Телекомуникации Земя-Космос, за хората

Предговор

Трябва да знаете, че Галилео Галилей е сред моите топ 5 най-добри вдъхновяващи личности и неизбежната последица от такова възхищение е да си космически маниак. Но това уравнение няма да е пълно, ако не спомена, че софтуерното инженерство е моят дом и че моят опит е в електрониката и телекомуникациите.

Като казах това, преди няколко седмици си помислих, че искам да започна да пиша поредица от статии за Apollo AGC (Компютър за автоматично насочване) - може би по-конкретно за Apollo Lunar Lander AGC - за да отдам почит на тези страсти, които имам: Софтуер, Космос, и електроника и телекомуникации.

Сега виждам въпросителния знак на върха на главата ви, който пита „но човече, какво общо има Apollo Lunar Lander AGC с междупланетните комуникации? Това фишинг ли е?“, и въпросът е сто процента легитимен. Отговорът е, че всяка космическа програма за всяка нация няма да има значение без телекомуникациите.

Така че, да, всички AGC на Apollo бяха на върха на космически кораб, летящ в космоса с 40 233 км/ч и предаващ телеметрия обратно на Земята. Беше между 1968 и 1972 г. и разбирането на AGC първо ще премине през разбирането за това как работят телекомуникациите Земя-Космос.

Гулиелмо Маркони и Хайнрих Херц

Терминът телекомуникации идва от гръцкото tèle, което означава далеч, следователно общуване (споделяне) с нещо (или някой) далеч. Човекът, по време на своята история, разви тази технология от маяци, гълъби (не е шега), телеграф, телефон, до радио, телевизия и в крайна сметка сегашния интернет. Лесно можем да категоризираме гореспоменатите технологии на кабелни и безжични, например гълъбът определено беше безжичен (също бавен и ненадежден), но телеграфът беше свързан с кабел до 1894 г., когато италианският изобретател и електроинженер Гулиелмо Маркони направи първата дълга дистанционна радиотелеграфна комуникация.

Хайнрих Херц (немски физик) наистина открива през 1886 г. физическия феномен, описан като радиовълни, а Гулиелмо Маркони за първи път създава физически радиопредавател. Това беше пълна промяна в играта, вероятно най-важната в историята на телекомуникациите, защото от 1894 г. хората могат да комуникират по целия свят и в космоса без кабели и със скоростта на светлината.

Това беше просто телеграф, но достатъчно, за да промени телекомуникациите завинаги.

Радио вълни

Радиовълните са вид електромагнитно излъчване в електромагнитния спектър и варират между 3kHz и 300GHz със съответните дължини на вълните между 100Km до 1mm. В предишната глава казах, че радиовълните се разпространяват със скоростта на светлината, но за да бъдем точни, скоростта на светлината е възможна само във вакуум, като космоса, докато на Земята ще бъде само малко под скоростта на светлината поради атмосферата.

Забележка: От сега нататък ще добавя някои формули, но те не са необходими за общото разбиране.

От електромагнитния спектър се интересуваме само от радиовълните и както можем да видим от изображението по-горе, дължината на вълната е обратно пропорционална на честотата, следователно колкото по-висока е честотата, толкова по-малка е дължината на вълната и колкото по-ниска е честотата, толкова по-голяма е дължината на вълната. Тогава можем да формулираме следните формули:

Радиовръзка

Разбрахме, че радиовълните са носителят, който използваме за предаване и получаване на информация, която след това да бъде използвана от медии като смартфони, телевизори, компютри, сателити, космически сонди (не казвайте!) и много много други. Очевидно е, че за да работи тази система, са ни необходими поне двама (или повече) актьори, като всички части ще предават и приемат чрез така наречените антени.

Антени

При предаване електрически сигнал, идващ от радиопредавателя, се прилага към антената, която го излъчва под формата на радиовълни. При получаване поведението е точно обратното. Енергията на радиовълната се улавя от антената, която я превръща в електрически сигнал, който ще бъде обработен от радиоприемника.

Размерът на антената се променя с честотата, която искаме да предаваме и/или приемаме, но също така има различни антени в зависимост от приложението и честотната лента.

