Вопросы и ответы о связи и технике в космосе. Часть 1. Связь в космосе
Проблемы связи в космосе
С каждой секундой корабль все дальше уходил от Земли. Вот она уже стала величиной с Луну, а вскоре и совсем затерялась среди тысяч серебристых искорок на черном бархате космоса. Корабль бесшумно движется по выбранной траектории, приборы внимательно следят за курсом. Но стремительность полета уже перестала ощущаться. Кажется, что корабль навсегда остановился где-то на полпути к цели. И еще эта гнетущая тишина! Легкий щелчок — приемник включен. И вмиг кабина корабля наполнилась живыми звуками Земли. Слышны музыка, слова. Это родная планета шлет привет отважным космонавтам. Она внимательно следит за их полетом, она рядом с ними. Рядом! Передаются координаты корабля, письма близких, земные известия. Включен передатчик космического корабля. И вот уже Земля слушает очередной рапорт из глубин космоса: «Самочувствие отличное! Полет проходит нормально!» Связь! Без нее немыслим космический полет. Радиотехника, родившаяся всего немногим более века назад, дала в руки исследователей космоса мощное, надежное и эффективное средство связи.
История развития радиосвязи — это непрерывная борьба за все более и более короткие волны. Вначале люди работали на длинных и средних волнах. Когда научились создавать короткие волны (длиною до 10 метров), могло показаться, что возможностям их нет границ. Стало простым делом, используя способность, этих радиоволн отражаться от Земли и ионосферы, устанавливать связь с любым местом на земном шаре.
Но вот появилось телевидение, и потребовалось освоение нового диапазона радиоволн — с длинами от 10 до 1 метра. Их назвали ультракороткими. Радиолокация и радиорелейные линии заставили работать на еще более коротких волнах: их длина измерялась уже сантиметрами.
А сейчас на вооружение радиотехникой взяты волны даже короче сантиметра. Но все это «земная техника». С выходом же человека в космос появилась необходимость в создании новой, космической радиотехники и прежде всего радиосвязи.
КОСМОС, АТМОСФЕРА И СВЯЗЬ
На первых порах для связи с искусственными спутниками радиотехника использовала радиоволны обжитого коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов. Они, как известно, свободно проникают через ионосферу Земли. К тому же расстояния между спутниками и наземными станциями, исчисляемые всего тысячами километров, были обычными для существующей радиоаппаратуры.
Но когда в плавание отправились первые космические ракеты и корабли, потребовалось поддерживать с ними радио- и телевизионную связь на расстояниях до сотен тысяч километров. Эта задача совсем не простая и вот почему.
«Космический корабль вышел за пределы атмосферы. Двигатели закончили работу, Наступила тишина…» Так нередко начинают свой рассказ о межпланетных путешествиях писатели-фантасты. Представления о космосе у нас неразрывно связываются с черным и безмолвным, именно безмолвным пространством. Но так ли уж оно молчаливо? Если бы космонавт был способен «слышать» сразу все радиоволны, то его оглушили бы скрип и скрежет радиоголосов звезд. В разных направлениях, не встречая на своем пути препятствий, мчатся радиоволны всевозможных длин, создавая помехи для связи с космонавтами. А для хорошего приема необходимо, чтобы сигнал, приходящий в антенну, был сильнее попадающих туда же шумов. Поэтому предстояло исследовать, нет ли среди всего спектра радиоволн, наполняющих космос, относительно тихого участка. Оказалось, что есть. Измерения показали, что космическое пространство заполнено меньше всего волнами длиной в десятки сантиметров. Значит, рабочая волна должна быть такой же длины.
Но одного правильного выбора рабочих волн недостаточно. Если, например, применить в радиопередаче из района Марса или Венеры обычную антенну, излучающую радиоволны в одинаковой мере во все стороны, то к Земле доберется лишь капля из океана излученной этой антенной энергии. Как же быть?
Вспомните: человек, разговаривающий с собеседником на большом расстоянии, сооружает из ладоней подобие рупора, при помощи которого направляет наибольшее количество энергии своего голоса в одну, нужную ему сторону. Точно так же и в радиосвязи применяют антенны, направленно излучающие радиоволны.
Вот почему если на искусственных спутниках Земли еще применялись антенны с круговым излучением, то при полетах к планетам придется использовать остронаправленные антенны, так называемые параболические рефлекторы. Антенна подобного типа была установлена на автоматической межпланетной станции, посланной в район Венеры. Правда, применение таких антенн порождает новые технические трудности.
