Как космические станции передают информацию на Землю?⁠⁠

В феврале 2021 года марсоход “Персеверанс” впервые передал на Землю видеоизображение с Марса. Как это удалось, если на Марсе, очевидно, нет привычного для нас интернета?

Отслеживание аппаратов в глубоком космосе сильно отличается от отслеживания спутников на низкой околоземной орбите или возле Луны. Дальние космические корабли видны в течение длительного периода времени с большей части поверхности Земли, поэтому для них требуется мало радиостанций. Однако этим немногим станциям требуются огромные антенны, сверхчувствительные приёмники и мощные передатчики для отправки и получения сигналов на огромные расстояния.

Для связи марсоходов с Землёй прежде всего используются антенны Deep Space Network – Дальней космической связи НАСА. Это международная сеть радиотелескопов и средств связи, используемых для радиоастрономического исследования Солнечной системы и Вселенной, а также для управления межпланетными космическими аппаратами. Самые большие из антенн DSN находятся в Калифорнии, в Мадриде и в австралийской Канберре.

Во время полёта марсоход использовал антенны, расположенные на корабле-носителе, сигналы которых принимались аппаратурой DSN. Во время и после приземления, когда отделение от носителя уже произошло, марсоход переключается между несколькими антеннами: одни работают на дециметровых волнах (≈ 400 МГц) и передают информацию сначала на марсианские орбитальные станции MRO и MAVEN, другие используют сантиметровые волны (8,4 ГГц), принимаемые напрямую Землей.

Скорость передачи данных у Perseverance при работе через орбитальные ретрансляторы достигает 2 Мбит/с. При прямой связи с Землёй по X-диапазону она зависит от диаметра антенны сети DSN: от 160 до 3000 бит/с. Поэтому файл объёмом 8 МБ (это примерно 4-минутный MP3) быстрее отправлять через спутник: при 2 Мбит/с на это уйдёт около 32 с. По прямому каналу та же передача займёт от 6 до 117 часов. Прямая линия остаётся доступной, даже если все спутники ретрансляторы недоступны.

Команды с Земли уходят к марсоходу через 20-киловаттный передатчик DSN, а вот ровер отвечает скромными 15 Вт — для земного приёмника его «шёпот» слабее десятков фемтоватт, примерно как услышать жужжание мухи с другого конца Атлантики

Самое досадное — задержка. Пока радиоволна летит от Земли до Марса и обратно, проходит 6–44 минуты (в зависимости от взаимного положения планет). Поэтому инженеры не «рулят» марсоходом в реальном времени, как в GTA, а составляют подробный план действий на грядущий сол (марсианский день), загружают его пакетом команд и ждут отчёта следующего сеанса. Управление получается не аркадой, а пошаговой стратегией: шаг-пауза-анализ-следующий шаг.

Итак, если нужны гигабайты научных данных — реле-спутник принимается как быстрый Wi-Fi. Если случилась авария и ровер остался один — включается медленный «пейджер» прямой связи. А между ними всегда стоит непереодолимый барьер в десятки минут, из-за которого даже одно слово «Привет» возвращается эхом во времени.

Другие страны и организации также имеют свои центры управления космической связью, например, в Европе это Европейский центр управления космическими полётами, а в России – Восточный центр дальней космической связи. В частности, российский центр с 1991 до 1996 гг.  по договору с NASA осуществлял пробный приём телеметрической информации с обоих “Вояджеров”.

Смотрите новые видео на youtube.com/@PhysFromPobed

Приобретайте наши конструкторы на fizikits.ru и ozon.ru/seller/fizika-ot-pobedinskogo-396881