Продолжение поста «Эпопея Кассини-Гюйгенса»⁠⁠2

В космосе почти никто не услышит твой “Хрю”.

В прошлый раз мы погрузились в историю создания Кассини, рассмотрели его энергетическую систему и магнитную чистоту, разобрали различные проблемы, возникшие при планировании автономной миссии в глубоком космосе. Однако на энергии не оканчивается подготовка к космическому полёту: чтобы миссия приносила пользу, нужно иметь связь с Землей, где учёные могут анализировать показания приборов, корректировать курс аппарата и делать ещё кучу полезных штук.

В общем, нам нужна антенна. Мощная. Сигнал ослабевает пропорционально квадрату расстояния до объекта - а мы далеко улетаем. Если точнее, то на расстояние около 1400 миллионов километров, в среднем расстояние от Земли до Сатурна будет в колебаться в пределах от 1200 до 1600 миллионов километров. Для подсчёта идеальных потерь мощности сигнала есть одна замечательная формула FSPL. Подставив все известные значения получим ослабление примерно в 10^29 раз. При передаче с Сатурна на Землю он теряет в мощности 29 нулей - только вдумайтесь в эту цифру - и это ещё в идеальном случае…

Разумеется, ослаблению можно противопоставлять усиление сигнала: и здесь размер имеет значение. Сразу скажу, что на Кассини был установлен передатчик мощностью в 20 Ватт (та самая мощность, что ослабляется с расстоянием) - мощность была ограничена из-за жёсткого ограничения энерговыработки на Кассини. И, хотя временами передатчик использовал до 40 Ватт мощности для отправки сигнала, большую часть времени для сообщения с Землёй можно было использовать только запланированные 20 Ватт.

Передатчик работает так, что сигнал от него отправляется во все стороны, он похож на простую лампочку. Далее аналогия с лампой будет активно развиваться, благо видимый свет и радиоволны имеют единую природу электромагнитных волн. Эту лампочку нам нужно увидеть после ослабления её сигнала-свечения на 29 порядков - задача выглядит нереализуемо. Но на помощь приходят сразу 2 способа усилить наш сигнал для восприятия с Земли!

Для начала: почему бы не сфокусировать весь пучок света от нашей лампочки в одну точку - сделать её прожектором? Есть такое замечательное свойство у параболических зеркал: они способны создавать узконаправленный пучок параллельных лучей света, если расположить источник света в фокусе этого самого зеркала. Притом, так уж работают законы оптики: чем больше диаметр такого зеркала, тем более сконцентрированный луч. А если луч будет менее рассеян, усиление от антенны будет сильнее. И для радиоволн зеркало мы будем называть тарелкой, чтобы не путаться между аналогией и тем, что делаем с радиоволнами.

На Кассини была установлена усиливающая тарелка диаметром в 4 метра. Она обеспечивала видимое усиление для наблюдателя с Земли в 100 000 раз. Тарелка больших размеров создала бы огромное количество проблем при запуске и полёте миссии, а выигрыша от увеличения диаметра тарелки было бы очень мало из-за экспоненциально увеличивающихся требований к той же степени относительного усиления. Короче, тарелка больше была бесполезна и даже вредна для миссии…

Ну и вторая возможность усилить сигнал - уже на стадии приёма. Наш главный враг здесь - рассеяние. Чем дальше передатчик от приёмника, тем больше рассеяние и, как следствие, сигнал слабее. Рассеяние значит, что на единицу площади мы получим меньше, в нашем случае, фотонов радиоволн от передатчика, чем могли бы без него. Очень условно, чем ближе к костру мы находимся, тем больше тепла получаем - а с расстоянием тепла на единицу площади приходится меньше. Ну и раз мы хотим получить больше фотонов с передатчика, нужно сделать большие принимающие антенны, которые будут фокусировать весь полученный сигнал в виде фотонов от нашего аппарата в одну точку. Здесь нам опять помогают параболические зеркала. Есть пучок параллельного света от прожектора, который хочется собрать в одну точку. Есть параболическое зеркало. Оно может этот параллельный пучок света собрать в своём фокусе, главное - направить зеркало - принимающую антенну - правильно.

На Земле для приёма сигналов космических аппаратов использовалась Сеть дальней космической связи НАСА, или же просто DSN. Эта сеть включает в себя сеть параболических антенн в США, Испании и Австралии для круглосуточной связи с аппаратом в любой точке небесной сферы. В каждой точке установлено 3 или более 34-метровых (в диаметре) антенны и одна 70-метровая, что позволяет спокойно говорить об усилении сигнала с Кассини в 10^7 раз.

Суммарно получаем скорость передачи данных с орбиты Сатурна в пределах от 10 до 160 кбит/с - что медленно даже для 90-ых. А приборы продуцируют информацию гораздо быстрее, чем Кассини способен отправить. Более того, помимо показаний научных инструментов, нужно присылать на Землю регулярные отчёты о состоянии аппарата, иногда получать команды с земных антенн…

Кодирование всей необходимой для передачи информации - задача, опять-таки, космически сложная и нетривиальная. С одной стороны, из-за скорости отправки сигнала нужно его максимально сжимать, а с другой, при столь сильном ослаблении сигнала и огромных расстояниях между передатчиком и приёмником, нужно заботиться о помехоустойчивости: единственная ошибка в данных может привести к неправильной интерпретации, к ложному показанию прибора, к ложному знанию. Чтобы единственная ошибка не привела к потере данных, необходимо дополнять данные избыточными по определённым правилам. Эти правила позволяют при ошибке в какой-то из частей восстановить реальные данные.

