

Określenie operator telekomunikacyjny może się wydać pewnym nadużyciem terminu, ale nie ma tu błędu merytorycznego. Deep Space Network, w skrócie DSN, to sieć anten, a w zasadzie radioteleskopów, rozmieszczonych w różnych miejscach Ziemi, które nasłuchują sygnałów wysyłanych przez łaziki, sondy i inne pojazdy w kosmosie, w tym te najdalsze czyli Voyagery, z którymi nikt inny nie jest w stanie się połączyć.

Jednocześnie z pomocą nadajników zainstalowanych w tych antenach, wysyłane są zwrotne polecenia, a nawet poprawki oprogramowania. W teorii nic nie stoi na przeszkodzie, by wykorzystać te nadajniki do komunikacji głosowej, a w przypadku bliższych obiektów jak Mars, nawet prostego wideo (2 Mbps pozwolą na przesył strumienia wideo o niewielkiej rozdzielczości). Na razie oczywiście nie mamy z kim tam rozmawiać, ale w przyszłości to może się zmienić.

Co to jest radioteleskop

Radioteleskop to urządzenie, którego elementem jest duża antena. Służy jako odbiornik, a zależnie od zastosowanej aparatury także nadajnik sygnałów radiowych. Radioteleskopy mogą mieć różny kształt zależnie od częstotliwości sygnału, jednak najczęściej kojarzone są te o parabolicznych czaszach skupiających sygnał tak samo jak zwierciadło teleskopu ogniskuje sygnał optyczny.

Tym samym radioteleskop służy do obserwacji, ale zamiast w świetle widzialnym jak teleskop optyczny, to na falach radiowych.

Radioteleskopy ALMA
Sieć radioteleskopów ALMA w Chile, której operatorem jest ESO (fot: ESO/C. Malin)

Częstotliwości, które są rejestrowane i wykorzystywane przez radioteleskopy zależą od zastosowanej aparatury, ale także od przepustowości Ziemskiej atmosfery (wyjątkiem są radioteleskopy orbitalne). Mogą to być sygnały o częstotliwościach rzędu megagerców, ale także kilkudziesięciu GHz. Dla porównania światło czerwone odpowiada fali o częstotliwości 430 THz (teraherców).

Czym jest Deep Space Network i jak jest zbudowana

O tym jak działa DSN i skąd czerpać informacje o aktualnej aktywności sieci pisałem w materiale poświęconym komunikacji Ziemia-Mars.

Początki DSN sięgają końca lat 50. XX wieku, gdy zarząd nad JPL (Jet Propulsion Labolatory) został przekazany z rąk armii USA pod egidę NASA. Koncept DSN był prosty. Dzięki powszechnej dostępności systemu komunikacyjnego, każdy projektowany pojazd nie musiałby polegać na tworzonej na jego cele sieci łączności. Dziś podobną siecią dysponuje też ESA (Estrack) czy CNSA, ale w przypadku tej ostatniej trudno jakoś liczyć na łatwy dostęp, choć Chiny zarzekają się, że współpraca z innymi krajami w świecie nauki leży w ich naturze.

Sieć DSN oprócz zbierania danych telemetrycznych i kontroli misji kosmicznych, zajmuje się także projektami naukowymi, które wykorzystują dane na temat zmian sygnałów radiowych docierających od sond

DSN oficjalnie rozpoczęło pracę w 1963 roku. Wtedy to komunikowano się jedynie z 3 pojazdami. Teraz to nawet kilkadziesiąt misji jednocześnie. DNS to trzy kompleksy anten, zlokalizowane w Kalifornii w Goldstone, w pobliżu Madrytu w Hiszpanii i niedaleko Canberry w Australii. Na przestrzeni lat DSN posiłkowała się także innymi antenami, między innymi współpracowała z kompleksem VLA (Nowy Meksyk, USA) w trakcie przelotu Voyagera przy Neptunie.

Zasięg DSN
Pole widzenia radioteleskopów z trzech stacji DSN (fot: LouSheffer CC BY-SA 3.0)

Rozmieszczenie tych centrów nasłuchowych pozwala na ciągłe monitorowanie całej przestrzeni kosmicznej. No prawie całej, bo w odległości mniejszej niż 30 tysięcy kilometrów DSN ma trzy martwe stożki sygnałowe. Dla satelitów na niskiej orbicie, w tym Stacji Kosmicznej, DSN nie jest odpowiednią opcją komunikacji.

Wraz z nową doktryną „Śledź Słońce”, każdy ośrodek DSN będzie przekazywać swoje kompetencje kolejnemu, gdy straci z pola widzenia dany pojazd kosmiczny, tak by łączność odbywała się nieprzerwanie przez 24 godziny.

W każdym ośrodku DSN znajdują się anteny o różnych średnicach i przystosowane do różnych częstotliwości pracy. Każdy ośrodek ma jedną 70. metrową antenę, do tego w Canberze jest jedna antena 34. metrowa, ośrodek w Madrycie ma trzy takie anteny, a Goldstone trzy. Mniejsze 26. metrowe urządzenia służą komunikacji z pojazdami, które swoją misję realizują na orbicie wokółziemskiej.

Jak czuła jest sieć Deep Space Network?

Teoretycznie, nawet zwykła sieć komórkowa nadaje sygnał, który można odebrać daleko w kosmosie. Sęk w tym, że sygnał radiowy słabnie z odległością. Na dodatek naziemne nadajniki są tak skonstruowane by tworzyć wiązkę sygnału skoncentrowaną na odbiorcach na Ziemi. Dlatego anteny DSN są tak duże i mają tak dużą moc nadawania, skierowaną w konkretnym kierunku. W przypadku 70. metrowej anteny moc nadajnika może być liczona nawet w dziesiątkach czy setkach kW. Ciekawe co powiedzieliby na to zwolennicy świata bez 5G.

