Скорость радиосигнала в космосе

Дальняя космическая связь — вид радиосвязи с космическими аппаратами, находящимися на значительном удалении от Земли. Дальняя космическая связь осложняется значительным ослаблением сигнала за счёт рассеяния в пространстве, доплеровским смещением частоты, а также значительными задержками, вызванными конечной скоростью распространения радиоволн (см. скорость света).

Передача сигнала на космический аппарат сопряжена с меньшими трудностями, так как мощность сигнала, передаваемого с Земли, практически не ограничена, в дальнем космосе отсутствуют электромагнитные помехи техногенного происхождения, а естественный фон радиоизлучения очень слаб, что позволяет оснащать космические аппараты сверхвысокочувствительными приёмниками. Бо́льшую проблему представляет передача сигналов с космического аппарата на Землю, так как энергетические возможности бортовой аппаратуры ограничены, в лучшем случае, сотнями ватт, а в зоне приёмных антенн на земле велик уровень техногенных электромагнитных помех, что не позволяет повышать чувствительность приёмников. Указанная проблема частично решается применением узконаправленных параболических антенн и корреляционным анализом принимаемого сигнала на высокоскоростных ЭВМ.

Улучшить приём сигналов удаётся с использованием территориально удалённых приёмных антенн. Вероятность того, что две антенны ультракоротковолнового диапазона, удалённые на расстояния в несколько тысяч километров, примут один и тот же сигнал земного происхождения, крайне мала, так как ультракороткие волны распространяются лишь в зоне прямой видимости. В то же время сигнал от космического аппарата будет действовать на обе антенны одинаково. Таким образом, результатом свёртки сигналов, принятых двумя антеннами, будет именно сигнал от космического аппарата.

Целесообразно применение для дальней космической связи спутников-ретрансляторов. Они находятся достаточно далеко от Земли и практически не подвержены техногенным помехам. Кроме того, сигнал от удалённого космического аппарата не ослабляется атмосферой Земли.

Тем не менее, несмотря на принимаемые меры и огромные затраты на их реализацию, скорость приёма данных от удалённых космических аппаратов очень низкая — единицы-десятки килобит в секунду. Однако, даже такая маленькая скорость позволяет получать ценную научную информацию.

Поскольку для дальней космической связи используются узконаправленные антенны, необходимо строго выдерживать ориентацию космического аппарата на Землю. Для этого аппараты оснащают автономными системами ориентации, независимыми от радиосигналов. Чаще всего — ориентация оптическими датчиками с узкополосными светофильтрами, реагирующими на излучения Солнца и ярких звёзд (Канопуса, Сириуса). Поскольку ширина луча радиоволн от аппарата, находящегося даже в районе Сатурна, уже существенно больше диаметра орбиты Земли, точное «прицеливание» на Землю не требуется — достаточно лишь передавать сигнал в направлении Солнца.

Содержание

Вояджер-1 [ править | править код ]

Американская автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1», запущенная 5 сентября 1977 года, является самым удалённым космическим объектом, с которым поддерживается радиоконтакт. Расстояние, которое он пролетел на конец 2010 года составляет более 17 млрд км [1] [2] . Радиосигнал проходит это расстояние более, чем за 16 часов. Для приема радиосигналов с него используется Сеть дальней космической связи НАСА.

Системы и центры дальней космической связи [ править | править код ]

  • Сеть дальней космической связи НАСА (Лаборатория реактивного движенияНАСА)
  • сеть ESTRACK[en]Европейского центра управления космическими полётами (ЕКА)
  • Восточный центр дальней космической связи (Российское космическое агентство)
  • Китайский центр дальней космической связи[en]
  • Индийский центр дальней космической связи[en]

Радиодиапазоны дальней космической связи [ править | править код ]

ITU выделило несколько частотных диапазонов для использования в радиосвязи с космическими аппаратами, в зависимости от расстояния (дальней условно считается связь с аппаратами, находящимися на расстояниях более 2 млн километров от Земли) [3] .

