Телекоммуникации Земля-космос для человека

Предисловие

Вы должны знать, что Галилео Галилей входит в пятерку моих лучших вдохновляющих личностей, и неизбежным следствием такого восхищения является то, что я стал космическим ботаником. Но это уравнение не будет полным, если я не упомяну, что разработка программного обеспечения - это мой дом, а мой опыт связан с электроникой и телекоммуникациями.

Сказав это, несколько недель назад я подумал, что хочу начать писать серию статей об Apollo AGC (компьютер автоматического наведения) - возможно, более конкретно о Apollo Lunar Lander AGC - чтобы отдать дань моим страстям: программное обеспечение, космос, и электроника и телекоммуникации.

Теперь я вижу вопросительный знак на вашей голове, спрашивающий: «Но, черт возьми, какое отношение имеет космический аппарат Apollo Lunar Lander AGC к межпланетным коммуникациям? Это фишинг? », И вопрос стопроцентный. Ответ заключается в том, что каждая космическая программа для каждой страны ничего не значила бы без телекоммуникаций.

Так что да, все AGC Apollo находились на вершине космического корабля, летящего в космос со скоростью 40233 км / ч и передавая телеметрию обратно на Землю. Это было между 1968 и 1972 годами, и понимание AGC сначала будет происходить через понимание того, как работают телекоммуникации Земля-космос.

Гульельмо Маркони и Генрих Герц

Термин «телекоммуникации» происходит от греческого tèle, что означает «далеко», следовательно, общение (обмен) с чем-то (или кем-то) далеко. Этот человек на протяжении своей истории развил эту технологию от маяков, голубей (не шутка), телеграфа, телефона до радио, телевидения и, в конечном итоге, современного Интернета. Мы можем легко разделить вышеупомянутые технологии на проводные и беспроводные. Например, голубь определенно был беспроводным (к тому же медленным и ненадежным), но телеграф был подключен до 1894 года, когда итальянский изобретатель и инженер-электрик Гульельмо Маркони сделал первый долгожитель. дистанционная радиотелеграфная связь.

Генрих Герц (немецкий физик) действительно открыл в 1886 году физическое явление, описываемое как радиоволны, а Гульельмо Маркони первым создал физический радиопередатчик. Это полностью изменило правила игры, возможно, самое важное в истории телекоммуникаций, потому что с 1894 года люди могут общаться по всему миру и в космосе без проводов и со скоростью света.

Это был просто телеграф, но достаточно, чтобы навсегда изменить телекоммуникации.

Радиоволны

Радиоволны - это тип электромагнитного излучения в электромагнитном спектре, который находится в диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц с соответствующими длинами волн от 100 км до 1 мм. В предыдущей главе я сказал, что радиоволны распространяются со скоростью света, но, если быть точным, скорость света возможна только в вакууме, например в космосе, в то время как на Земле она будет лишь немного ниже скорости света из-за атмосфера.

Примечание: я собираюсь добавить несколько формул, но они не нужны для общего понимания.

Из электромагнитного спектра нас интересуют только радиоволны, и, как видно из изображения выше, длина волны обратно пропорциональна частоте, следовательно, чем выше частота, тем меньше длина волны. , и чем ниже частота, тем больше длина волны. Тогда мы можем сформулировать следующие формулы:

Радиосвязь

Мы поняли, что радиоволны - это носитель, который мы используем для передачи и приема информации, которая затем будет использоваться такими средствами массовой информации, как смартфоны, телевизоры, компьютеры, спутники, космические зонды (вы не говорите!) И многие многие другие. Очевидно, что для работы этой системы нам нужны как минимум два (или более) участника, и все части будут передавать и принимать через так называемые антенны.

Антенны

При передаче электрический сигнал, исходящий от радиопередатчика, подается на антенну, которая излучает его в виде радиоволн. При получении поведение с точностью до наоборот. Энергия радиоволны перехватывается антенной, которая превращает ее в электрический сигнал, который будет обрабатываться радиоприемником.

Размер антенны меняется в зависимости от частоты, которую мы хотим передавать и / или принимать, но также существует множество антенн в зависимости от приложения и диапазона частот.