Разбира се, схемата по-горе може да се приложи и обратно, което означава, че сондата/сателитът предава целия път обратно към базовата станция на Земята.

ленти

Още едно парче от този пъзел и ще бъдем готови да разберем всичко, от което се нуждаем, за да разберем какво невероятно парче от науката и инженерството са междупланетните телекомуникации.

Спектърът на радиовълните е разделен на различни ленти, които преминават от най-ниските честотни диапазони до най-високите. Това разделение е произволно направено от международния орган, наречен ITU, Международен съюз по телекомуникации. Този съюз е агенция част от ООН и е специализиран за всичко, което е информационни и комуникационни технологии. Създаден е през 1865 г. (по-рано наричан Международен телеграфен съюз).

Междупланетни предавания

На този етап знаем какво представляват радиовълните, как се класифицират и че можем да използваме това физическо явление, за да пренасяме информация по безжичен начин, и че се нуждаем от антени, за да предаваме или приемаме някоя от тях.

Упражнението, което ще направим сега, е да направим информацията по-горе малко по-конкретна с реално приложение, което са междупланетните телекомуникации. Въпросът, на който ще отговорим (винаги накратко), е например как комуникираме с мисиите на Марс?

ESA Mars Express

Mars Express е мисия за изследване на космоса, започнала през 2003 г. (и все още активна), управлявана от Европейската космическа агенция (ESA) и има за цел да изучава Марс. Това беше и първата междупланетна мисия за ESA. Мисията беше съставена от две части, Mars Express Orbiter и Beagle 2, който беше спускаем апарат за извършване на екзобиологични и геохимични експерименти на повърхността на Марс. За съжаление, спускаемият апарат не успя да се разгърне след кацане на Марс, но орбиталният апарат беше успешен и все още е активен днес.

Проблемът тук е съвсем ясен. Как да комуникираме с нашия орбитален апарат и всички активи, които имаме на повърхността на Марс от Земята? Как можем да получим данни и всички фантастични изображения, които виждаме в интернет?

Марс е много далече, въпреки че за космическите размери е тук в задния двор и това, което знаем със сигурност е, че ще използваме радиовълни и гледайки разстоянията, можем веднага да посочим предизвикателства.

Голямото студено разстояние

  • Минимум: 54,6 милиона км;
  • Максимум: 401 милиона км;
  • Средно: 225 милиона км.

Време за предаване и приемане

Няма да имаме комуникация в реално време и това се изчислява лесно:

От горната формула можем да кажем следното:

  • Минимално разстояние: 54,6 милиона км = 186 секунди (3 мин. 6 сек.);
  • Максимално разстояние: 401 милиона км = 1336 секунди (22 минути 16 секунди);
  • Средно разстояние: 225 милиона км = 750 секунди (12 мин. 30 сек.).

Линия на видимост

Трябва да вземем предвид относителното движение на планетите, защото и Земята, и Марс се въртят около Слънцето с различни скорости (което е причината да имаме минимално и максимално разстояние) и се въртят около себе си. Проблемът с линията на видимост е доста голям, защото да кажем, че имаме антена на Земята и искаме да получим сигнал от нашата орбита на Марс, това, което се случва, е, че трябва да изчакаме точния момент, когато и ние, и орбитата наоколо Марс могат да се гледат един друг и достатъчно време, за да може сигналът да пътува от Марс до Земята. Трудно, а?

Решението е да имаме мрежа от антени на различни места на Земята, така че каквато и да е позицията ни по отношение на Марс, орбиталният апарат винаги ще има линия на видимост към Земята. Тя вече съществува и се нарича DSN, Deep Space Network.

В конкретния случай на ESA Mars Express, орбиталният апарат също използва други три ESAстанции, за общо шест:

  • New Norcia, Пърт (Австралия);
  • ESOC OCC, Дармщат (Германия, ЕС);
  • Куру (Френска Гвиана).