Частотный диапазон в МГц

Обозначение Дальний космос (более 2 млн км от Земли) Ближний космос (менее 2 млн км от Земли)
От Земли в космос От аппарата на Землю От Земли в космос От аппарата на Землю
S-диапазон 2110-2120 2290-2300 2025-2110 2200-2290
X-диапазон 7145-7190 8400-8450 7190-7235 8450-8500
K-диапазон * * * 25500-27000
Ka-диапазон 34200-34700 31800-32300 * *

Символом «*» обозначены сочетания, не поддерживаемые Сетью дальней космической связи НАСА.

Существует теория, что внеземные цивилизации могут обнаружить нашу планету, если засекут исходящие от нее радиоволны. И даже смогут послушать земные песни, транслирующиеся по радиостанциям. Неужели это действительно возможно, и вопрос не в том, смогут ли инопланетяне послушать хиты «Дискотеки 80-х», а в том, когда это случится?

Необходимо разобраться, во-первых, действительно ли наши радиоволны могут покинуть земные пределы и унестись вглубь космоса, не рассеявшись где-нибудь в пределах Солнечной системы, и, во-вторых, существует ли вероятность того, что наш радиосигнал «наткнется» на внеземную цивилизацию, обладающей техническими средствами для его обработки?

Главным препятствием на пути радиоволн в космос является земная атмосфера, а точнее ее верхняя часть, называющаяся ионосферой, которая постоянно ионизируются из-за облучения солнечными лучами. Одна из основных характеристик любой радиоволны — это ее длина (т.е. расстояние между двумя соседними гребнями волны). Если бы могли видеть радиоволны и измерить их, то заметили, что их длина может варьироваться от 1 мм до 100 км. Особенностью ионосферы является то, что она отражает длинные волны, зато коротковолновые могут проходить сквозь нее.

Это интересно: благодаря отражению от ионосферы, длинные радиоволны обладают способностью распространяться по окружности планеты, что делает их незаменимым способ связи с морскими судами и подводными лодками, находящимися на дежурстве посреди океана.

Короткие и ультракороткие волны используются для теле- и радиовещания, для связи с авиатранспортом, космическими спутниками и космическими зондами, удаленными на расстояние в миллионы километров от Земли. Минуя ионосферу, радиоволны отправляется в космос, распространяясь там со скоростью света.

Это интересно: скорость света это действительно много. Например, радиосигнал только что выпущенный с Земли в сторону самого удаленного объекта искусственного происхождения зонда «Вояджер-1» сможет достигнуть его уже через 18 с половиной часов. А ведь «Вояджер-1» летит в космическом пространстве с огромной скоростью уже 38 лет, а расстояние до него составляет почти 20 000 000 000 км (20 млрд. км).

С пройденным расстоянием из-за постепенного рассеяния их мощность постепенно падает. Представьте, что вы бросили камень в тихую гладь озера: от камня — источника — во все стороны пошли круги, но чем дальше они расходятся, тем менее заметны становятся. Подобное происходит и с радиоволнами: если посчитать приблизительно, то двукратное удаление от источника связи будет уменьшать мощность радиоволн в четыре раза. Обнаружить такие радиоволны на расстоянии в несколько сот световых лет от Земли станет непростой задачей для космических цивилизаций. Впрочем, уже сейчас земные радиотелескопы способны обнаружить работу обычного аэродромного радара, который удален от нас на расстояние в 200 световых лет [источник]. Остается надеяться, что инопланетная техника приема радиосообщений не будет уступать земной.

Читайте также:  Ippon smart power pro 1400 не включается

Теоретически инопланетяне могут зафиксировать наши радиоволны, созданные обычными вышками сотовой связи и тв-трансляторами, но вряд ли у них получится извлечь из них что-то, кроме непонятной «каши» — ни о каком прослушивании музыки и фильмов речи не идет. Но есть ли способ передать на десятки тысяч световых лет осмысленную информацию? Возможно, если бы радиосигналы транслировались в космос целенаправленно из мощных радиотелескопов, у инопланетян было бы больше шансов поймать информацию с Земли? Это действительно так, причем такие сеансы односторонней связи уже были проведены с использованием антенн дальней космической связи. Данные радиопослания объединены программой METI, основная идея которой как раз и заключается в отправке подобных сообщений в сторону «перспективных» галактик и звезд — то есть тех, где существование жизни, по мнению ученых, теоретически возможно.