Конечно, приведенная выше схема может применяться и наоборот, что означает, что зонд / спутник полностью передает сигнал обратно на базовую станцию ​​на Земле.

Группы

Еще одна часть этой головоломки, и мы будем готовы понять все, что нам нужно, чтобы понять, какой невероятной частью науки и техники являются межпланетные телекоммуникации.

Спектр радиоволн делится на разные диапазоны, от самых низких частот до самых высоких. Это разделение произвольно произвело международная организация под названием ITU, Международный союз электросвязи. Этот союз является агентской частью ООН и специализируется на всем, что связано с информационными и коммуникационными технологиями. Он был основан в 1865 году (ранее назывался Международный телеграфный союз).

Межпланетные передачи

На этом этапе мы знаем, что такое радиоволны, как они классифицируются, и что мы можем использовать это физическое явление для передачи информации по беспроводной сети, и что нам нужны антенны для передачи или приема любого из них.

Сейчас мы собираемся сделать приведенную выше информацию немного более конкретной с реальным приложением, которым является межпланетная связь. Вопрос, на который мы ответим (всегда в двух словах), например, как мы общаемся с марсианскими миссиями?

ЕКА Марс Экспресс

Mars Express - это космическая исследовательская миссия, начатая в 2003 году (и до сих пор действующая), управляемая Европейским космическим агентством (ESA), и ее цель - изучение Марса. Это также была самая первая межпланетная миссия ЕКА. Миссия состояла из двух частей: орбитального аппарата Mars Express и Beagle 2, посадочного модуля для проведения экзобиологических и геохимических экспериментов на поверхности Марса. К сожалению, посадочный модуль не удалось развернуть после приземления на Марс, но орбитальный аппарат успешно работает и работает до сих пор.

Проблема здесь ясна. Как мы связываемся с нашим орбитальным аппаратом и всеми активами, которые у нас есть на поверхности Марса, с Земли? Как мы можем получить данные и все модные изображения, которые мы видим в Интернете?

Марс очень далеко, хотя для космических размеров он находится здесь, на заднем дворе, и мы точно знаем, что собираемся использовать радиоволны, и, глядя на расстояния, мы можем сразу указать на проблемы.

Великая холодная даль

  • Минимум: 54,6 млн км;
  • Максимум: 401 миллион км;
  • Средняя: 225 млн. Км.

Время передачи и приема

У нас не будет связи в реальном времени, и это легко вычислить:

Из приведенной выше формулы мы можем утверждать следующее:

  • Минимальное расстояние: 54,6 миллиона км = 186 секунд (3 мин 6 сек);
  • Максимальное расстояние: 401 миллион км = 1336 секунд (22 мин 16 сек);
  • Среднее расстояние: 225 миллионов км = 750 секунд (12 мин 30 сек).

Прямая видимость

Мы должны учитывать относительное движение планет, потому что и Земля, и Марс вращаются вокруг Солнца с разной скоростью (что является причиной того, что у нас есть минимальное и максимальное расстояния), а также вращаются вокруг себя. Проблема прямой видимости довольно большая, потому что, скажем, у нас есть антенна на Земле, и мы хотим принимать сигнал с нашего орбитального аппарата на Марсе, происходит то, что нам приходится ждать того точного момента, когда и мы, и орбитальный аппарат вокруг Марс может смотреть друг на друга и в течение достаточно времени, чтобы сигнал прошел с Марса на Землю. Сложно, а?

Решение состоит в том, чтобы иметь сеть антенн в разных местах на Земле, чтобы независимо от нашего положения по отношению к Марсу орбитальный аппарат всегда имел прямую видимость по направлению к Земле. Он уже существует и называется DSN Deep Space Network.

В конкретном случае ESA Mars Express орбитальный аппарат также использует другие три станции ESA, всего шесть:

  • Нью-Норча, Перт (Австралия);
  • ESOC OCC, Дармштадт (Германия, ЕС);
  • Куру (Французская Гайана).

