12 апреля отмечается международный день полёта человека в космос. Более полувека прошло с того момента, когда Человечество сделало первый шаг в его освоение. Череда блестящих технических и научных побед сделала нас ближе к звёздам. Жажда открытий тянет постигать новые таинственные миры. Марс, красная «звезда» на небосводе, с древних времён притягивал к себе внимание людей. Невообразимо похожий на Землю, но всё-таки чужой мир до сих пор не покидает сознание многих исследователей. Вероятно в скором времени мы может стать свидетелями тому, как на Марсе станут появляться небольшие исследовательские колонии людей. Инженерам предстоит столкнуться с многими проблемами. На Хабре присутствует большое количество специалистов разных областей, каждый обладает широким кругозором и определёнными знаниями. Предлагаю воспользоваться коллективным разумом и в этой статье поразмышлять о том, как бы выглядела связь на Марсе, если бы там существовали колонии людей.
В данной статье-дискуссии рассматривается гипотетическая техническая задача организации связи на Марсе между исследовательскими поселениями людей. Для участия читателей разного уровня подготовки в статье приводятся краткие описания некоторых базовых технических терминов, основное внимание уделено принципам открытой оптической связи с помощью лазеров, а также некоторым вопросам проектирования стационарных спутников связи.
Иллюстраций: 21, символов: 45 081.
В качестве отправной точки дискуссии ниже приведены некоторые мои размышления по данному вопросу, а также сжатое описание некоторых радиотехнических понятий. Более опытные читатели могут ознакомиться лишь с краткими тезисами в конце каждого раздела.
Проектируя любую систему всегда следует чётко представлять основное её назначение. Зачастую сформировать некоторый шаблон функций и строго следовать ему бывает не так просто. В это статье рассматривается задача цель которой создать концепцию телекоммуникационной системы для организации связи между исследовательскими станциями на Марсе. Предполагается, что станции могут быть удалены друг от друга на произвольное расстояние. Вероятнее всего основной трафик сети будут составлять исследовательские данные, такие как телеметрия различных приборов, потоки аудио и видео. Хотя не нужно отрицать, что постоянное присутствие человека на Марсе послужит толчком для создания местной глобальной сети с различными сервисами не научно-исследовательского характера, например что-нибудь развлекательное. В таком случае может появится задача синхронизации местной глобальное сети с Интернетом на Земле. Данная задача далеко не проста и решение её должно учитывать много нюансов. Любой технический проект помимо научных амбиций должен отталкиваться и от экономической целесообразности. Следует обратить внимание, что развёртывание не любой телекоммуникационной системы будет оправдано. Многим известно, что основные магистрали современного Интернета на Земле функционируют на оптических линиях связи. Применение такого опыта на Марсе скорее всего не оптимально, поскольку для оптической линии нужно разворачивать инфраструктуру на планете. Что не желательно, так как обычно когда говорят о научно-исследовательских станциях, то предполагают своеобразные локальные поселения исследователей, где организовано централизованное техническое обеспечение. И как уже отмечалось, совсем не обязательно, что другая исследовательская станция будет находится рядом. К тому же любые причины могут послужить тому, что придётся покинуть поселения. С учётом выше сказанного необходимо проанализировать различные варианты и постараться выбрать оптимальный, применение коллективного обсуждения позволит учесть многие факторы. Перед началом обсуждения следует сказать несколько слов об особенностях красной планеты.
Шаг 1. Марс
Марс является четвёртой планетой солнечной системы. Она чуть меньше и легче Земли. На Марсе очень разряжённая атмосфера и прохладней чем на Земле, но не смотря на это у Земли и Марса есть и общие черты.
День на Марсе длится также как на Земле: практически 24 часа (24 часа 37 минут 23 секунды). Также присутствуют времена года, хотя из-за более протяжённой орбиты вокруг Солнца длятся они дольше. Небо с синевой и даже есть белые облака. Однако марсианская назойливая пыль вероятно может придавать окружающему ландшафту красноватый оттенок. Примерная структура атмосферы Марса представлена на аппликации ниже.
Из-за низкого атмосферного давления, очень слабого магнитного поля, морозной погоды и малой концентрации кислорода в атмосфере человеку на Марсе придётся передвигаться в специальных костюмах, возможно легче чем обычный скафандр, либо в специализированных автомобилях. В противном же случае человек в считанные секунды погибнет от асфиксии или взрывной декомпрессии. Для защиты от радиации скорее всего придётся строить станции под толщей грунта, вход в которые необходимо будет снабдить шлюзами. Возможно типичная марсианская станция выглядела бы так:
Более подробно о Марсе, его особенностях и вопросах колонизации можно почитать в дополнительной литературе, ссылки на которую приведены в конце статьи.
Марс — интересное небесное тело, которое очень похоже на Землю и находится на доступном современным технологиям расстояние. Колонизация Марса позволит использовать его ресурсы для промышленных целей, а планетарные особенности создают идеальные условия для космической отрасли и для исследований и для запуска космических аппаратов (вторая космическая скорость на Марсе ниже, чем на Земле).