Капацитет на предаване

Разстоянието също влияе върху така наречения битрейт. Колкото повече сме далече, толкова по-малко битрейт можем да използваме. В случая с Марс това все още не е „голяма работа“ (и ще видим защо), но ако вземем предвид мисии като „Вояджър“ или „Нови хоризонти“ тогава, тази празнина става по-голяма. Този проблем се решава от теоремата на Шанън-Хартли, която изчислява максималната скорост (битове в секунда), с която информацията може да бъде изпратена без грешки през канал с дадена честотна лента и при наличие на шум. Това също е известно като капацитет на канала на Шанън.

Затихването на радиоенергията върху разстоянието между две антени се идентифицира от FSPL, Загуба на пътя на свободното пространство и се увеличава с квадрата на разстоянието, тъй като радиовълните се разпространяват, следвайки обратния квадрат закон.

Следователно можем да заявим, че общата мощност на получения сигнал може да бъде изчислена чрез сумиране на мощността и усилването на предавателната антена, мощността на приемащата антена и изваждане на FSPL.

Трябва също така да вземем предвид друга променлива, която е шумът, и той се изчислява чрез сумиране на стойността на шума на приемника и шума, даден от компонентите във веригата на сигнала, известни също като електронни компоненти за обработка на сигнала.

Дръжте се здраво, защото го направихме! Имаме всичко необходимо, за да изчислим капацитета на предаване – по-добре наречен капацитет на канала – прилагайки лимита на Шанън.

Както казах в бележка в тази статия, математиката, която показвам тук, всъщност не е необходима, за да има общо разбиране за това как работят телекомуникациите между една сонда на Марс и антена на Земята, но мисля, че е забавно да се види малко моментна снимка на света, която позволява тези комуникации да се случват, така че нека поставим числата на ESA Mars Express в уравненията.

Ще оставя и малък кодов фрагмент в R, за да извърша всички изчисления, освен това планирам да направя специална статия, за да навляза дълбоко в теоремата на Шанън-Хартли, а също и в бюджета на връзката (което не споменах в статията, но все пак е част от по-голямата картина).

Забележка: съотношението сигнал/шум (SNR) ще се промени с течение на времето по време на комуникацията и това може да се дължи на редица причини, като например антените на Земята да коригират височината си (а някои също и азимутална позиция), за да компенсират относителното движение и така ще направи техния системен шумов фактор, но също и времето може да окаже влияние, тъй като снегът и дъждът леко променят повърхността на рефлектора на антената.

Антени

След изчисляване на капацитета на канала знаем, че не можем да предаваме над 5,17 Mbit/s, без да рискуваме голям брой грешки в комуникацията. В крайна сметка, ако се замислите, този битрейт е невероятен предвид гигантското разстояние между нас и Марс.

ESA Mars Express orbiter е оборудван с антени за S-Band и X-Band. Ако погледнете отново изчисленията, ще разберете, че работихме върху X-Band предаванията. Тези антени са два вида:

  • HGA (Антени с голямо усилване, рефлектор с антена с диаметър 1,60 м, монтиран на джоб за регулиране на ориентацията) — както за S-Band, така и за X-Band. Предаването през HGA антената може да бъде S-Band или X-Band едно по едно, но и двете ленти могат да се приемат едновременно.
  • LGA (Антени с ниско усилване) — Има две LGA антени и те се използват само за предаване и приемане на S-лента.

HGA антените са известни също като насочени антени. Що се отнася до ESA Mars Express orbiter, те се използват главно за приемане и предаване с по-голяма мощност и по-голяма точност (произвеждат много тесен лъч) в много специфични посоки (те са изключително насочени), характеристики, които ги правят перфектни за дълги разстояния комуникации.

LGA антените излъчват сигнали по многопосочен начин (обратно на HGA, които са насочени). Всички космически кораби са оборудвани с LGA антени и обикновено се използват като резервни.

Наземни станции

Една от най-важните наземни станции е DSN (Deep Space Network) и представлява мрежа от масиви от рефлекторни антени, разположени на три различни места:

  • Голдстоун (САЩ);
  • Мадрид (Испания, ЕС);
  • Канбера (Австралия).

Тези станции са разположени повече или по-малко на 120 градуса една спрямо друга. 120 + 120 + 120 = 360 градуса. Това ще гарантира, че орбитата около Марс (и всяка друга мисия в дълбокия космос) винаги може да комуникира с поне едно местоположение.