Аресибо — одна из обсерваторий, с которой были отправлены радиопослания внеземным цивилизациям

Что включают в себя данные послания? Да все что угодно: информацию о Земле и ее жителях, нашем обществе, природе, животном мире, мелодии народов мира, описание координат Солнечной системы в нашей галактике и т.д. Мощность радиосигналов действительно поражает — по прогнозам, одно из уже отправленных радиопосланий должно достигнуть своего адресата через 25000. Однако большинство радиопосланий все-таки имеет более реалистичные сроки прибытия: 2029 год, 2030 год. За все время существования программы METI в космос было отправлено 19 посланий. При этом использовались длины радиоволн, которые считаются оптимальными для дальней космической связи: от 1 см до 20 см.

Это интересно: существует риск, что инопланетная цивилизация может получить не все послание, а лишь малую его часть. Быть может, они даже не примут его за сигнал искусственного происхождения. Необходимо сделать так, чтобы сама длина волны указывала на искусственное происхождение радиосигнала. Для этого специалисты предложили использовать уникальную длину волны в 21 см, соответствующую радиолинии нейтральности водорода. Предполагается, что любая развитая цивилизация при изучении космического пространства должна будет узнать о радиолинии нейтрального водорода так как именно по излучению в длине 21 см можно определить распределение водорода в космосе. Если поделить это число на какуюлибо константу, , например, знакомое всем нам со школы число Пи, то полученная длина волны сразу же укажет на искусственное происхождение! Работает это и в обратном порядке уловив радиоволны на данной длине волны, можно будет утверждать о разумности его источника.

Итак, мы поняли, что инопланетные цивилизации в принципе могут уловить радиоволны с Земли и даже прослушать пару земных мелодий, если им посчастливится принять одно из радиопосланий программы METI. Хотя последние намного мощнее обычных теле- радиосигналов, они сильно уступают им в количестве и площади покрытия космоса. И это мягко сказано: 19 радиопосланий — ничто по сравнению с обычными теле- радиосигналами , которые равномерно распространяются от Земли последние по всю направлениям. Это означает, что, скорее всего, именно эти радиоволны смогут обнаружить внеземные цивилизации, если они, конечно же, существуют. Стоп, а не это ли главное препятствие на пути обнаружения наших радиоволн: существуют ли в данный момент внеземные цивилизации, обладающие достаточным техническим уровнем чтобы принять земные сигналы? Как бы банально ни звучал данный вопрос, мы действительно до сих пор не знаем, существует ли во вселенной хотя бы какая-нибудь жизнь, кроме нашей, не говоря уже о разумной жизни.

Не углубляясь в сложный вопрос о существовании внеземной жизни, мы просто предположим, что она существует. Но для того, чтобы принять наши радиосигналы, должны чудесным образом выполниться еще несколько условий:

  • цивилизация она должна находиться неподалеку от Земли, на расстоянии до 100 световых лет;
  • она должна проживать в том же временном промежутке, что и наша;
  • по уровню развитию цивилизация должна находиться на той же ступени, что и наша;

Представьте, что несколько тысячелетий назад неподалеку (по космическим меркам конечно же) от Земли существовала бы развития цивилизация наподобие нашей, которая испускала бы в разные стороны радиоволны. Через несколько сотен лет радиосигналы достигли бы нашей планеты, но вряд ли бы древние греки или римляне могли бы принять, так как просто не обладали достаточными для этого знаниями. Но почему в наше время, обладая мощными радарами, мы не фиксируем эти сигналы? На данный вопрос можно дать два ответа: либо та инопланетная цивилизация перестала существовать из-за какого-то катаклизма, либо она вышла на новый уровень развития и уже не пользуется радиосигналами для передачи данных. Возможно, последние следы ее существования можно было бы засечь еще несколько столетий назад, но не сейчас.