Шаг 2. Линии связи
Многие космические державы в своих космических программах предполагают будущую исследовательскую колонизацию Марса. Поэтому, как отмечалось выше, следует предполагать, что на планете может присутствовать несколько различных исследовательских станций, удалённых друг от друга на произвольное расстояние и которым необходимо будет организовать между собой надёжный канал связи с достаточно большой пропускной способностью. Под пропускной способностью канала тут понимается такое максимальное количество информации (в битах), которое можно передать по этому каналу связи за секунду. В литературе данное понятие также может встречаться под названием «ёмкость канала» (channel capacity).
Развёртывание инфраструктуры вне исследовательских станций не желательно, поскольку несёт лишние затраты и усложняет проект, поэтому использование на планете оптоволоконных линий связи (лучшее решение на Земле) не оптимально. Таким образом единственным доступным решением, в котором не надо будет возводить дополнительные сооружения, будет применение беспроводных технологий.
Современные беспроводные технологии в качестве переносчика информации используют электромагнитные волны. Основная причина, по которой выбор пал именно на электромагнитные волны — это скорость и «дальность» их распространения. В свободном пространстве волны в электромагнитных полях могут распространяться со скоростью примерно 299 792 458 метра в секунду и покрывать большие расстояния! К примеру, обмен информацией с помощью звука по сути также является технологией беспроводной связи, где волны распространяются в веществе (например в молекулах воздуха), но значительно уступающей и по скорости распространения и по «дальности».
Дальность, на которую могут распространяться электромагнитные волны, ничем не ограничена, однако практически она зависит от энергии, которую переносит электромагнитная волна. При распространении в пространстве энергия постоянно теряется, т.к. электромагнитные волны взаимодействуют с атомами и молекулами среды. Поэтому чем больше энергии переносит электромагнитная волна, тем на более дальнем расстоянии можно её «увидеть». На самом деле при очень больших энергиях начинают возникать интересные физические эффекты в среде, которые приводят к тому, что задача передачи информации
с помощью таких волн усложняется. В технических приложениях чаще используют параметр — мощность, который показывает сколько энергии в единицу времени переносит волна. Более подробно данный вопрос освещён в приведённых источниках.
Можно заметить, что две волны, распространяясь в одном направлении и на одно расстояние теряют разное количество энергии. Это говорит о том, что следует учитывать помимо мощности также и другие параметры волн. В физике колебания и волны — тесно связанные процессы, которые определяются математически схожими формулами и по сути одинаковыми параметрами. Наиболее важным является частота колебания или частота волны. Этот параметр характеризует быстроту процесса. Время, за которое происходит одно колебание называют периодом, а расстояние, которое проходит за это время волна называют длиной волны. Частота и длина волны связаны между собой. Чем больше частота колебания, тем меньше длина волны. Поэтому в равной мере можно пользоваться как понятием частоты, так и понятием длины волны, понимая о связи между ними. Именно частота (длина) электромагнитной волны существенно определяет сколько потеряется энергии в той или иной среде. Это неразрывно связано с квантовой физикой и особенностями структуры вещества. Данный вопрос достаточно сложен и имеет огромное количество нюансов.
Важно посмотреть какие электромагнитные волны больше теряют энергии в основной для распространения среде — атмосфере Марса, а какие меньше. Нужно понимать, что атмосфера Марса — это всего лишь углекислый газ, азот и кислород с некоторыми примесями других газов, в том числе и водяного пара. Поэтому основной вклад в потерях энергии будет связан именно с этими газами. Можно взглянуть на рисунок ниже, на котором изображены графики, показывающие затухания (поглощение энергии) в водяном паре и кислороде на разных частотах (длинах волн). Хотя на графиках приведён сравнительно небольшой участок частот (длин волн), однако видно, что среди всего диапазона частот (длин волн) есть области, где затухание меньше, чем в остальных. Это так называемые «окна прозрачности». Для обмена информацией как раз и используют такие частоты (длины волн).
Количество поглощаемой энергии на разных частотах может меняться в достаточно большом диапазоне, поэтому в инженерной практике для удобства используют логарифмическую шкалу относительных единиц. Это удобно тем, что избавляет от записей больших чисел и сокращает расчёты. Поскольку в шкале используются относительные единицы, то она оперирует отношениями. Единица измерения данных отношений является дБ (децибел). К примеру, не нужно писать, что электромагнитная волна ослабилась при распространении в 1000 раз, достаточно просто написать на 30 дБ. На рисунке поясняется принцип пересчёта в данную шкалу.
В инженерных науках также бывает удобно перейти на относительную логарифмическую шкалу и для абсолютных величин, их просто делят (нормируют) на какое-нибудь заранее оговоренное удобное число. Так, для описания мощности, которая обычно измеряется в ваттах (Вт), вводят единицу — дБм (децибел на милливатт). Для этого мощность просто делят на 1 мВт (милливатт).
Мощность и частотный диапазон сигнала, распространяющегося в виде электромагнитной волны, связаны с пропускной способность реального канала связи знаменитой формулой Шеннона, которая приведена на рисунке ниже.