Честоти

Типичните честотни ленти, използвани за комуникация с космически кораби, са микровълни (или малко по-ниски):

  • S-Band: честота 2–4 GHz, дължина на вълната = 15–7,5 cm;
  • X-Band: честота 8–12 GHz, дължина на вълната = 3,75–2,5 cm;
  • Ka-Band: честота 26,5–40 GHz, дължина на вълната = 11,1–7,5 mm.

BWG антени

Има и други видове антени, които наземните станции използват (като HEF), но антените Beam Waveguide (BWG) вече се използват, за да заменят останалите. Обикновено антените, използвани за извършване на тези видове комуникации, са рефлектори и със своите много големи антени (обикновено между 34 до 70 метра) те са предназначени буквално да събират радиовълни и да ги отразяват в централна фокусна точка.

Рефлекторните антени са изключително насочени, което означава, че сондата на Марс (или каквато и да е дълбока космическа сонда) трябва да бъде прецизно подравнена към Земята, за да получи сигнала си. Тази изключителна насоченост обаче работи и като филтър за всички останали радиовълни, които достигат до Земята.

След като радиовълните се отразят в субрефлектора, те се канализират в така наречения вълновод на лъча (BWG). BWG има поредица от огледала, които насочват радиовълновия лъч към поредица от филтри, които ще отделят правилните честотни ленти (S-Band, X-Bans, Ka-Band), за да бъдат след това усилени и компютърно обработени в електрически сигнали и изпратен до централната контролна зала.

Самата причина, поради която се използват BWG антени е, че ако сигналът се преобразува в електрически сигнал директно в субрефлектора, тогава сигналът ще бъде твърде слаб, за да бъде изпратен чрез кабели до контролната зала и тогава ще има необходимост от филтри и усилватели в субрефлектора, и това ще направи субрефлектора изключително голям и тежък.

Забележка: изгледът на живо на DSN трафика е наличен в DSS Now.

Корекция на грешка

Телекомуникациите в дълбокия космос не работят като нашия Интернет, като TCP/IP протокола, при който клиентът и сървърът непрекъснато проверяват дали тяхната комуникация се осъществява по правилния начин. Що се отнася до предизвикателствата, които споменахме преди, въпреки че радиовълните се движат със скоростта на светлината, голямото разстояние между нас и космическия кораб е просто твърде голямо, за да бъде изминато в реално време и това няма да ни позволи непрекъснато потвърждение на данните. И така, как да се справим с грешките в комуникацията? Отговорът е кодиране на канала.

Каналното кодиране е широка техника за „коригиране на грешки“, базирана на излишък. Има много решения в рамките на теорията за кодиране, но за да направя най-простия пример, едно от тях е кодът за повторение, където информацията се кодира от алгоритъм (преди да бъде изпратена) и буквално се повтаря много пъти . Вероятността цялата повтаряща се информация да бъде повредена е много ниска и тогава приемникът ще може да намери поне една добра част от информацията, за да продължи да чете правилно.

В заключение, техниките за коригиране на грешки се използват, когато комуникационните канали, които използваме за комуникация, са ненадеждни, шумни и са включени разстояния, по-големи от скоростта на светлината и това е точно случаят, когато например трябва да обменяме данни с космически кораб за дълбокия космос.

Благодаря

Не исках да правя тази статия толкова дълга, но когато започнах да я пиша, разбрах, че е необходим повече контекст, дори ако статията е предназначена да бъде за тези, които не са експерти в тази област. Пропуснах няколко теми като поляризация, изчисляване на ширината на лъча и модулация (и вероятно ще правя конкретни статии за тези теми), но отново, тази статия е предназначена да бъде за разбиране на начално ниво на много сложна тема. Надявам се, че тази статия е задоволила любопитството ви. Благодаря, че прочетохте!

Postscriptum

Както казах в предговора, започнах поредица от статии за Apollo AGC, по-специално за Lunar Lander AGC. Надявам се, че ще следвате това. Ще се опитам да публикувам по една глава на всеки две седмици, считано от май 2021 г.

Също така малко извън темата, открийте колко марсиански години имате. щях да съм на 19!

Благодаря ви отново!

Препратки