Ведь для того, чтобы радиолуч не «промахнулся», попал в Землю, необходимо с высокой точностью ориентировать антенну или всю станцию в пространстве.
Другая группа волн пропускается атмосферой через другое окно — «радиоокно» — и представляет собой уже знакомые нам радиоволны длиной от 1 сантиметра до 10 метров. Все остальные излучения или беспощадно поглощаются молекулами воздуха, озоном, кислородом, ионосферой, или отражаются последней. Через «радиоокно» атмосферы и стала осуществляться космическая связь. И незаслуженно долго не вспоминали об узенькой оптической «форточке», использование которой для связи при космических полетах будущего таит колоссальные возможности.
В «оптическое окно» атмосферы проникает такой спектр волн, что его можно было бы использовать для одновременной передачи нескольких десятков миллионов телевизионных программ, в то время как «радиоокно» ограничило бы это число всего несколькими тысячами. Необходимость создания в ближайшее время систем сверхдальней космической связи привела ученых и инженеров к необходимости опробовать для этой цели, как волны видимого света, так и инфракрасные и ультрафиолетовые.
На Земле для приема сигнала, ослабленного дорогой в миллионы километров, применяются также направленные антенны в виде вогнутых зеркал. Чтобы уловить побольше полезной энергии, площадь этих антенн должна быть возможно большей. Современные антенны-гиганты — сложные инженерные сооружения, многометровые размеры которых выдержаны с точностью до нескольких сантиметров или даже миллиметров. Зеркало одной из крупнейших антенн (Англия, экспериментальная станция в Джодрелл Бэнк) имеет диаметр 76 метров! Вес антенны — 2 тысячи тонн, а ее бетонного основания — 10 тысяч тонн. И такой махиной нужно еще очень точно управлять, поворачивая ее вслед за космическим кораблем или планетой. А без подобных сооружений нечего сейчас и думать о дальней космической радиосвязи.
Если, например, использовать для передачи с Марса типовую современную радиотелеметрическую систему, применяемую американцами для связи с межконтинентальными баллистическими ракетами и имеющую антенну «нормальных» размеров (до нескольких метров), то потребуется передатчик мощностью около миллиона ватт. Поистине астрономическая величина! Расстояния так велики, что, даже приняв на вооружение все новинки радиоэлектроники, такие, как огромные остронаправленные антенны, почти бесшумовые приемники, специальные способы обработки сигналов и тому подобное, можно будет передавать из района Марса или Венеры при реальных мощностях передатчиков довольно скудную информацию.
И это при удалениях всего только в десятки миллионов километров! А как же быть при будущих полетах к границам солнечной системы, откуда даже такой мощный источник света, как наше Солнце, представляется заурядной звездой минус четвертой величины, что для земного наблюдателя соответствует яркости Венеры? Решение вопроса можно найти в концентрации радиоволн в еще более узкие пучки. Чем больше отношение площади зеркала антенны к длине излучаемой ею волны, тем уже луч. Поэтому хорошо было бы работать на радиоволнах миллиметрового диапазона. Антенны имели бы тогда гораздо меньшие размеры, чем те, которые применяются сейчас в космической связи. Но здесь в полный голос начинает заявлять о себе воздушная оболочка Земли.
Казалось бы, что может быть более прозрачным, чем чистый воздух? Ни стекло, ни пластмасса не могут с ним конкурировать. Даже слой воздуха толщиной в сотни километров не в состоянии лишить нас возможности любоваться драгоценными россыпями звезд. И все-таки воздух нельзя назвать абсолютно прозрачным. Дело в том, что атмосфера пропускает лишь небольшую часть всех электромагнитных волн.
Волны, воспринимаемые нашим глазом как видимый свет, и примыкающие к ним области инфракрасных и частично ультрафиолетовых волн проникают к Земле через так называемое «оптическое окно» атмосферы. Граничные длины волн, пропускаемых этим окном, насчитывают всего, с одной стороны, десятки, с другой — сотни миллионных долей сантиметра.