Читайте также:  Как заряжать щелочной аккумулятор 12в

Человечество вошло в радиоэпоху всего около ста лет назад, и теоретически уже успело распространить радиоволны в радиусе 100 световых лет. Но расстояние в 100 св. лет в масштабах не то что Вселенной, а даже нашей галактики Млечный Путь — это ничто. Вероятность того, что в этом радиусе существуют развитые цивилизации, обладающие знаниями о радиотехнике, стремится к нулю. А будет ли человечество через 100 лет продолжать генерировать радиоволны и тем самым увеличит радиус охвата космоса радиосигналами до 200 св. лет — большой вопрос.

Итак, получается, что радиоволны, излучаемые в процессе деятельности человеческой цивилизации, теоретически могут быть замечены инопланетянами. При этом речь идет как об обычных радиотрансляциях и сообщениях в коротковолновом диапазоне , так и о намеренных радиопосланиях программы METI. Самый большой вопрос — смогут ли совпасть все факторы таким образом, чтобы в нужное время в нужном месте нашлась достаточно развитая инопланетная цивилизация?

А ищет ли человечество инопланетные радиопослания?

Конечно, ищет. Десятки радиотелескопов, объединенных под программой поиска внеземного разума METI, каждый день прослушивают космос в различных радиодиапазонах. Все данные тщательно собираются и расшифровываются на компьютерах. Есть ли какие-нибудь результаты данных исследований? Пока что космос молчит, и из естественного электромагнитного шума не удалось выделить ни одного доказанного сигнала искусственного происхождения. Лишь один случай за всю историю внес в научное сообщество переполох. Произошло это 15 августа 1997 года

Wow — сигнал

Участник проекта Джерри Эйман среди космического шума зафиксировал сильный радиосигнал. Увиденные результаты настолько поразили его, что он обвел их ручкой и подписал рядом «WOW». Теперь этот сигнал так и называется — «WOW сигнал». Что это было — просто отразившийся от какой-либо преграды сигнал земного происхождения или мы наткнулись на обрывки радиопосланий внеземного разума — до сих пор не может сказать никто.

Кадр из фильма “Космическая одиссея 2001 года” (1968)

Представьте, что вам нужно пробросить песчинку через ушко иглы с расстояния 16 000 километров. Примерно тем же самым занимались ученые, отправив в 2004 году к комете Чурюмова-Герасименко межпланетную станцию «Розетта». В 2015 году станция и комета находились на расстоянии около 265,1 млн км от Земли. Однако надёжная связь позволила «Розетте» не только сесть на комету, но и получить ценнейшие научные данные.

Сегодня космическая связь — одно из самых сложных и перспективных направлений развития коммуникационных технологий. Орбитальные спутники уже дали нам GPS, ГЛОНАСС, глобальные точнейшие цифровые карты, интернет и голосовую связь в самых отдаленных районах Земли, но мы смотрим дальше. Как космическая связь работает сейчас и что нас ожидает в будущем?

Путь «Розетты»

Основой инфраструктуры наземных станций, используемых во время миссии «Розетты», стала компьютерная система Intermediate Frequency Modem System (IFMS), разработанная BAE Systems. Помимо расшифровывания 350 гигабайт данных, переданных станцией, система позволила точно рассчитать положение космического корабля, действуя как GPS для Солнечной системы.

Система IFMS принимала и передавала сигналы в течение всей 10-летней миссии и сопровождала станцию около 800 миллионов километров. IFMS позволяет измерять скорость с точностью до долей миллиметра в секунду, а положение космического аппарата с точностью в пределах метра в любой точке Солнечной системы.

Модули IFMS размещаются на наземных станциях Европейского космического агентства (ЕКА), модернизированных более 20 лет назад для более совершенного получения радиосигналов с космических аппаратов. Вместо аналоговой обработки — настройки на сигнал, фильтрации и демодуляции — новая (на тот момент) технология позволила преобразовывать необработанный сигнал в цифровую форму, из которой программное обеспечение извлекало необходимую информацию.