О том, что такое сигнал и его спектр и как они связаны между собой уже говорилось вот в этой статье. Напомню, что в природе многие физические процессы носят колебательный (гармонический) характер, в том числе и электромагнитные волны. Поэтому в прикладных естетсвенно-научных дисциплинах, где оперируют сигналами, широкое приминение получил математический аппарат спектров (набор простейших колебаний). Как уже отмечалось выше, распространение сигнала связано с переносом энергии. На языке спектров каждое элементарное колебание (гармоника) сигнала несёт какую-то часть общей энергии всего сигнала. И тот диапазон частот, который содержит 99% энергии и называют полосой сигнала (по версии FCC), которая фигурирует в формуле Шеннона. Справедливо может возникнуть вопрос, почему не 100%? Дело в том, что вся энергия сигнала размазана по всем частотам, т.е. реальная полоса сигнала имеет бесконечную ширину. Такое понятие не очень информативно и практической пользы от него нет, т.к. существует диапазон частот, где сосредоточена основная энергия сигнала, который и определяет его свойства. Более понятней станет, если посмотреть на рисунок.
Существуют и другие определения полосы сигнала, однако они все похожи идеологически, различие составляет лишь в удобстве определения для той или иной прикладной задачи. Дополнительно об этом можно почитать в литературе, приведённой в конце статьи.
Таким образом для того, чтобы рассматриваемая система связи обладала необходимой пропускной способностью нужно подобрать диапазон частот (длин волн), полосу сигнала и его мощность. Все эти величины на самом деле ограничены, причины этого — тема отдельного разговора. Не будет ошибкой в данной статье считать, что данных границ нет, поскольку значения полосы, мощности и частоты в реальных системах далеки от предельных. Передача информации электромагнитными волнами осуществляется высокочастотными сигналами, частота которых должна согласовываться с окнами прозрачности атмосферы, чтобы минимизировать потери мощности. Такую частоту называют несущей. Данные вносятся в этот сигнал путём модуляции несущей частоты. Частота модулирующего сигнала пропорциональная полосе результирующего (после модуляции) сигнала. Обычно в телекоммуникационных системах полоса на много меньше несущей частоты, в связи с тем, что в этом случае результирующий (после модуляции) сигнал не сильно отличается от гармонической формы (широкая полоса сигнала подразумевает наличие высокочастотных составляющих в спектре сигнала, что придаёт более сложную форму сигналу). Это необходимо в виду того, что аппаратура является неидеальной и чтобы устранить возможные искажения, при распространение электромагнитных волн, данное требование должно быть выполнено. На рисунке ниже показан принцип модуляции сигнала на языке спектров.
В конечном счёте можно сделать вывод, что для передачи большого потока информации необходимо более широкая полоса частот, что потребует соответственно несущую более высокой частоты (чтобы сохранить гармоничность сигнала). Для передачи на одной несущей потока данных в гигабит нужно примерно полосу шириной в гигагерц (условная оценка, позволяющая увидеть порядки величин), что в итоге приведёт к требованию о несущей в несколько порядков выше полосы — терагерцы, что соответствует оптическому диапазону. В оптическом диапазоне принято пользоваться не понятием частоты, а длины волны. Напомню, что это равносильные понятия. Терагерцовый диапазон частот соответствует нанометровому диапазону длин волн.
Кроме всего прочего, с явлением распространения волн связано понятие — поляризация. Это интересное явление, описание которого имеет наглядный математический характер. Если не вдаваться в подробности, то это определённая ориентация волны в пространстве. Две распространяющиеся электромагнитные волны в одном направлении на одной частоте с разными поляризациями могут затухать по разному. На рисунке ниже приведена наглядная аналогия поляризации (ориентации) волн. Подробней о данном явлении можно почитать в литературе по электродинамике. При передачи на очень большое расстояние через среду с различными искажениями учёт поляризации электромагнитной волны теряет свою актуальность.
Для наглядного представления картины распространения электромагнитных волн любого диапазона достаточно просто посмотреть вокруг себя. Ведь свет, как было выше сказано, также является электромагнитной волной. Это волны очень узкого диапазона частот, мощность (интенсивность) которых регистрируется глазами человека. Различные эффекты: блики, тени, полутени и т.д. — всё это присуще волнам и других частот. Стоит отметить, что на распространение волн различных частот по разному влияют окружающие объекты. К примеру, для волн на одних частотах одиноко стоящая ракета на пустынной равнине Марса будет препятствием при распространении, а другие её просто не заметят. Таким образом, на распространение электромагнитных волн кроме среды, также влияют и окружающие объекты. В зависимости от геометрических размеров объектов волны могут или отражаться от них, или огибать, или рассеиваться на них. Вопросы распространения электромагнитных волн в пространстве также изучает электродинамика.
По аналогии со светом иногда удобно представлять распространение радиоволны в виде лучей. Тогда для обмена информацией отправитель испускает луч электромагнитной волны в сторону получателя, а тот в свою очередь его принимает. Если на пути между ними встречается объект, который луч обогнуть не может, то волна отражается или рассеивается и получатель не сможет принять информацию. Если объекты крупные, их несколько и они расположены как-то очень сложно, например, огромное количество домов в городе или сложный каменистый рельеф поверхности Марса, то возможно получатель сможет принять луч, который будет или прямой, или отражённый от какого-нибудь объекта, а может быть будет принято и несколько лучей. Такое явление называется многолучевое распространение. Для того, кто принимает электромагнитную волну, этот эффект может доставить некоторые неприятности. К примеру, возможна такая ситуация, что получатель будет принимать несколько лучей и они сложатся так, что лучи друг друга нейтрализуют и получатель не увидит электромагнитную волну. Такое явление называется замиранием. Подробнее о специфике распространения можно почитать в дополнительной литературе.