КОСМИЧЕСКИЙ ПРОЖЕКТОР
Сейчас уже существует много проектов использования света как средства связи в космосе. При ближних рейсах (Марс, Венера) предполагается использовать «бесплатные» солнечные лучи. Система связи должна выглядеть при этом следующим образом. Солнечное излучение собирается одним, сравнительно небольшого размера, зеркалом и излучается в нужном направлении другим зеркалом. Чередованием вспышек можно передавать информацию. На приемном конце вогнутые зеркала принимают излучение и концентрируют его в фокусе на чувствительном элементе. Такая система даже при зеркалах диаметром около метра может обеспечить удовлетворительную связь с Марсом. Уже построены и испытывались системы связи на солнечных лучах, способные передавать информацию на 15 миллионов километров.
Возможно применение и искусственных источников света. В настоящее время одним из наиболее ярких считается плазма — облачко, образующееся в результате взрыва тонкой проволочки при пропускании через нее мощного импульса электрического тока. Это облачко является источником волн различной длины, в том числе и световых. Но наибольшее количество излучаемой энергии приходится при этом на длины волн около одной миллионной доли сантиметра. Это — ультрафиолетовое излучение. Использование такого излучения для связи с космическими кораблями потребует выноса наземного передатчика и приемника за пределы атмосферы, так как последняя малопрозрачна для ультрафиолетовых лучей.
Расчеты показывают, что при помощи такой системы может быть осуществлена связь на расстоянии в несколько диаметров солнечной системы, зато при связи с Марсом (60 миллионов километров) можно будет в безоблачную погоду передавать и принимать сообщения прямо с поверхности Земли, не считаясь с атмосферой.
Описанные системы связи основаны на использовании довольно широкого спектра волн видимого или ультрафиолетового излучения. Все они имеют тот недостаток, что прямой и отраженный солнечный свет и другие излучения мешают принимать сигналы. А что, если и здесь применить методы обычной радиосвязи, то есть использовать только отдельные области светового спектра, отдельные участки радуги цветов, из которых слагается белый цвет? Ведь концентрируя энергию в узком участке спектра, легче перекрыть возможные световые помехи. Да и длину волны для связи можно выбрать такой, на которую меньше всего приходится излучений от Солнца, Земли, Луны, планет и звезд.
Оказалось, что молекулы и атомы вещества при определенных условиях могут излучать электромагнитные волны, то есть являются своеобразными микрогенераторами. Дело в том, что элементарные частицы, из которых состоят молекулы, атомы и ионы, совершают различные колебательные и вращательные движения. Энергия этих частиц не может иметь любую величину, а принимает строго определенные значения, называемые энергетическими уровнями. Значит, переход с одного уровня на другой должен происходить мгновенно, скачком.
Частицы обладают способностью под действием электромагнитного излучения определенной частоты поглощать энергию и взбираться при этом на более высокий энергетический уровень. Но «чувствуют» они там себя очень неудобно. Достаточно легкого толчка — и частицы «сваливаются» на более низкий уровень.
Равновесие так неустойчиво, что в некоторых случаях это может происходить и самопроизвольно (спонтанно). Во время «падения» излучаются запасенные ранее порции энергии. Частота излученной электромагнитной волны зависит от того, с какого и на какой энергетический уровень перескочили частицы. Больше перепад энергий — больше частота.
А что, если взять кристалл, состоящий из подобных частиц, в течение некоторого времени переводить их на один из высших уровней, а затем одновременно все столкнуть вниз? Тогда накопленные каждой частицей капельки энергии (кванты) выплеснутся в виде мощного импульса электромагнитной энергии строго определенной частоты.
Автор: В. А. Соколов, Ю. Ф. Иванов.
P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что рано или поздно, но человек таки освоит космос. И не только освоит, а даже сделает его комфортным местом проживания, так что снять себе квартиру на какой-нибудь космической станции будет также легко и просто, как например, сегодня просто снять квартиру в Новосибирске с помощью сайта http://selims.ru/daily/Novorossiisk/.
www.poznavayka.org
как это работает / Блог компании Yota / Хабр
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.
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».
Максимальные скорости
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.
habr.com
Космическая связь. Центры, системы и развитие космической связи
Сегодня уже никого не удивляет множество спутниковых тарелок на крышах жилых домов. Космическая связь прочно вошла в жизнь обычного обывателя. Даже в отдаленных районах теперь есть возможность смотреть телепередачи и пользоваться услугами интернета, при этом имея высокий уровень сигнала. Но все это стало возможным благодаря работе центров космической связи, о которых и пойдет речь в данной статье.