После преобразования большая часть последующей обработки сигнала выполняется с помощью ППВМ-микрочипов (программируемая пользователем вентильная матрица, field-programmable gate array, FPGA). Они состоят из логических блоков, которые могут быть подключены параллельно для выполнения вычислений. Это позволило разработать сложные алгоритмы для поддержания высокого уровня шумоподавления и стабильности сигналов из космоса.

На Марс и обратно


Наземная сеть антенн Deep Space Network (DSN)

В основном спутники обеспечивают радиосвязь как ретрансляторы, однако для связи с межпланетными космическими аппаратами требуется более продвинутая система, состоящая из больших антенн, сверхмощных передатчиков и сверхчувствительных приемников.

Канал передачи данных на Землю очень узкий — например, параболическая антенна DSS (Deep Space Stations) недалеко от Мадрида принимает данные на скорости 720 Кб/сек. Конечно, марсоход передает всего 500-3200 бит в секунду по прямому каналу, однако основной канал проходит через орбитальный спутник Марса — получается около 31 Мб данных в сутки от марсохода, плюс еще данные, полученные от измерительных датчиков самого спутника.

Связь на расстоянии 55 миллионов километров поддерживает международная сеть радиотелескопов и средств связи Deep Space Network. DSN является частью NASA. В России же для связи с далекими космическими аппаратами используют знаменитый Восточный центр дальней космической связи, расположенный неподалеку от Уссурийска.

На сегодняшний день DSN объединяет три наземные базы, расположенные на трех континентах — в США, Испании и Австралии. Станции удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать зоны действия друг друга.

Спутник Mars Odyssey — самый долго действующий космический аппарат из всех, когда-либо отправленных на Марс — обменивается данными с DSN с помощью антенны с высоким коэффициентом усиления на частоте 8406 МГц. Прием данных от марсоходов ведется на УВЧ-антенну.

«Роуминг» по Солнечной системе


DSS-63

Марс — далеко не единственное место во Вселенной, с которым нам нужно поддерживать связь. Например, межпланетные зонды отправлялись к Сатурну и Титану, а Вояджер-1 вообще улетел на 20 миллиардов километров от Земли.

Читайте также:  Смартфон acer liquid z410

Чем дальше от нас улетают межпланетные станции, тем сложнее уловить их радиосигналы. Мы пока не можем по всей Солнечной системе расставить орбитальные спутники, поэтому вынуждены строить огромные параболические антенны.

Возьмём, к примеру, Мадридский комплекс дальней космической связи. Главная параболическая антенна комплекса DSS-63 имеет зеркало диаметром более 70 метров и весом 3,5 тысячи тонн. Для отслеживания зондов антенна вращается на четырех шариковых подшипниках весом в одну тонну каждый.

Антенна не только принимает сигнал, но и передает. И хотя траектория движения и вращения Земли давно посчитана и пересчитана, найти маленький объект в космосе, чтобы точно направить на него огромную антенну, — задача очень сложная.

Для поиска отдаленных объектов используется радиотриангуляция. Две наземные станции сравнивают точный угол, под которым сигнал попадает на зеркало антенны в разные промежутки времени, и таким образом вычисляется расстояние до объекта и его местоположение.

Центры дальней космической связи

Разработка в 50-х гг. первой советской межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7, оснащенной радиоуправлением, поставила перед ее создателями сложную задачу – необходимо было построить большую сеть измерительных станций, которые могли бы определять скорость и корректировать полет ракеты.

Для поддержки запусков первых спутников оборудование, первоначально созданное для испытаний баллистической ракеты, было модернизировано и размещено в научно-измерительных пунктах (НИП). С них осуществлялась передача команд на космические аппараты.

В стране построили десятки НИП. Часть измерительного оборудования разместили на специальных кораблях Военно-морского флота. Корабли участвовали в испытаниях всех типов советских МБР, искусственных спутников и автоматических межпланетных станций, обеспечивали все отработочные и штатные околоземные и лунные полёты советских космических кораблей.