Движение отправителя или получателя также вызывает определённые изменения в электромагнитных волнах, в том числе может приводить к замираниям. Однако основной эффект заключается в том, что при движении для получателя кажется, что частота (длина) электромагнитной волны изменяется. Это явление называется эффект Доплера. Мобильные системы связи в обязательном порядке должны учитывать влияние данного эффекта. Эффект широко распространён и повсеместно встречается везде, где есть волновые процессы. Существуют также разновидности данного эффекта, которые могут приводить к ряду интересных явлений, о которых более подробно можно почитать в литературе.
При распространении на более дальние расстояния нужно учитывать всё больше и больше разнообразных факторов, включая метеорологическую обстановку, структуру атмосферы и кривизну поверхности Марса. Современные земные беспроводные системы связи работают на относительно небольшом расстоянии в нижнем слое атмосферы — тропосфере, поэтому на распространение электромагнитных волн может повлиять разве что дождь или снег, причём как оговаривалось выше всё зависит от размеров частичек дождя (снега) и частоты (длины волны). Аналогичная ситуация и на Марсе, но в качестве рассеивающих частичек выступает в основном пыль. Если необходимо организовать связь с околопланетным пространством (космос), то для этого нужно учитывать прохождение электромагнитных волн через тропосферу, ионосферу, рассматривать искривление луча при распространении и т.д. Все эти явления присутствуют и на Марсе и на Земле, различие заключается в порядках воздействий, так как всё обуславливается сильной разреженностью атмосферы Марса.
Любое электромагнитное излучение характеризуется мощностью, частным диапазоном (длины волн), поляризацией. При распространение от приёмника к передатчику электромагнитные волны могут быть подвержены различным негативным факторам, что в конечном счёте приводит к понижению пропускной способности беспроводного канала (формула Шенона) или полной потере связи. Для органиации беспроводной связи между станциями при большой пропускной способности канала необходимо использовать электромагнитное излучение оптического диапазона. Данное требование вытекает из технических соображений. При подборе рабочей частоты (длины волны) необходимо учитывать «окна прозрачности», а также наличие пыли в атмосфере Марса. Из-за сильной разряженности атмосферы, многие эффекты слабо сказываются на распространение излучения. В оптическом видимом диапазоне затухание в атмосфере незначительно. Лучшими источниками излучения в оптической области являются лазеры. Посмотрим какие могут быть возможные системы построены на данном принципе.
Шаг 3. Лазерный канал
Речь идёт о так называемой технологии FSO (free space optics). Это достаточная развитая на Земле технология и применяется для замены проводных линий связи, в особенности волоконных трактов в тех местах, где это выгодно. Основное требование к линии связи — условия прямой видимости между приёмником и передатчиком. Однако в условиях Марса с таким условием применение системы может быть весьма не эффективно, потому что в нижних слоях атмосферы может быть высокая концентрация пыли, что приведёт к сильному рассеянию света и как следствие понижению пропускной способности или вовсе потере сигнала. К тому же расстояние прямой видимости ограничено кривизной поверхности планеты. Ситуацию может улучшить использование ретрансляторных станций, однако данный метод не допустим, т.к. приведет к организации дополнительной инфраструктуры. Более амбициозным и эффективным будет использование ретранслятора на стационарной орбите Марса.
Эта ситуация лучше для передачи чем распространение вдоль поверхности на дистанцию прямой видимости, поскольку покрывает значительно большие расстояния, а также большая часть траектории распространения излучения будет проходить вне атмосферы Марса, т.е. фактически без потерь (только из-за дифракции, об этом будет сказано далее).
Особенность размещения на стационарной орбите состоит в том, что спутник, фактически вращаясь вокруг планеты, с поверхности будет казаться неподвижным. Этого можно добиться если скорость вращения спутника будет совпадать со скоростью вращения планеты. Школьными физическими выкладкам можно просчитать многие параметры, в том числе и высоту над поверхностью Марса, которая составит примерно 17 000 км, из которых около 100 км разряжённая атмосфера — остальное вакуум. Расчёт для Земли можно посмотреть в wikipedia.
Конечно, применение ретрансляторного спутника сопряжено с рядом технических проблем, однако в данной ситуации это выглядит наилучшим решением. Любые альтернативные идет только приветствуются. На распространяющееся излучение будут оказывать влияние все возможные эффекты, начиная от ионосферного экранирования, заканчивая рефракцией.
Эффект рефракции возникает из-за изменения показателя преломления среды, через которую проходит излучение, т.к. атмосфера разряжена, то концентрация газов мала и изменение её с высотой практически не заметно, то искривление траектории можно пренебречь (более строгие расчёты показывают действительно пренебрежимо влияние рефракции). Понятие рефракции отражено на рисунке ниже (для наглядности на иллюстрации луч специально изогнут сильнее, чем это было бы на самом деле).