Всемирная сеть
В современном мире сеть опоясывает весь мир. В России возможность принимать качественные телевизионные сигналы обеспечивает Федеральное государственное унитарное предприятие «Космическая связь». Это одно из десяти самых крупных спутниковых операторов в мире, с собственным центром компрессии телепрограмм. Кроме того, оно обеспечивает мультиплексирование цифровых потоков, формирует пакеты федеральных программ теле- и радиовещания.
Космическая составляющая
Предприятие состоит из орбитальной группировки из 12 спутников всех диапазонов. Зоной обслуживания спутников является вся территория России, СНГ, Европы, Африки и Ближнего Востока, Австралия, Северная и Южная Америки, а также Азиатско-Тихоокеанского региона. Орбитальное расположение космических аппаратов на дуге орбиты – от 14° западной долготы до 145° восточной долготы.
Земная компонента
Инфраструктура, которая находится на земле, - это пять центров космической связи. Расположены они по всей территории России. В своей деятельности предприятие руководствуется Федеральной целевой программой развития телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2018 годы. Спектр предоставляемых услуг очень широк:
- управление, космическая связь и мониторинг космических структур и аппаратов;
- связь и вещание (теле- и радиовещание, цифровое и спутниковое телевидение) для 52 стран;
- правительственная и президентская связь;
- магистральная и морская связь.
Системы космической связи
Передача информации по каналу Земля – космический спутник и обратно осуществляется различными способами. В космосе используются телеметрические, телефонные, телеграфные, телевизионные системы. Наиболее популярна система радиосвязи. Основные отличительные черты космической связи с летательными космическими объектами следующие:
- постоянно меняющееся положение космических летательных аппаратов;
- непрерывное изменение частоты сигнала на приеме;
- ограниченные зоны прямой видимости с наземными пунктами связи;
- ограничения мощности передатчиков, расположенных на космических летательных аппаратах;
- огромная дальность связи.
Развитие космической связи
Всем известно, что первая связь с человеком в космосе осуществилась 12 апреля 1961 года. Космонавтом был Юрий Гагарин, на протяжении всего его полета поддерживалась устойчивая двусторонняя телефонно-телеграфная связь Земли и космического корабля «Восток» в диапазоне метровых и декаметровых волн.
В дальнейшем космическая связь с землей усовершенствовалась, и уже в августе 1961 года во время полета космонавта Г.С. Титова появилось с уменьшенным до 10 кадров в секунду телевизионное изображение. Сегодня применяются телевизионные системы обычного стандарта, а дальность связи достигает 350 миллионов километров (при полетах на Марс).
Технологическая и экономическая составляющая
Срок службы спутника на орбите составляет около 15 лет. За это время происходит развитие новых технологий связи. Один спутник с выводом на орбиту стоит до 230 миллионов долларов и задача владельца – это запустить и эффективно использовать его как объект аренды. В России всего две крупные корпорации, которые могут себе позволить иметь спутник на геостационарной орбите – ФГУП «Космическая связь» и ОАО «Газпром космические системы».
Проблемы коротких волн
Радиосвязь с космическими объектами и самолетами, находящимися на расстояниях более 1 000 километров, ведется в коротковолновом диапазоне. Но в современном мире этого диапазона уже не хватает. Причины такого положения следующие:
- в коротковолновом диапазоне без значительных помех могут работать порядка тысячи радиостанций, а их сегодня работает в разы больше.
- Все возрастающий уровень помех требует использования более мощных передатчиков.
- Принципиальный дефект такого диапазона – многолучевое распространение волн и эффект замирания сигнала в точке приема. Это делает практически невозможной связь в этом диапазоне не очень больших расстояниях.
Ультракороткий волновой диапазон менее загружен, но прием осуществляется только в зоне видимости.
Выход – спутники
Именно наличие ретранслятора сигнала в космосе, а именно на спутниках, дает перспективы и открывает новые возможности для развития космической связи. Она сможет обеспечить надежную связь с удаленными объектами в космосе и покрыть поверхность планеты надежной радио- и телевизионной магистральной сеткой. На спутниках могут быть установлены активные и пассивные ретрансляторы сигнала, а сами спутники могут быть как стационарные (неподвижные относительно Земли), так и летающие на низких орбитах.
fb.ru
Космическая связь – Журнал "Все о Космосе"
👁 505
4,8-метровая антенна станции «Галилео» не раскрылась в полете. Все 8 лет работы в системе Юпитера станцию связывал с Землей ненаправленный канал со скоростью лишь 160 бит/с вместо ожидавшихся 134 Кбит/с
Космическая радиосвязь зависит от множества различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров бортовой и наземной антенн, длины волны, качества приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения космического аппарата.