После развала СССР корабли измерительного комплекса за редким исключением были уничтожены. Однако сохранились другие важные для космической связи объекты. По географическим причинам наиболее важные командно-измерительные пункты создали в Крыму (16-й НИП – Западный Центр дальней космической связи) и в Приморском крае (15-й НИП – Восточный Центр дальней космической связи известный как объект «Уссурийск»).

Западный Центр в Евпатории принимал и обрабатывал информацию с первой автоматической станции «Луна», поддерживал связь с межпланетными станциями серий «Венера», «Марс», «Эхо», управлял аппаратами во множестве других проектах.


Главный объект Центра – антенна АДУ-1000 с 8 параболическими зеркалами диаметром 16 метров.

Объект «Уссурийск» был создан в 1965 году в результате перевода Радиоэлектронной части военно-космических сил в районе села Галёнки, в 30 км к северо-западу от Уссурийска. В 1985 году здесь был построена одна из крупнейших в мире антенн – РТ-70 с диаметром зеркала 70 м (такая же антенна находится и в Крыму).

РТ-70 продолжает действовать и будет использоваться в самых перспективных разработках страны – в новой российской лунной программе, стартующей в 2019 году (проект «Луна-25»), и для единственного в мире проекта орбитальной рентгеновской астрономии на ближайшие 15 лет «Спектр-Рентген-Гамма».


Работа устройства Deep Space Optical Communication.

Сейчас на земной орбите находится около 400 коммерческих спутников связи, но в ближайшем будущем их станет гораздо больше. Компания ViaSat объявила о совместном проекте с Boeing по запуску трех спутников нового поколения, пропускная способность которых будет более 1 Тбит/сек — это больше пропускной способности всех вместе взятых работающих спутников на 2017 год.

ViaSat планирует предоставлять доступ в интернет на скорости 100 Мбит/сек по всему миру на частоте 20 ГГц, используя фазированные антенные решетки, а также многопозиционные системы передачи данных.

Компания SpaceX планирует уже в 2019 году начать запускать на орбиту более 12 000 спутников связи (в 30 раз больше всех сегодня летающих!), которые будут работать на частотах 10,7-18 ГГц и 26,5-40 ГГц.

Как вы можете себе представить, нужно обеспечить управление всей орбитальной группировкой спутников таким образом, чтобы не допустить столкновений аппаратов. Кроме того, рассматриваются проекты создания каналов связи со всеми искусственными объектами Солнечной системы. Все эти требования вынуждают инженеров ускорить развертывание новых каналов.

Межпланетные телекоммуникации в радиочастотном спектре с 1960 года увеличились на восемь порядков в пропускной способности, однако нам по-прежнему не хватает скорости для передачи изображений и видео высокой четкости, не говоря уже о коммуникации с тысячами объектов одновременно. Один из перспективных способов решения проблемы — лазерная связь.

Впервые космическая лазерная связь была испытана российскими учеными на МКС 25 января 2013 г. В том же году на аппарате Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer испытывалась система двусторонней лазерной связи между Луной и Землей. Удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/сек с аппарата на наземную станцию, и 20 Мбит/сек с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли.

Проект Laser Communications (LASERCOM) в будущем сможет решить вопрос связи в околоземном пространстве, Солнечной системе и, возможно, в межзвездных миссиях.

Лазерная связь в глубоком космосе будет проверена в ходе миссии «Психея». Зонд стартует в 2022 году, а в 2026 году достигнет металлического астероида 16 Psyche. На борту зонда будет установлено специальное оборудование Deep Space Optical Communications (DSOC) для передачи большего количества данных. DSOC должно повысить производительность и эффективность связи космических аппаратов в 10-100 раз по сравнению с обычными средствами, без увеличения массы, объема, мощности и спектра.

Ожидается, что использование лазерной связи приведет к революционным изменениям в будущих космических миссиях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector