Следующая эра сети дальней космической связи (DSN) НАСА лежит в области рентгеновского излучения и лазеров

Тестирование космической оптической лазерной связи начнется в следующем году, рентгеновские системы навигации и связи в процессе развития.

70-метровая антенна в Голдстоуне. Источник: NASA / JPL

Спустя полтора века использования радио для отслеживания и коммуникации со всеми аппаратами, от первых лунных Рейнджеров до зондов Вояджер, сейчас пересекающих границу Солнечной Системы и уходящих в межзвездное пространство, NASA вкладывает $ 2 млрд. в сеть дальней космической связи (DSN) опирающуюся на оптический и рентгеновский спектр.

В следующем году NASA планирует запустить демонстрационный полет для проверки оптической лазерной связи для миссии на Луне LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer — программа изучения лунной атмосферы и пылевого окружения её орбиты). И вскоре последуют оптические миссии для проверки возможностей лазерного реле на геостационарной орбите земли (GEO).

«DSN работает почти безупречно, делая все, что мы просим», сказал Лесли Дойтч, главный технолог Управления межпланетных сетей JPL NASA. «Не было случаев, когда при вызове через DSN космические миссии были потеряны, но в нескольких случаях DSN используется для сохранения миссии».

Используя три наземных комплекса: в Голдстоуне, Калифорния; Канберре, Австралия; и Мадриде, Испания, — DSN отслеживает около 35 космических аппаратов с успехом, превышающим 98 процентов.

Но время от времени NASA использует другие радиотелескопы. Дойтч отмечает, что при недавнем приземлении Марсианской научной лаборатории (Mars Science Lab), в качестве резервных возможностей использовалась DSN радиообсерватории Паркерс в Австралии, для того чтобы отследить сигналы MSL во время входа, спуска и посадки на Марс.

«У нас есть узкие места в том, что инструменты на Марсе могли бы вернуть больше данных, если бы мы имели более мощные каналы связи», сказал Дойтч.

Везде, где есть много исследовательской деятельности, говорит Дойтч, также осмыслено создавать GPS-подобные возможности, чтобы помочь навигации на поверхности планеты. Дойтч отмечает, что возможность GPS для Марса все еще изучается и возможно реализуется уже в ближайшие нескольких десятилетий.

Между тем, NASA идет на испытание лазерных коммуникаций. LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration — демонстрация лазерной коммуникации с Луной) запускается на LADEE в январе следующего года и продемонстрирует скорость лазерной передающей линии с Луны в 622 мегабайт.
The Laser Communications Relay Demonstration Project (LCRD ) последует вместе с запуском в конце 2017 года коммерческого космического спутника Space Systems/Loral. С геостационарной орбиты LCRD позволит непрерывно в течение двух лет испытать высокоскоростную передачу данных с помощью оптической коммуникации.

LCRD будет использовать лазеры в 0,5Вт; приблизительно энергия текущей записи DVD-дисков. Но увеличение этого показателя всего лишь до 5 Вт позволит LCRD технологии обеспечить линию связи с исходящей скоростью 1 гигабайт в секунду и входящей скоростью 100 мегабайт в секундуна расстоянии до Земли. Это от 10 до 100 раз быстрее, чем сейчас обеспечивают DSN на радиочастотах.

«Мы должны иметь реле с оптическими возможностями на геостационарной орбите к 2022 году», говорит Дэвид Израиль, инженер космической связи НАСА в Центре космических полетов Годдарда.

Хотя Израиль утверждает, что NASA будет использовать «безопасную для глаз» длину волны и гарантировать, что их лазеры никогда не пересекут путь самолета или спутника, он отмечает, что наибольшую техническую проблему для оптические коммуникаций представляют лишь облака.

Таким образом, при поиске места для наземных оптических приемников, почему бы просто не пойти в районы, в которых почти постоянно ясное небо?