Что касается ионосферного экранирования, то на оптических частотах (длинах волн) оно не существенно. Данное экранирование связано с тем, что в верхних слоях атмосферы Марса и Земли присутствуют заряженные частицы (плазма). Совокупность этих заряженных частиц чем-то напоминает металл. Металл представляет собой некоторую структуру из атомных ядер, находящихся в «облаке» из электронов. Это достаточно грубое представление, но оно позволяет показать аналогию между наглядным металлом и ионосферой. Точно так же как металлический лист отражает электромагнитные волны, точно также отражает их и ионосфера. В физике плазмы есть частота ниже которой плазма, в нашем случае ионосфера становится зеркалом, а выше соответственно прозрачна. Это так называемая частота Ленгмюра. Для Марса она составляет около 500 МГц (с учётом всех возможных колебаний концентрации электроном в ионосфере Марса). Так что можно видеть, что на оптические частоты (террагерцы) ионосферное экранирование никакого влияния не оказывается.
Следует добавить, что при распространение через атмосферу, да и вообще через любое вещество, может возникнуть явление дисперсии сигнала. Сигнал, переносящий информацию занимает некоторую полосу (набор) частот, при распространение через среду может возникнуть ситуация, когда компоненты сигнала разных частот распространяются с разной скоростью. В таком случае части сигнала к месту назначения приходят в разные моменты времени, что приводит к расплыванию сигнала. Весьма распространенное явление, которое в конечном счёте накладывает ограничение на полосу сигнала, в нашем случае можно не учитывать так как атмосфера Марса разряжена и даже если будет присутствовать дисперсионные эффекта в атмосфере, они будут не существенны. О том как бороться с дисперсией и о причинах её вызывающих можно познакомиться в дополнительной литературе.
В любой системы связи нужен приёмник и передатчик, которые включают в себя генератор излучения, средства сопряжения с физической средой канала связи (например антенны), детектор сигнала и т.д. Лазеры являются генераторами электромагнитного излучения частот оптического диапазона. Применение именного этого типа генераторов является лучшим в данной задаче и обусловлено особенностями излучения, которое им генерируется. Обычно, когда говорят о лазерном излучение, то выделяют его когерентность, направленность и монохроматичность. Глубокое понимание всех физических чудес, которые стоят за этими терминами вряд ли получиться рассказать кратко, это заслуживает отдельной статьи. Отмечу, что мнохроматичное излучение — это излучение одной частоты (длины волны), получение монохроматичного излучения трудная задача, тем более в оптическом диапазоне. На самом деле излучение даже очень хорошего лазера является условно монохроматичным (в некоторой степени точности), причина этому — квантовые ограничения. Когда говорят о направленности, то подразумевают расходимость излучения, в нашем случае это будет расхождение лазерного пучка. Явления расходимости связано с таким оптическим явлением как дифракция. Под дифракцией будем понимать любое отклонение луча излучения, которое обусловлено отражением или преломлением. Данный вопрос связан с многими нюансами, поэтому углубляться не будем, некоторое качественное описание данного явления будет показано далее. Что же касается когерентности, то для того, чтобы осознать данное понятие необходимо много базовой информации, в рамках данного материала можно считать, что когерентное (лазер) излучение от некогерентного (лампочка) отличается также, как например толпа людей идущая по дороге (лампочка) от марширующего строя солдат (лазер). Чтобы осознать всё выше сказанное необходимо обратиться к квантовой электродинамике, качественно в этих терминах поможет разобраться иллюстрация ниже.
О том как устроены лазеры нужно говорить либо всё, либо ничего. Ограничимся лишь пониманием того, что это особые ГЕНЕРАТОРЫ оптического излучения. Конструкции лазеров бывают разные (зависит от рабочего вещества), применение той или иной зависит от требуемого уровня выходной мощности. Чтобы определиться с типом лазера, необходимо оценить мощность на спутнике. Мощность, излучаемая передатчиком и принимаемая спутником будет разная. Причина этого потери, которые обусловлены перечисленными выше факторами: в основном это потери в атмосфере из-за поглощения и рассеяния, а также дифракционные потери за счёт того, что вся испускаемая энергия будет размазана на большую площадь около приёмника, чем около передатчика. Иногда при анализе дифракционные потери называют потерями свободного пространства. Явление довольно просто понять, если взглянуть на картинку ниже:
Видно, что пучок света, распространяясь расширяется. Количественно степень этого расширения описывается углом расходимости, который был показан на предыдущем рисунке. Угол расходимости зависит от длины волны излучения и размеров излучающей поверхности, которая в оптике именуются апертурой. На картинке также показано, как будет видеть приёмник распределение интенсивности излучения на разных расстояниях. Пучки излучения с подобным распределением интенсивности (максимум в центре и плавный спад к краям, зависимость похожа на кривую Гаусса) называются гауссовскими. Это простейшая математическая модель для изучения подобных явлений, которая часто встречается в литературе. Обладая одной и той же приёмной площадью, спутник-ретранслятор будет получать разное количество мощности находясь на разном расстояние от передатчика. Данное рассмотрение ещё раз показывает, что использование лазерного излучения с малой расходимостью эффективно.