Здесь я просто скажу, что далеко не все данные в целом покинули Кассини, а те, что всё-таки были отправлены на Землю, были сжаты для уменьшения размеров самих данных (что, тем не менее, могло приводить к их искажению), но в то же время дополнялись специальными избыточными данными, т.е. проводить процесс, обратный сжатию.

Антенна есть - нужно ещё направить сигнал. Если наша антенна будет отправлять сигналы в далёкий космос, нам от него не будет никакого проку. На столь огромном расстоянии даже малейшая ошибка в определении реального положения аппарата и необходимого положения для связи с Землёй чревата значительным ослаблением сигнала, если не сразу потерей связи.
Вроде бы в этом отношении не должно возникать особых сложностей: просчитай ещё до самого полёта все необходимые положения, да отправляй на аппарат команды, чтобы он в нужные моменты поворачивался. На аппарате можно прописать модель солнечной системы, из расчётов на которой и из внешних способов определения положения он будет знать своё положение относительно Земли. Раз он сам будет знать своё положение, он сможет сам, при опасных ситуациях, связываться с Землёй - и можно дальше жить спокойно.

По счастью, сложности, способные препятствовать нормальной деятельности аппарата были давно известны. В первую очередь я говорю про эффекты Теории Относительности. Раз уж мы пользуемся часами на космическом корабле (нужно же запустить движки в момент Икс, а не когда солнечный ветер переменится), их ход будет иным вследствие иной близости/дальности массивного Солнца и относительной скорости Земля-Кассини. Т.е. программу нужно вбить ещё и поправки на часы, что должны работать автономно - нам посылать команды на Кассини так же сложно, как и получать с него информацию, и регулярно это делать нецелесообразно - передача информации и так ограничена в своих объёмах из-за скоростей, и кроме того для передачи с Земли энергозатратна. Занимать даже немного времени и энергии для ежедневных сеансов на поправку часов вылилось бы в потерю и так сжатых данных и, не будем забывать, в копеечку для NASA.

Более того, возвращаясь к определению эффектов с часами, Кассини должен сам очень хорошо ориентироваться в окружающем его пространстве и чётко понимать своё положение среди Солнца и планет, чтобы такая программа работала, а в теории и сама могла настроиться на Землю в случае непредвиденной ситуации. Такая программа была создана, и Кассини ею активно пользовался - притом вполне успешно. Разумеется, навигация в космическом пространстве нужна не только для непредвиденных ситуаций, и именно с Кассини связана ещё не одна интересная история. В одной из них тоже замешана Теория Относительности, однако сейчас нам нужно кратко окунуться в последний пункт программы с тарелками.

Так уж вышло, что аппарат Кассини должен двигаться с большой скоростью относительно Земли и, соответственно, должен испытывать Эффект Доплера. Когда мимо вас проезжает карета скорой помощи с включённой сиреной, её звучание слышно по-разному, пока она приближается и отдаляется. Так и с радиоволнами, хотя для того, чтобы почувствовать такой результат нужны приличные скорости, наподобие космических. Не будь частота важна, мы бы не сильно заметили эффект Допплера. Тем не менее, принимающие антенны на Земле настроены на узкий диапазон частот, которые могут воспринимать - и без различных правок к сигналу или самим антеннам они не смогут принять нужный сигнал. Кроме того, дешифровка сигнала сильно полагается на знание о его частоте. Снова помогает знание траектории аппарата: в каждый момент времени мы знаем его положение и скорость, можем рассчитать влияние эффекта Доплера - и как результат, справляться с этим препятствием заранее. Опять-таки, можно оказать компенсирующее воздействие на двух уровнях: на аппаратном и на стадии приёма сигнала на Земле. На уровне аппарата передатчик искусственно менял частоту сигнала так, чтобы скомпенсировать эффект Допплера хотя бы частично. На уровне приёмных антенн возможно немного корректировать диапазон принимаемых частот. И снова, знание аппаратом своего положения и моделирование скоростей невероятно помогает больше времени уделить отправке научных данных без потерь из-за неучтённых физических факторов.

Теперь можно заканчивать - взглянем же на весь этот массив инженерной мысли, направленный только в сторону связи между Землёй и Кассини. Впечатляет, хотя это далеко не вся информация, которую можно было бы вспомнить про его системы связи: про сами частоты, к примеру, можно было бы рассказать много, как и про кодирование телеметрии - данных с аппарата, как и про вспомогательные системы связи. А казалось бы, что может быть проще радиосвязи для космической миссии, когда эта же технология используется уже полвека везде, где можно?
Под конец хочу ещё сказать, что с помощью всей этой системы связи, ещё на подлёте к Сатурну, Кассини смог с беспрецедентной точностью измерить один из параметров системы Параметрического Постньютоновского Формализма - ППН - и это измерение позволяет говорить о том, что теория гравитации Эйнштейна максимально близка к истине, тогда как на альтернативные были наложены жёсткие ограничения.

О сути эксперимента и результата я ещё расскажу в одной из последующих заметок, а пока предлагаю ужаснуться ослаблению сигнала в 100000000000000000000000000000 раз, поразиться глубине инженерной мысли, что раз за разом преодолевает подобные препятствия, и жить дальше, зная чуть больше.

Автор - Никита Гиринович

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!