Пропускная способность

Расстояние также влияет на так называемый битрейт. Чем дальше мы далеко, тем меньше битрейт мы можем использовать. В случае с Марсом это все еще не имеет большого значения (и мы увидим, почему), но если мы примем во внимание такие миссии, как Вояджер или Новые горизонты, то этот разрыв станет больше. Эта проблема решается с помощью теоремы Шеннона – Хартли, которая вычисляет максимальную скорость (бит в секунду), с которой информация может быть отправлена ​​без ошибок по каналу с заданной полосой пропускания и в присутствии шума. Это также известно как пропускная способность канала Шеннона.

Ослабление энергии радиоизлучения на расстоянии между двумя антеннами определяется с помощью FSPL, потери на пути в свободном пространстве, и оно увеличивается пропорционально квадрату расстояния по мере распространения радиоволн по обратному квадрату. закон".

Следовательно, мы можем заявить, что общую мощность принятого сигнала можно вычислить путем суммирования мощности и усиления передающей антенны, мощности приемной антенны и вычитания FSPL.

Мы также должны учитывать еще одну переменную, которая является шумом, и она рассчитывается путем суммирования коэффициента шума приемника и шума, заданного компонентами внутри сигнальной цепи, также известными как электронные компоненты обработки сигнала.

Держитесь крепче, потому что мы это сделали! У нас есть все необходимое, чтобы рассчитать пропускную способность - лучше называемую пропускной способностью канала - с применением предела Шеннона.

Как я сказал в примечании в этой статье, математика, которую я показываю здесь, на самом деле не нужна для общего понимания того, как работают телекоммуникации между одним зондом на Марсе и антенной на Земле, но я думаю, что это интересно увидеть немного снимок мира, который позволяет этим коммуникациям происходить, поэтому давайте подставим числа ESA Mars Express в уравнения.

Я также оставлю небольшой фрагмент кода в R для выполнения всех расчетов, более того, я планирую сделать специальную статью, чтобы углубиться в теорему Шеннона-Хартли, а также бюджет связи »(О чем я не упоминал в статье, но все же является частью более широкой картины).

Примечание: отношение сигнал / шум (SNR) будет меняться с течением времени во время связи, и это может быть по ряду причин, например, антенны на Земле, регулирующие их высоту (а некоторые также азимутальное положение) для компенсации относительного движения и, таким образом, повлияет на их системный коэффициент шума, но также может повлиять погода, потому что снег и дождь слегка изменяют поверхность отражателя антенны.

Антенны

После расчета пропускной способности канала мы знаем, что мы не можем передавать более 5,17 Мбит / с, не рискуя большим количеством ошибок при передаче данных. В конце концов, если задуматься, этот битрейт просто потрясающий, учитывая гигантское расстояние между нами и Марсом.

Орбитальный аппарат ESA Mars Express оборудован антеннами для S-Band и X-Band. Если вы еще раз посмотрите на расчеты, то поймете, что мы работали над передачами X-диапазона. Эти антенны бывают двух типов:

  • HGA (антенны с высоким коэффициентом усиления, тарельчатый отражатель диаметром 1,60 м, установленный на подвесе для регулировки ориентации) - как для S-диапазона, так и для X-диапазона. Передача через антенну HGA может быть либо S-Band, либо X-Band по одной, но оба диапазона могут приниматься одновременно.
  • LGA (антенны с низким коэффициентом усиления) - есть две антенны LGA, и они используются только для передачи и приема S-диапазона.

Антенны HGA также известны как направленные антенны. Что касается орбитального корабля ESA Mars Express, он в основном используется для приема и передачи с большей мощностью и большей точностью (они производят очень узкий луч) в очень определенных направлениях (они чрезвычайно направленные), характеристики, которые делают их идеальными для дальнего действия. коммуникации.

Антенны LGA излучают сигналы во всех направлениях (в отличие от HGA, которые являются направленными). Все космические аппараты оснащены антеннами LGA и обычно используются в качестве резервных.

Наземные станции

Одной из наиболее важных наземных станций является DSN (Deep Space Network), представляющая собой сеть массивов рефлекторных антенн, расположенных в трех разных местах:

  • Голдстоун (США);
  • Мадрид (Испания, ЕС);
  • Канберра (Австралия).

Эти станции расположены более или менее под углом 120 градусов друг к другу. 120 + 120 + 120 = 360 градусов. Это гарантирует, что орбитальный аппарат вокруг Марса (и любая другая миссия в дальний космос) всегда может связываться по крайней мере с одним местом.

