Хюстън, изпращам 4К видео – нова лунна система за лазерна връзка със Земята

4
1470

НАСА прави сериозни стъпки по завръщането на астронавти на Луната и създаването на лунна база. Но във връзка с това, възниква въпросът, какво ще правят лунните заселници, свикнали с бързите земни връзки и повсеместния достъп до интернет на Земята, с крайно бавните и нестабилни лунни комуникации? Почти всички съвременни сателити и космически апарати имат скорост на обмен на данните на ниво няколко килобайта в секунда. Но за разлика от астронавтите на Аполо, в дългосрочна перспектива бъдещите жители на Луната едва ли ще бъдат удовлетворени от подобна скорост и подобно качество на връзката.

Съвременните сателити и роувъри имат камери с много високо качество и за да успеят да предадат видео с висока детайлност, както и потока информация от другите сензори, НАСА и другите космически агенции разширяват честотните диапазони, традиционно предвидени за космически изследвания, до краен предел. Така например, космическият кораб Орион, който ще отведе хора около Луната в рамките на мисията Артемида-2 през 2022 година, ще излъчва критично важната информация към Земята чрез радиоканал в S диапазона при скорост 2 Mb в секунда.

„Това е най-сложната в историята система за управление на полети, използвана в космически кораб“ – каза Джим Шиър (Jim Schier), главен архитект на космическите връзки и навигации на НАСА.

За стриймване на поточно видео и за изпращане на снимки и изображения, в тази система са заделени едва 1 Mb/s . Това е около една пета от скоростта, необходима за комфортно гледане на FHD видео от YouTube.

Желанието да се увеличи скоростта на обмен на данните налага излизането извън пределите на радиовръзката и създаването на оптична система, в която се използват лазери за обмен на информацията в космическото пространство. Допълнително към апаратурата за радиовръзка в S диапазона, Орион ще носи със себе си и нова система за лазерна връзка, която ще се използва за предаване и стриймване на 4К видео на Земята. В бъдеще НАСА възнамерява да изгради самостоятелен център за лазерна връзка, неразривно свързващ нашата планета с нейния естествен спътник.

Лазерната връзка е капризна. Дори и най-малкото преместване на космическия кораб може да доведе до отклонение на лазерния лъч, което да срине връзката. Гъстите земни облаци също могат да я прекъснат. Но все пак подобна оптична връзка би дала възможност при бъдещите космически мисии обновяванията на софтуера да стават за броени минути, а не за няколко дни, както е сега. Астронавтите няма да са така самотни, докато работят в космоса, а научната общност ще получи достъп до безпрецедентен поток от данни между Земята и Луната.

Към днешен ден космическите агенции предпочитат да използват S диапазона, който се простира от 2 до 4 GHz, и Ка диапазона – от 26,5 до 40 GHz за връзка между космическите апарати и центъра за управление на полетите. Особено много се цени Ка диапазона. Дон Корнуел, който ръководи развитието на радио и оптичните технологии на НАСА, го нарича „кадилакът на радиочестотите“, понеже дава възможност за обмен на данни със скорост до 1 Gb в секунда, а разпространението на този сигнал в космоса е много добро.

Способността на който и да е космически кораб да обменя данни е ограничена от законите и рамките на радиофизиката. Първо, спектърът на честотите съвсем не е безкраен, а и подходящите за космическа връзка честоти активно се използват и на Земята. Така например, Bluetooth и Wi-Fi използват именно S диапазона, а 5G мобилните мрежи – Ка диапазона.

Вторият сериозен проблем е, че радиосигналите се разсейват, докато преминат стотиците хиляди километри в космоса. Докато сигналът от Ка диапазона достигне от антената на Луната до Земята, той образува на земната повърхност петно с диаметър около 2000 км, което е приблизително колкото площта на Индия. По този начин сигналът отслабва много и се налага използването на изключително чувствителен приемник на Земята и/или по-мощен предавател на Луната.

Лазерните системи за осъществяване на космическа връзка имат същите проблеми с разсейването, както и с пресичането на лъчите с информацията от два лъча, което може да доведе до загуба на данни, подобно на смесването на сигналите от две радио антени. Но лазерният лъч, изпратен от Луната, при пристигането си на Земята ще образува област с широчина едва 6 км. Това означава, че вероятността за пресичане на два и повече лъча е значително по-ниска. Освен това, не се налага да се търси най-подходящата честота във вече препълнения спектрален участък. А с помощта на лазерите е възможно да се обменя на практика неограничен обем от данни.

По-високите честоти на лазерните лъчи означават и по-къси вълни, което дава големи преимущества. Сигналите от Ка диапазона са с дължина на вълната от 7,5 мм до 1 см. НАСА планира да използва лазери с дължина на вълната 1550 nm. Това е същата честота, използвана в днешните мрежи с оптични влакна. И наистина, в своето развитие лазерната космическа връзка се базира на технологиите, използвани в оптичните влакна. А по принцип, по-късите вълни (и по-високите честоти) означават, че е възможно в рамките на една секунда да се вместят много повече данни.

Преимуществата на лазерната връзка са известни от много години, но едва наскоро специалистите успяха да създадат лазерни системи, превъзхождащи възможностите на радиовръзката. Така например, през 2013 година по време на демонстрация на лунна лазерна връзка, НАСА показа, че с помощта на оптични сигнали е възможно излъчването на данни от орбитата на Луната до Земята. Този експеримент продължи един месец и при него се използваше предавателят, инсталиран на сателита Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer, който успя да осъществи връзка със Земята със скорост 622 Mb/s. Това е с два порядъка повече от радиостанцията на Орион, работеща в S диапазона.