«Великолепный прием на некоторых изолированных горных вершинах идеально подходит для астрономии», сказал Израиль. «Но если у вас высокая скорость передачи данных с орбиты в это место, то может и не быть [эффективного] способа получить эти данные с горы».

Таким образом, одной из проблем для наземных оптических телескопов связи является обеспечение баланса между оптимальной «видимостью» и использованием существующих линий коммуникационной инфраструктуры, необходимых для быстрого перенаправления входящих данных обратно к удаленным исследователям.

NASA разрабатывает также природные астрофизические источники рентгеновского излучения как отправную точку для космической навигационной системой, которая будет функционировать в масштабе Солнечной Системе в качестве GPS. Идея состоит в том, чтобы использовать пульсары, вращающиеся нейтронные звезды, которые часто испускают рентгеновские лучи с периодичностью в миллисекунды, для того чтобы точно определять курс корабля и его положение.

Voyager 1 Источник: NASA/JPL

Системе XNAV, говорит Кит Джендреау, астрофизик Центра космических полетов NASA в Годдарде, потребуется рентгеновский детектор с возможностью слежения, чтобы наблюдать несколько пульсаров с течением времени.

«Пульсары производить регулярные импульсы, которые могут соперничать по точности с атомными часами на сроках от нескольких месяцев до лет», сказал Джендреау. «В the GPS constellation GPS, существует целый ряд атомных часов, которые сообщают время. GPS приемники получают эти сигналы от нескольких спутников, по которым затем рассчитывают свою позицию. Для XNAV нашими часами будут пульсары, распределенные в галактическом масштабе, которые позволят обеспечить GPS-навигацию как по всей Солнечной системе, так и за ее пределами ».

На сегодняшний день для навигации к внешним планетам использовали систему дальней космической связи и бортовые звездные датчики космического аппарата для того, чтобы получить точное положение. Но Дойтч говорит, что XNAV может сделать работу автономной навигации космических аппаратов даже более точной.

XNAV создал бы 3-мерные позиционные данные от пульсаров, расположенных в различных направлениях на небе, говорит Джендреау, который отмечает, что в дополнение к трем пульсаров, которые космический аппарат будет использовать для определения своей позиции, четвертый пульсар будет предоставлять независимые измерения времени.

The Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) — это предлагаемый NASA эксперимент с таймингом пульсара, который смог бы продемонстрировать XNAV к концу 2016 года.

«К тому моменту, когда шахтеры отправятся в космос в пояс астероидов, можно с уверенностью сказать, что они будут использовать XNAV», сказал Израиль.

Между тем, исследователи из NASA в Годдарде также работают над рентгеновской связью (XCOM) использующей для коммуникации фотоэлектрический ??? (a photo-electrically driven source modulated — не справилась перевести). Преимущество рентгеновских лучей перед лазерной связью в том что рентгеновский диапазоне еще короче и может проникать в области, недоступные для радио- и оптических частот.

Джендреау говорит, что одно из главных преимуществ рентгеновских лучей перед лазерами в том, что короткая длина волны позволяет передавать пакеты очень плотно, и, следовательно, гораздо меньше терять энергии при коммуникации на больших расстояниях.

«Очень высокая энергия рентгеновских лучей может [также] проникать через защитный кожух, окружающих капсулу возвращения, и обеспечивать соединение при низкой скорости передачи данных для такого гиперзвукового транспортного средства», сказал Джендреау. «Если NICER взлетит, то к 2018 году мы могли бы также использовать его в качестве приемника для первой демонстрации XCOM в космосе».

В чем будущее Сети дальней космической связи?

Дойтч говорит о скорости скоростях передачи данных на порядки выше, чем сегодня; непрерывное покрытие DSN для людей в таких отдаленных районах, как обратная сторона Луны, а также интернет-подобное расширении возможностей там, куда NASA отправляет космонавтов или машины.

Что касается радио?

«Я думаю, что от космической радиосвязи никогда полностью уйти», сказал Дойтч. «Это очень просто и легко.»

Автор: Cholgaa