Лазер вместо радиосигнал: НАСА разработва оптичен “интернет” за далечния космос

За да контролират изследователските кoсмически апарати, пътешестващи из Слънчевата система, космическите агенции на различни страни изградиха свои радиокомуникационни мрежи. Но в НАСА вече работят върху системи от следващо поколение, базирана на лазерни сигнали. Как работят съвременните космически комуникации и защо са необходими нови технологии?

На земна орбита и извън нейните предели работят множество изследователски прибори, телескопи и сателити, изстреляни от различни държави. Те биха били безполезни, ако учените не можеха да получат събраните данни и да управляват дистанционно приборите. За да взаимодействат с отдалечени обекти, космическите агенции на различните страни създадоха сложни комуникационни мрежи.

От самото начало на изследването на Космоса и до сега в основата на космическия „интернет” е радиокомуникацията. Повече от половин век тя демонстрира своята надеждност, но като всяка друга технология има своите недостатъци – най-вече тясната честотна лента. За да преодолее тези ограничения, НАСА започна да разработва нов вид комуникационна система, а именно „Оптическа мрежа за далечна космическа връзка” (Deep Space Optical Communications – DSOC).

Как работят космическите комуникации на НАСА?

Още през януари 1958 г. космическата агенция на САЩ разгърна преносима мрежа от радиоприемници, инсталирани в три точки на различни континенти (Нигерия, Сингапур и Калифорния). Тя беше необходима за поддържане на връзка с първия американски изкуствен спътник Explorer 1, който беше успешно изстрелян през същата година.

Тази мрежа беше предшественик на пълноценната Мрежа за далечна космическа връзка (Deep Space Network – DSN). Сега тя се състои от три основни радиотелескопа, разпределени по земното кълбо, и мрежа от спомагателни обсерватории и сателити, които се включват, когато е необходимо. Всяка основна станция управлява няколко параболични чинии на радиотелескопи, включително по една с диаметър 230 фута (70 метра).

Станциите са разпределени на Земята почти точно с изместване от 120 ° по дължина и се намират в Калифорния САЩ, близо до Мадрид в Испания и близо до Канбера в Австралия. Местоположението на тези станции осигурява постоянна комуникация при въртенето на земното кълбо: преди далечен космически апарат да изчезне под хоризонта в една от точките на DSN, другa станция улавя сигнала и продължава връзката.

За взаимодействие с отдалечените космически апарати системата за връзка в дълбокия космос използва радиосигнал. Командите към космическите апарати и данните от тях се криптират и предават под формата на радиовълни с определени честоти, запазени от Международния съюз по телекомуникации за взаимодействие с далечния космос ( за обекти на разстояние над 2 милиона км от Земята).

DSN осигурява комуникация с обекти, разположени на огромно разстояние. Например, именно тя обменя информация с корабите на мисията Voyager. Разстоянието до първия от тях вече надхвърля 160 астрономически единици (AU), а до втория – 131 AU. За улавяне на такъв сигнал се използват огромни радиоантени и обработка за усилване на сигнала. Сигналът, който идва от тези сонди, е около 20 милиарда пъти по-слаб от мощността, необходима за работа с цифров ръчен часовник.

Имат ли други страни космически “интернет”?

DSN не е единствената мрежа за комуникация с далечния космос. Много държави, които изстрелват сателити за изследване на други планети или Слънцето, използват подобни системи.

Например новата руската система, разработена от Специалното конструкторско бюро към Московския енергиен институт и пусната е експлоатация през 2016 г. използва два 64-метрови телескопа за получаване на информация от отдалечени междупланетни станции, но е ограничена до територията на страната и не осигурява денонощна връзка с космическите мисии. Подобни локални системи се използват от няколко други космически нации, като Китай, Индия и Япония. Работата на техните станции се различава от мрежата на НАСА само в ограничената възможност за връзка с космическите апарати (сигналът се получава и предава само когато сателитът е в зоната на видимост на радиотелескопа), но при необходимост, космическите агенции на тези страни си взаимодействат и използват възможностите на други страни.

Най-близо до DSN е мрежата на Европейската космическа агенция – ESTRACK. Тя се създава от 1975 г. и отначало е използвана за комуникация с близки до Земята сателити. Но постепенно се разширява за комуникация с все по-отдалечени обекти. Мрежата за далечния космос включва три станции, също така разпределени по земното кълбо: 35-метрови радиотелескопи са инсталирани в Мадрид, Западна Австралия и Аржентина.

Как ще работи оптичната комуникация?

Всички съществуващи системи използват радиочестотни комуникации. Тъй като броят на мисиите и мощността на изследователското оборудване се увеличават с всяка изминала година, този метод на връзка се доближава до лимита на пропусквателната си способност. Планираните бъдещи мисии ще предават огромни количества научни данни, включително изображения с висока разделителна способност и видео, което ще изисква значително разширяване на комуникационните канали.

Изследователите на НАСА вярват, че оптичните електромагнитни вълни могат да се използват за увеличаване на честотната лента. Те се отличават с по-къса дължина на вълната и съответно могат да кодират и предават повече информация за единица време със същия размер и мощност на устройствата. Според оценките преходът към оптична комуникация ще увеличи “ширината на канала” с 1-2 порядъка (10-100 пъти).

За мисията Psyche за изследване на астероида 16 Psyche изследователите са разработили лазерен приемопредавател в близкия инфрачервен диапазон. Стартирането му е насрочено за тази есен. Приборът на мисията ще събира данни, ще ги кодира с помощта на вълните в близкия инфрачервен спектър и ще ги изпраща до една от двете 3,5-метрови антени, инсталирани в Калифорния.

Инженерите на НАСА планират да тестват новата комуникационна система в продължение на две години, докато роботизираната междупланетна станция на мисията се движи към астероидния пояс. Този анализ трябва да покаже как качеството на връзката се влияе от възможни смущения, какви методи за кодиране осигуряват най-точния сигнал, как лазерните предаватели ще работят на голямо разстояние.

Лазерната комуникационна система вече показа своята ефективност в ниска околоземна орбита. Дълбокият космос е ново предизвикателство. Ако системата премине успешно тестовете, може би в бъдеще денонощната пряка транслация (като се вземе предвид забавянето на сигнала) на Full HD-видео от Марс ще стане реалност.