„Бях шокиран да разбера, че Орион ще лети до Луната с радиовръзка в S диапазона“ – казва Брайън Робинсън, експерт по комуникациите на Lincoln Laborator в Лексингтън, Масачузетс. Lincoln Lab изиграва важна роля в разработването на редица системи за лазерна връзка в мисиите на НАСА. „Хората са свикнали към много повече тук на Земята, както и в ниска околоземна орбита. Радвам се, че НАСА все пак е решила да използва лазерна връзка в тази мисия“.

В допълнение към апаратурата за радиовръзка в S диапазона, по време на мисията Артемида-2 корабът Орион ще носи и лазерната система Optical to Orion, или O2O. Но НАСА не възнамерява да използва O2O за критично важните за мисията комуникации. Нейната главна задача е излъчването на 4К видео от Луната към Земята. O2O ще приема данните със скорост 20 Mb/s и ще може да ги излъчва със скорост 80 Mb/s, когато се намира в лунна орбита. Естествено, възниква въпросът, защо O2O ще изпраща и може би стриймва видеосигнала със скорост 80 Mb/s, след като демонстрационният проект преди 6 години показа скорост от 622 Mb/s. Отговорът не е сложен: просто никой не е искал толкова висока скорост за обмен на данните. Поръчката е била за минимум 80 Mb/s, като системата в този си вид е способна на много повече.

В случай на успех O2O ще отвори вратите за обмен на големи обеми информация между бъдещите космически мисии и Земята. Ще стане възможен видеочатът на астронавтите с техните семейства, частни разговори с лекари и дори гледането на спортните предавания по време на почивка. Колкото повече време се налага да провеждат хората на Луната, толкова по-важна ще става бързата връзка за запазване на тяхното психическо здраве. В близко бъдеще видеото ще стане критично важно за екипажите в далечния космос.

Преди O2O да започне да се тества, системата трябва да бъде изведена в космоса. Лазерните системи от този тип използват телескопи за излъчване и приемане на данните. Тези телескопи имат сложно разположени огледала и множество движещи се компоненти. При O2O се използва телескоп с две огледала за фокусиране на светлината. Използва се специално опаковане на цялата система, за да не се повреди сложното оборудване ори неговото извеждане в космоса.

Когато O2O бъде изведена в космоса, тя трябва да бъде много точно насочена към приемника на Земята. Оптичният сигнал с диаметър 6 км може лесно да премине покрай Земята дори и при най-малко отклонение на космическия кораб.

От друга страна, самият Орион вибрира по време на своята работа, а тези вибрации са достатъчно да изместят оптичния сигнал. Ето защо специалистите на NASA и Lincoln Lab поставят оптичната система върху специална платформа, която измерва вибрациите на кораба и ги подава към платформата с противоположна фаза. По този начин те се неутрализират, както всъщност става в слушалките с активно погасяне на шума.

Последното препятствие за лазерната система са облаците. O2O използва инфрачервена светлина с дължина на вълната 1550 nm, която се поглъща от облаците. И наистина, лазерният лъч може да измине 400 000 км от Луната и да бъде блокиран само на два километра от приемника на Земята. Към днешен ден най-добрата защита от това е изпращането на лазерни лъчи към няколко приемника едновременно. При тази мисия ще се използва наземна апаратура в Калифорния и Ню Мексико.

През 2020 година НАСА възнамерява да постои портал (The Gateway), специално за качествена лазерна връзка в космоса. Гейтуеят може да приема лазерните сигнали от космоса и да ги транслира към Земята на други честоти, които не се поглъщат от облаците. Възможни са и други варианти. В този проект, освен НАСА, участват и специалисти от Канада, Европа, Япония и Русия.

Проектът на този портал предвижда обмен на информация със скорост 5-8 Gb/s, което ще даде възможност за броени секунди да се изтегли двучасов филм с HD качество.

Учените от различни държави отбелязват, че далечната страна на Луната е оптималното място за изграждането на огромен радиотелескоп, който е защитен от електромагнитните шумове на Земята. А ако обменът на данни с този телескоп бъде осъществен с помощта на оптична лазерна връзка, нищо не би попречило на тези наблюдения на далечни космически светове.

През следващите години и други мисии ще проверяват, доколко добре работи лазерната връзка в дълбокия космос. Предстои да се разбере доколко мощни лазери могат да се използват, за да не се допусне повреда на оптичните телескопи, използвани за излъчване на сигналите. Но близо до Земята, необходимата за работата и живота на хората на Луната бърза връзка може да бъде осигурена само с възможността на лазерите.

4
ДОБАВИ КОМЕНТАР

avatar
3 Коментари
1 Отговори на коментарите
4 Последователи
 
Коментарът с най-много реакции
Най-горещият коментар
  Абонирай се  
нови стари оценка
Извести ме за
DragonSlayer
DragonSlayer

tl:dr

Кольо
Кольо

„Първо, спектърът на честотите съвсем не е безкраен“
Това още не е доказано. Но все пак, на тази част от тях, която наричаме радиочестоти, наистина има граници. Които обаче са доста широки и в тях много неща могат да се подредят.

Аз-Съм
Аз-Съм

Индия ми се струва на пръв поглед поне 3000 км. но не и 2000 но както и да е 😉

Стефан
Стефан

Никъде не е писано, че Индия е с ширина или дължина 2000 км. Писано е, че площта на кръг с диаметър 2000 км е приблизително колкото площта на Индия. А това си е вярно и лесно проверимо.
Ама чукча писател, не читател…