С помощью простой геометрии можно показать, что при типичной расходимости лазерного излучения (около 1-го миллирадиана) мощность на единицу площади уменьшиться примерно в 17 000 раз или на 42 дБ. Мощность, которую будет получять приёмник зависит от площади принимаемой поверхности. С учётом, что на орбиту трудно выводить габаритные системы, тем более оптику, не стоит надеяться на большие площади, не смотря на это можно с некоторой точностью предположить, что удастся сократить дифракционные потери до 32 дБ. Однако, суммарные потери в атмосфере за счёт поглощения и незначительного рассеяния составят примерно 20 дБ, что в результате приведёт к тому, что полное ослабление сигнала будет порядка 50 дБ при связи Марс -> спутник (ретранслятор). Соединения такого типа в спутниковых системах связи принято называть uplink, соответственно соединение спутник (ретранслятор) — > Марс называют downlink. Рассмотренная только что оценка мощности очень грубая, но для каких-то качественных рассуждений приемлема. Кроме потерь очень важным фактором, определяющим уровень мощности в системе, является тип приёмника и его свойства.
Приёмники оптического излучения характризуются спектральным рабочим диапазоном, т.е. набором частот (длин волн), которые он может принимать, причём величина отклика (уровень детектируемого сигнала) для разных частот отличается (определяется материалом и конструкцией приёмника). Это весомый фактор, который надо обязательно учитывать. В современных оптических системах связи наиболее широко применяются лавинные фотодиоды (APD) и так называем фотодиоды c PIN структурой. Первые более чуствительные, вторые менее шумящие. Приминение того или иного типа зависит от конкретной задачи. Например в системах квантовой криптографии и эксперемнтах по квантовому компьютингу на фотонах применяют как раз особо чуствителные лавинные фотодиоды. Для того чтобы говорить о фотоприёмниках, их конструкции и прицнипах работы — нужно говорить сначала о шумах полупроводниковых приборов. Вопрос выходит за рамки этой статьи, поэтому придётся поверить в то, что уровень собственных шумов фотоприёмника и чувствительность являются не менее важными факторами. Желающие могут проверить это в дополнительной литературе. Поэтому не вдавая в подробности просто отмечу, что соврменные системы позволяют организовывать оптическую связь с гигабитной полосой пропуская требуя при этом уровень мощности оптического излучения на уровне -30 дБм. Это весьма чусвствитльные системы. Кратко о фотодиодах можно почитать здесь.
Таким образом при потерях в 50 дБ и допустимом уровне на входе в -30 дБм излучение лазера должно составлят 20 дБм. Для компенсации грубых рассуждений примем необходимый уровень в 30 дБм, тем более, что возникнут ослабления на несколько децибел в связи с модуляцией оптического сигнала (при амплитудной модуляции aka модуляции интенсивности часть времени лазер не светит — «логический нуль»). Даже с таким запасом получается примерно 1 Вт. Такие мощности доступны и полупроводниковым лазерам, хотя на высоких мощностях (для сравнения мощность DVD лазера 200 мВт или 23 дБм) долгосрочность их службы сокращается. Во всяком случае возможно это решаемая проблема. Следует отметить, что применение именно полупроводниковых лазеров более оправдано, поскольку их производство легче с технологической стороны, чем тех же газовых, твердотельных лазеров или лазеров на красителях.
Оптические устройства, используемые в телекоммуникационной системе не идельны и поэтому могут присутсвовать существенные искажения, подобного рода искажения в оптике именую аберрации. Говорить об аберрации и её разновидностях, а также о борьбе с ними нужно также отдельно. Будем считать, что используется максимально идеальные физические и технические условия для передачи. Более подробно можно посмотреть в дополнительных источниках, в особенности в литературе по фотографии.
Для обеспечения достаточно высокой пропускной способности и дальности канала связи оптимальным решением будет использовать концепцию технологии FSO с ретранслятором на стационарной орите Марса. Подобное решение позволит организовать связь даже при существующей элементной базе. Такие возможности возникают из-за специфики условий на Марсе, где разряженная атмосфера оказывает значительно меньшое влияние на распространяющийся луч лазерного излучения. Возможные неточности в расчётах, а также турбулентности атмосферы можно компенсировать несколькими лазерными излучателями более низкой пропускной способностью (меньшей мощности).
Шаг 4. Стационарный спутник
Организация и функционирование стационарного спутника — отдельная история. На подобных автономных системах длительного периода эксплуатации особый принцип и технической и программной составляющей.
Любой космический аппарат на данный момент нуждается в электроэнергии для функционирования. Как известно Марс находится дальше от Солнца, поэтому излучение солнечного света может быть не достаточно для использования солнечных панелей. С учётом их низкого КПД и потенциального времени работы ретранслятора лучшим будет установка реактора на борт спутника. Хуже, но тоже как вариант можно использовать радиоизотопные теплоэнергогенераторы.
Кроме того для спутника очень важна ориентация, тем более когда речь идёт о высокоточных оптических системах. Для изменения отклонения в современных архтектурах используются лазерные гироскопы, как более лёгкие и компактные решения. В основном это волоконно-оптические системы, в которой два лазерных луча идут навстречу друг другу по кольцевому пути (оптическое волокно свёрнуто в кольцо), при встрече лучи накладываются друг на друга и возникают некоторые эффекты, которые можно хорошо измерить и которые пропорциональны скорости вращения оптоволоконного кольца. Это так называемый эффект Саньяка. Описание эффекта тоже требует предварительной вводной информации, поэтому желающие могут ознакомиться с ним в приведенной в конце статьи литературе. Зная угловые скорости, бортовой компьютер вычисляет ориентацию спутника. В случае отклонений необходимо восстановить нужное положение в пространстве, для этого обычно используют массивные механические устройства — гиродины, которые позволяют в связи с законом сохранения импульса во вращающихся системах (момент импульса) поворачивать спутник через вращения гиродина. Как дублирующую систему можно использовать микродвигатели на сжатом газе или жидком топливе.