Antena 70 m. Goldstone

Komunikacja poprzez DSN nie jest zbyt wydajna. Z perspektywy dzisiejszych sieci kablowych, a nawet bezprzewodowych, to prędkości z czasów początku internetu. Ale nie szybkośc jest tu najistotniejsza. Anteny DSN są bardzo czułe. Sygnał dociekający z Voyagera 2 ma moc jedynie rzędu attowatów (10-18 W). To niczym szept słyszany na ruchliwej ulicy, której hałas to wszystkie ziemskie radiowe sygnały jednocześnie.

Dlatego też projekt radioteleskopu po drugiej stronie Księżyca, który będzie odizolowany od ziemskich zakłóceń, to sensowne rozwiązanie, które prędzej niż później doczeka się realizacji.

Deep Space Network rozbudowuje się

Obsługa DSN zdaje sobie sprawę z faktu, że w przyszłości obecna pojemność tej międzyplanetarnej sieci stanie się niewystarczająca. Trudno temu przeczyć, nawet w obliczu opóźnień w tak kluczowym programie jak Artemis, który jak dziś wiemy został opóźniony i nie doprowadzi do ponownego lądowania na Księzycu w 2024 roku.

Również łączność laserowa, o bardzo dużej przepustowości, nad którą już prowadzone są prace, nie zastąpi w pełni klasycznego DSN. To tak jakby sieć komórkowa miała konkurować z kablem w trudno dostępnych miejscach i przy złej pogodzie.

Antena radiowo-laserowa DSS-23
Wizualizacja DSS-23, oryginalnej anteny budowanej dla DSN, która połączy łączność radiową z laserową komunikacją. Na obrazie widać układ zwierciadeł, który pozwoli na koncentrowanie wiązki wysyłanej w kierunku odległych sond

Dlatego budowane są kolejne anteny/radioteleskopy. Najnowszy instrument w ośrodku pod Madrytem może pochwalić się 34. metrowym dyskiem, ale pod względem oprzyrządowania jest inny niż dotychczasowe.

Wcześniej 34. metrowe anteny dostępne były w dwóch wariantach. Takim o wysokim uzysku oraz wersji wyposażone w falowody, które pozwalają na skierowanie sygnału do pomieszczeń kontrolno-badawczych. Ten drugi typ anteny jest łatwiejszy w obsłudze i oprzyrządowaniu. Na dodatek dotychczasowe anteny 34 metry mogły pracować jedynie w ściśle narzuconym w danym momencie zakresie częstotliwości.

Obecnie Deep Space Network obsługuje 39 misji kosmicznych, a w przypadku 30 kolejnych również są plany użycia tej sieci komunikacyjnej

Nową 34. metrową antenę o symbolu DSS-56 NASA nazywa „all-in-one” czyli zdolną do pracy w szerokim zakresie częstotliwości. Inaczej rzecz ujmując, stanowi ona zapas dla każdej innej z anten obsługiwanych przez DSN. DSS-56 uruchomiona została z początkiem 2021 roku niedługo potem asystowała podczas lądowania łazika Perseverance na Marsie.

To nie koniec. Obecnie liczba anten obsługiwanych przez DSN to 13, ale w budowie jest kolejna antena bliźniacza dla tej spod Madrytu, a w planach kolejne. Modernizowane są także starsze anteny. Na pierwszy ogień poszła 70. metrowa antena w Canberze (DSS-43), teraz trwają prace nad pozostałymi takimi radioteleskopami, które ma w zasobach DSN.

Prace Canberra 70 m antena
Modernizacja 70 metrowej anteny w Canberze

Praktycznie każdy radioteleskop na Ziemi może pełnić rolę nadajnika

Nasłuch tego co słychać w kosmosie prowadzą oczywiście nie tylko radioteleskopy w ramach DSN. Każdy radioteleskop na Ziemi prowadząc obserwacje naukowe prowadzi niejako nasłuch. A po zastosowaniu odpowiedniej aparatury mógłby również nadawać sygnały. Tę własność wykorzystano w programie SETI, który przez lata korzystał z radioteleskopu w Arecibo.

Największy radioteleskop w Polsce w Piwnicach pod Toruniem ma 32 metry średnicy. Zarządza nim Instytut Astronomii Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu

Faktem jest oczywiście to, że bez narzuconego reżimu pracy, pewne ciekawe sygnały mogą się prześlizgnąć niezauważone, dlatego im więcej takich instrumentów, w tym lepszym stopniu poznamy okoliczną przestrzeń.

Źródło: NASA, inf. własna

Komentarze

8
Zaloguj się, aby skomentować
avatar
Komentowanie dostępne jest tylko dla zarejestrowanych użytkowników serwisu.
  • avatar
    fonzie
    2
    Tanie rozmowy międzyplanetarne.
    Minuta połączenia Wąchock - Olympus Mons na Marsie jedyne 99,99$
    • avatar
      Marti99
      0
      >>>Operator, który oferuje międzyplanetarny zasięg komunikacji
      Czy to TP S.A.? :D
      • avatar
        Warmonger
        -1
        A jakie opłaty za roaming?
        • avatar
          pawluto
          -3
          Na księżycu nie byli a tu takie bajki o połączeniach z marsem...!!!
          Po co to komu potrzebne te wypociny ???
          • avatar
            force
            0
            nad pomarańczowym przyciskiem macie literówkę. Jest DNS zamiast DSN
            • avatar
              Kapitan Nocz
              0
              Ciekawe czy na Marsie sięgaliby mnie za opłaty na abonament radiowo-telewizyjny w polszy?