Частоты

Типичные полосы частот, используемые для связи с космическими кораблями, - это микроволны (или немного ниже):

  • S-Band: частота 2–4 ГГц, длина волны = 15–7,5 см;
  • X-Band: частота 8–12 ГГц, длина волны = 3,75–2,5 см;
  • Ka-Band: частота 26,5–40 ГГц, длина волны = 11,1–7,5 мм.

Антенны BWG

Существуют также другие типы антенн, которые используют наземные станции (например, HEF), но сейчас используются антенны с лучевым волноводом (BWG), чтобы заменить другие. Обычно антенны, используемые для осуществления этих типов связи, представляют собой отражатели, и с их очень большими антеннами (обычно от 34 до 70 метров) они предназначены для буквально сбора радиоволн и отражения их в центральную точку фокусировки.

Отражательные антенны чрезвычайно направлены, а это означает, что зонд на Марсе (или любой другой зонд дальнего космоса) должен быть точно выровнен по направлению к Земле, чтобы получить ее сигнал. Однако эта экстремальная направленность также работает как фильтр для всех остальных радиоволн, которые достигают Земли.

Как только радиоволны отражаются в субрефлектор, они направляются в так называемый лучевой волновод (BWG). BWG имеет серию зеркал, которые направляют луч радиоволн в серию фильтров, которые разделяют нужные полосы частот (S-Band, X-Bans, Ka-Band), которые затем усиливаются и обрабатываются компьютером в электрические сигналы. и отправлен в центральную диспетчерскую.

Сама причина, по которой используются антенны BWG, заключается в том, что если сигнал преобразуется в электрический сигнал непосредственно в субрефлекторе, то сигнал будет слишком слабым для отправки по проводам в диспетчерскую, и тогда возникнет необходимость фильтры и усилители в субрефлекторе, что сделает субрефлектор чрезвычайно большим и тяжелым.

Примечание: просмотр трафика DSN в реальном времени доступен в DSS Now.

Исправление ошибки

Телекоммуникации в дальнем космосе не работают как наш Интернет, как протокол TCP / IP, в котором клиент и сервер постоянно проверяют правильность своего взаимодействия. Что касается проблем, о которых мы упоминали ранее, несмотря на то, что радиоволны движутся со скоростью света, огромное расстояние между нами и космическим кораблем просто слишком велико, чтобы его можно было преодолеть в режиме реального времени, и это не позволит нам непрерывно подтверждение данных. Итак, как нам справляться с ошибками в общении? Ответ - кодирование каналов.

Канальное кодирование - это широкая методика исправления ошибок, основанная на избыточности. В теории кодирования есть много решений, но, чтобы просто привести простейший пример, одно из них - это код повторения, где информация кодируется алгоритмом (перед отправкой) и буквально повторяется много-много раз. . Вероятность того, что вся повторяющаяся информация будет повреждена, очень мала, и тогда получатель сможет найти по крайней мере один хороший фрагмент информации для продолжения правильного чтения.

В заключение, методы исправления ошибок используются, когда каналы связи, которые мы используем для связи, ненадежны, зашумлены и задействованы расстояния, превышающие скорость света, и это именно тот случай, когда, например, мы должны обмениваться данными с космический корабль дальнего космоса.

Спасибо

Я не хотел делать эту статью так долго, но когда я начал ее писать, я понял, что нужен дополнительный контекст, даже если статья предназначена для тех, кто не является экспертом в этой области. Я пропустил несколько тем, таких как поляризация, расчет ширины луча и модуляция (и я, вероятно, буду делать специальные статьи по этим темам), но, опять же, эта статья предназначена для начального понимания очень сложной темы. Надеюсь, эта статья удовлетворила ваше любопытство. Спасибо, что прочитали!

Пост скриптум

Как я сказал в предисловии, я начал серию статей о Apollo AGC, в частности о Lunar Lander AGC. Надеюсь, вы последуете за этим. Я постараюсь публиковать главу каждые две недели, начиная с мая 2021 года.

Тоже немного не по теме, узнай, сколько тебе марсианских лет. Мне было бы 19!

Еще раз спасибо!

использованная литература