На спутниках следует заботиться о температурном контроле. В космосе много источников энергии, которые нагревают систему. Находясь в вакууме спутниквая система не отдаёт тепло, что может привести к выходу из строя оборудования. Для этих целей нужен серьёзный расчёт всего оборудования и учёт малейших деталей, а также приминение специализированных средств распределение тепла, защиты от излучения солнца и отражённого излучения от Марса, а также активных систем охлаждения (в космосе есть два пути отдачи энергии: что-нибудь испарять или что-нибудь излучать). Существует много готового программного обеспечения позволяющего просчитать полностью термическую модель спутниковой системы, например ESARAD, THERMICA и т.д.
Аппаратная вычислительная часть является обычной электроникой, за исключением наверно повышеных требований к отказоустойчивости, низкому потребоению энергии, теплоотдачи, габаритам и массе. С позиции архитектуры обычно серьёзных различий с земной электроникой нет. Обычно используется многопроцессорная архитектура, где присутсвует один основной процессор, занимающийся распределением вычислений между остальными, в случае его повреждения любой другой процессор может стать основным. Система сложна, но позволяет обеспечить нужную надёжность. Шины, интерфейсы, память аналогична обычным наземным система. Основная опасность заключается в воздействие радиауционного излучения, которое может привести к нарушению логики работы цифровых схем, изменению напряжений на операционных усилителях, повышению выделения тепла и т. д. Бороться со многими явлениями можно постоянной провекркой контрольных сумм на аппаратном и программном уровне, коррекцией ошибок (специальные коды), а также избыточностью (дублирование железа полностью или частично).
Что касается программного обеспечения, то требование к ним весьма суровы: жёсткий real-time для систем контролирующих полёт, положение и сервисную связь с поверхностью и менее треботельный
к времени для различных операций, связанных с миссией полёта, в случае телекоммункационного спутника — это управление коммутационной аппаратурой. В данном случае система может управляться под обычной шустрой операционной системой, возможно какой-нибудь сборкой Kolibri OS. Разработка софта для подобных систем — весьма ответсвенное и трудное занятие. В любых подобных системах 90% времени уходит на тестирование и планирование, в том числе с использование специализированных CAD систем на подобие SpecTRM-RL (Specification Tools and Requirements Methodology), и лишь 10% на сам кодинг. Более подробно о разработке софта для спутниковых систем можно почитать в приведённой литературе.
Для рассматриваемого лазерного канала очень важна оптическая часть на спутнике, а конкретно оптика, которая будет принимать сигнал и направлять его на фотоприёмник, о котором речь шла в предыдущем разделе. Для характеристики данной оптической системы удобно пользоваться понятием диаграммы направленности из теории антенн. Если не вдаваться в подробности, то такая диаграмма обычно рассматривается в некоторой плоскости приёмника, где показывается какой будет принят уровень сигнала при облучение приёмника под разными углами. В подобных системах присутствуют «слепые зоны», откуда излучение никогда не попадёт прямо в приёмник. Для лазерного канала это означает, что площадь поверхности Марса, с которой можно установить связь со спутником будет ограничена (ограничение во всяком случае будет, но большего радиуса и обусловленное горизонтом). Специфичным решением этой проблемы может быть использование технологии «фасеточного зрения». В основе этой технологии лежит конструкция глаз мухи, которая способна видеть вокруг себя на 360°. Таким образом можно увеличить угол обзора спутника, как условно показано на рисунке ниже.
Фасеточное зрение может обеспечить возможность связи и между спутниками-ретрансляторами, а возможно и с другими небесными телами, например с Фобосом или Деймосом, но это задача более высокого порядка сложности.
Использование в лазерном канале связи спутника-ретранслятора на стационарной орбите влечёт за собой увеличение сложности проекта, однако вместе с тем даёт некоторое количество преимуществ, в основном в увеличение дальности связи. Ограниченные ресурсы на спутнике диктуют определённые требования к архитектуре, к примеру возможно будет затруднено использование лазеров мощности аналогичной передатчика на Марсе, в таком случае нужно применять более слабые излучатели и компенсировать это приемником на другой стороне с большей апертурой (приёмной площадью).
Шаг 5. Передача данных
Рассмотренный в статье лазерный канал связи позволяет покрыть большое количество телекоммуникационных нужд, к примеру такой канал может обеспечить аудио и видео трансляции между станциями, не говоря уже о передачи телеметрии. Это не удивительно, если заметить, что в оценках были получены вполне реальные параметры системы для пропускной способности канала 1 Гбит/с.
