Как NASA связывается с космическими аппаратами, находящимися от нас в миллиардах километрах?
Иногда, читая посты, в которых есть изображения марсианских пустынь, вулканов на спутниках Юпитера, гор на Плутоне, то можно найти комментарии, общее содержание которых приблизительно таково:
У меня вай-фай в соседней комнате не ловит/мобильный интернет в подъезде отрубается, а они фотки в высоком разрешении получают с расстояния в 1000050000 км. Как?
Нет никаких секретов — аналогичным образом ваш телефон связывается с абонентом, роутер раздаёт wi-fi, а радио ловит музыку во время поездки в машине. Всё это возможно благодаря радиоволнам.
Основной принцип не меняется — для передачи данных всё так же используются радиоволны. Но ловят их уже не слабеньким-преслабеньким мобильным приёмничком, а здоровенным радиотелескопом. Для этого была специально разработана Сеть дальней космической связи НАСА (NASA deep space network), представляющая собой 3 комплекса из нескольких "тарелок", расположенных в различных уголках нашей планеты.
Радиотелескоп диаметром 70 метров близ Мадрида, Испания. Вверху справа — созвездие Ориона. Фото Miguel Claro.
Радиообсерватории расположены в США (Голдстоун), Испании (недалеко от Мадрида) и Австралии (Канберра). Каждая имеет в своем вооружении мощный 70-метровый радар, способный добраться до самых далёких мест в Солнечной системе. Имеются тарелки и поменьше.
Комплекс начал работать в начале 1960-годов. Цель его создания — связь с космическими аппаратами, радиолокация планет Солнечной системы и исследования космоса в радиодиапазоне.
Расположение обсерваторий не является случайным — все они равноудалены друг от друга на 120 градусов по долготе, таким образом все 3 наблюдательных пункта обеспечивают 360-градусный охват небесной сферы. В случае, когда один радар теряет из виду космический аппарат (например, вследствие суточного вращения Земли межпланетная станция уходит за горизонт), его тут же может "подхватить" телескоп с другого конца планеты.
Вид на северный полюс Земли. Любой космический аппарат, расположенный на высоте 30 тысяч километров и выше, будет находиться в зоне видимости как минимум одной обсерватории.
Специальная вогнутая (параболическая) форма тарелки-зеркала необходима для фокусировки разрозненных радиоволн. Последние, отражаясь от тарелки и собираясь как можно в меньшую точку, попадают на приёмник. Процесс можно сравнить с фокусировкой солнечных лучей линзой — обычный солнечный свет не сжигает, однако стоит их сфокусировать лупой, как тут же он превращается в смертоносный луч. В случае с радиотелескопом ход "лучей" (читай - радиоволн) немного иной, но принцип, думаю, понятен. Совмещая как можно больше волн, мы можем ловить более слабый сигнал. Также антенна обладает способностью фокусировать сигнал от передатчика, многократно (очень, очень и очень сильно) увеличивая его мощность для того, чтобы маленький аппарат за миллионы километров своей крошечной антенной смог поймать сообщение с Земли для включения двигателей, выполнения фотосъемки и многое другое.
Комплекс в Канберре, Австралия. Фото: NASA.
Если мощности на Земле не особо ограничены, то мощность передатчика, расположенного на космическом аппарате, довольно-таки оооооочень сильно отличается от земного. Ограничен и диаметр антенны. В случае с "Вояджерами" (2 межпланетные станции-близнецы, запущенные в 1977 году для исследования планет-гигантов) диаметр антенны составляет всего 3,7 метра. Сейчас один из аппаратов, Вояджер-2, находится на расстоянии около 17.5 миллиардов км (это 16 световых часов) от нашего дома. Мощность его сигнала, принимаемого на Земле, составляет приблизительно 5,3*10^-16 милливатт. Много это или мало? Это безумно слабый сигнал. В десятки миллионов раз слабее, чем сигнал от базовой станции, который ловит сейчас ваш мобильный телефон. Мощность же передатчиков на самих телескопах различна и может составлять 2000-10000 ватт (возможно больше/меньше). Ваш вай-фай роутер выдает сигнал, используя 0,1-ваттный передатчик.
Скорость передачи данных с зонда — 20 байтов в секунду. Удивительно, но человечество всё ещё связывается с этим небольшим аппаратом, который в настоящее время покидает Солнечную систему. "Вояджер-1" улетел ещё дальше (больше 20 миллиардов километров), от него сигнал ещё слабее и скорость соединения тоже хуже, но и он до сих пор контролируется человеком.
Вояджер-1 — самый далёкий рукотворный объект на сегодняшний день. И самый быстрый. Находится на расстоянии более 21 миллиарда километров и продолжает уходить от нас на скорости в 17 км/с относительно Солнца. Он до сих пор отправляет на Землю телеметрию.
Для её приёма используются 70-метровые тарелки.
Вообще, затухание волн в космосе — довольно существенная проблема. Мощность их может падать тупо из-за рассеяния в пространстве. Например, сигнал от станции, находящейся на орбите Сатурна (а это почти 1,4 миллиарда километров от Земли), направленный в сторону нашей планеты, дойдя до нас, рассеется на расстояние в 300 миллионов километров (диаметр земной орбиты). Вот и приходится строить огромные радиотелескопы, чтобы собирать хоть какие-то крупицы информации. Кстати, для того, чтобы знать, в каком месте находится Земля, станции используют звёзды. Это может быть и Солнце, а может и Сириус.
"Новые горизонты", другой агрегат НАСА, отправленный в 2006 году изучать Плутон, успешно выполнил миссию, собрав гигабайты информации о карликовой планете. Приём вёлся на самые крупные телескопы в арсенале Сети дальней связи. Несмотря на колоссальное (ну насколько это было возможно) усиление сигнала 2,1-метровой антенной зонда, расстояние в 4,5 миллиарда километров и куча космических помех сделали своё дело — мощность сигнала упала в 12*10^22 раза (на минуточку, это число с 22 нулями), составляя жалкие 1,6*10^-15 милливатта при приёме. Пропускная способность этого канала около 125 байт в секунду. Несмотря на столь плохой "интернет", "Новые горизонты" передали очень много фотографий и научных данных на Землю. Отправка заняла 15 месяцев.
Атмосфера Плутона, подсвеченная Солнцем. Фотография сделана межпланетной станцией "Новые горизонты". Максимально естественные цвета. Размер изображения на сайте НАСА составляет около 400 КБ. Таким образом, данное фото передавалось около 54 минут :)
Для установления прочной связи с зондами, летающими относительно недалеко от Земли (Солнце, Луна, Марс и тому подобное), вполне достаточно 34-метровых тарелок. Однако в чрезвычайных ситуациях в дело вступают самые большие радиотелескопы дальней связи. Именно они (вкупе с другими радарами) использовались для спасения экипажа миссии "Аполлон-13" и солнечного спутника SOHO.
Отдельно стоит упомянуть задержку сигнала. Радиоволны, распространяясь со скоростью света, преодолевают расстояние до Вояджера-1 за 19,5 часов. А вот отклик от аппарата о выполнении команды придёт уже через 39 часов (пинг аж 140400000 мс!). Это то же самое, как если бы вы играли с радиоуправляемой машинкой, и она ехала бы вперёд через 39 часов после того, как вы нажали педаль газа на пульте. Остальные 38 часов 59 минут 59 секунд она бы просто стояла перед вами, не реагируя ни на что.
У НАСА есть специальный сайт, где любой желающий может посмотреть, где какой телескоп принимает/отправляет сигнал с аппаратов, частоту, мощность, скорость соединения и прочие штуки.