Оптический канал не стабилен в том смысле, что возникновение каких-нибудь непредвиденных факторов приведёт к потере связь. К примеру, возникновение пылевой бури внесёт ослабление в канал в сотни децибел, что не даёт никакой возможности для передачи информации. Чтобы предотвратить это в систему в обязательном порядке должен быть включен дублирующий радиоканал. На подобие тех, что сейчас на Земле используются в спутниковой связи. Пропускная способность такого канала значительно ниже, однако в случае непредвиденных обстоятельств будет хотя бы какая-нибудь связь. Радиоканал может быть полезен также при наведенеи оптической системы, т.к. менее чувствителен к ориентации. Чтобы обеспечить лёгкость в наведение излучение лазера можно слегка расфокусировать, что создаст большее пятно на приёмной стороне, которым легче попасть в спутник. После установления связи систему можно обратно сфокусировать, при это убедившись, что на приёмнике максимум излучения, в этом случае передатчик будет строго направлен на приёмник.
Решение проблемы передачи информации в отсутствие связи по основным канал может быть найдено и иными путями. Технологии не стоят на месте и вероятно в скором времени появяться альтернативные системы передачи данных, на новых прицнипах. Недавно исследователям удалось провести эксперимент по передачи данных нейтринным пучком. Естественно эксперимент далёк от практчиеского применения, но сейчас уже можно видеть, что с учётом проникающих способностей нейтрино можно передавать сообщения на большие расстояния практически в любых условиях. Особенно это будет полезным, если возникнет потребность в передаче информации на другую сторону планеты напрямую через планету.
Вероятнее всего оптический канал связи будет сопряжёт с некоторой волоконной сетью, которая является отличным решением для «последней мили». В этом случае нужно подумать на счёт согласования стандартов. Вероятнее всего вся сеть будет построена по архитектуре SDH (рассмотренный канал вполне сможет обеспечить уровень STM-16), при это необходимо будет обеспечить синхронихацию ретранслятора с терминалами. Наверно правильнее будет поставить квантовый стандарт частоты, как самое точное электронное устройство, на ретрансляторе и по радиоканалу вещать на планету сигнал для синхронизации, тогда все системы канала связи будут работать синхронно.
Что касается передвижных систем, например марсоходы или автомобили для транспортировки людей, то скорее всего придётся для них разворачивать некоторый радиоканал на ультравысоких (300—3000 МГц) или сверхвысоких (3—30 ГГц) частотах, который будет обеспечивать приличную связь в некотором радиусе. Внутри станции, если она крупная может быть разбита радиосистема на подобие LTE, WiMAX. Если подразумевается серьёзное удаление от станции, то можно поставить высокую антенну и на более дллинных волнах связываться с более дальними объектами. Этот вопрос уже решён в рамках технических задач на Земле, где существует множество различных систем дальней и ближней связи.
Существование глобальной сети на Марсе из ряда исследовательских станций и спутников-ретрансляторов скорее всего потребует синхронизации с земными службами. Вся проблема здесь в задерже сигнала. При «коротком» расстояние между планетами на передачу волнового пакета уйдёт примерно 3 минуты. В худшем же случае — около 20 минут. Это требует определённого подхода при проектирование сервисов для Марсиан на Земле и Землян на Марсе. Как вариант можно использовать решения, которые сейчас применяются в системах контроля версий.
В данной статье была предложена тема для дискуссии о гипотетической системе связи на Марсе между исследовательскими станциями. Приведено краткое описание некоторых базовых технический терминов для привлечения большего круга читателей разного уровня подготовки. В качестве основы аргументированно предложена идея использования открытого оптического канала связи через спутник-ретранслятор на стационарной орбите Марса, а также некоторые предпосылки для решения ряда смежных техническим проблем. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже. Рад буду увидеть идеи и предложения (в особенности кардинально отличающиеся) по решению рассмотренных проблем.
Шаг 6. Почитать
- Ho Christian, Nasser Golshan and Kliore Arvydas. Radio Wave
Propagation Handbook for Communication on and Around Mars. - NASA. Mars facts.
- C. E. Shannon and W. Weaver. The mathematical theory of information.
- Бронштэн В. А. Планета Марс.
- Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля.
- Грудинская Г. П. Распространение радиоволн.
- Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн.
- Пименов Ю. В. Техническая электродинамика.
- Шанников Д. В. Техническая электродинамика. Антенные устройства и распространение электромагнитных волн.
- Малыкин Г. Б. Эффект Саньяка. Корректные и некорректные объяснения.
- Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны.
- Wertz. James R. and Wiley J. Larson. Space Mission Analysis and Design.
- Leach, Ronald J. Introduction to Software Engineering.
- Masafumi Katahira, Nancy G. Leveson. Use of SpecTRM in Space Applications.
- Pisacane, Vincent L. and Robert C. Moore. Fundamentals of Space Systems.
- Соломатин В. Фасеточное зрение.
- Inka Hublitz. Engineering concepts for inflatable Mars surface greenhouses.
- MIT SM Architecture Thesis of Georgi Petrov.
- Плезиохронная цифровая иерархия и поток E1 (esendjer).
P.S. Соблюдайте правила ресурса и условия Creative Commons Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0)
P.P.S. Статья довольно объёмная, я допускаю существование опечаток, некорректных выражений и формулировок. Пожалуйста пиши замечания мне через личные сообщения. Я постараюсь сделать статью лучше. Спасибо.
Автор: tgx