Тонна – киловатт – кубометр
Принцип действия радиосвязи состоит в том, что колебания тока в антенне передатчика создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые, двигаясь со скоростью света, достигают антенны приемника и возбуждают в ней переменный электрический ток. Этот наведенный ток очень слаб, но если настроить приемник точно в резонанс с частотой радиоволны, то даже слабое ее воздействие может раскачать в антенне вполне заметные колебания. Затем их усиливают, анализируют и извлекают переданную информацию.
Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров. За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10—30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне.
Приемник не улавливает радиоволны, если они слабее его порога чувствительности. Между тем энергия электромагнитных волн падает как квадрат пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, переданный с Луны, а с Плутона — еще в тысячу раз слабее. У инженеров есть несколько способов удержать радиосигнал выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный — увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать — антенны системы дальней космической связи NASA излучают в космос до полумегаватта энергии. А вот на космическом аппарате бюджет энергии жестко ограничен. Ее вырабатывают либо солнечные батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения большей мощности надо увеличивать их массу. При этом растут также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена возможностями ракеты-носителя, а увеличить же массу отдельной системы за счет других чаще всего невозможно.
Космические аппараты — это очень гармоничные технические комплексы, где все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно изменить одну систему, не повлияв на параметры других. Сегодня для спутников существует эмпирическая формула: «1 кг, 1 Вт, 1 литр», которая означает, что объем спутника массой в 1 тонну составит около 1 кубометра, а его система энергопитания способна достичь мощности 1 киловатт. К примеру, мощность передатчиков радиолюбительских спутников составляет всего несколько ватт, а современные телекоммуникационные аппараты на геостационарной орбите могут иметь передатчики мощностью несколько киловатт, что позволяет принимать их сигнал небольшими «тарелками» спутникового телевидения.
Если увеличить размер приемной антенны, то можно собрать больше энергии электромагнитной волны и поймать сигнал более слабого передатчика. В космосе размеры антенн обычно не превышают габаритов обтекателя ракеты-носителя, то есть нескольких метров. Хотя в последнее время инженеры научились обходить это ограничение — антенны все чаще делают разворачиваемыми. Например, аппараты «Турая» (Thuraya), поддерживающие мобильную спутниковую связь, оснащены 12-метровой антенной, которая разворачивается как зонтик из первоначальной компактной укладки. На Земле для дальней космической связи используются параболические антенны диаметром до 70 метров. Это уже близко к пределу — современные конструкционные материалы не позволяют создавать на поверхности Земли намного более крупные подвижные антенны, поскольку они деформируются под собственной тяжестью. В будущем их местом станет околоземная орбита. В невесомости гигантская космическая антенна может быть постепенно собрана из очень легких ажурных элементов.
Критическое звено
Размер антенны важен и еще по одной причине: чем он больше, тем меньше расходится в пространстве пучок радиоволн. Обычная дипольная антенна, как у походной рации, излучает почти одинаково во все стороны, и большая часть энергии теряется зря. Трехметровая параболическая антенна позволяет зажать пучок радиоволн сантиметрового диапазона в пределах угла порядка одного градуса, что дает выигрыш в мощности в десятки тысяч раз. Но при этом возникает необходимость точно нацеливать антенну на Землю. Если откажет система ориентации, связь с аппаратом прервется. Именно так погибла советская межпланетная станция «Фобос-1». В 1989 году на подлете к Марсу она получила неверную команду с Земли, в результате чего произошел сбой в работе бортового компьютера, аппарат потерял ориентацию, солнечные батареи отвернулись от Солнца, а параболическая антенна — от Земли. Операторы безуспешно пытались наладить контакт со станцией.
Таким образом, связь — это критическое звено во всех межпланетных миссиях. Отказ других систем часто удается обойти, пусть иногда и ценой потери части научных данных. Но если рвется связь с Землей, то даже исправный в остальных отношениях аппарат фактически перестает для нас существовать. Поэтому коммуникационная система должна быть исключительно надежна и на всех современных космических аппаратах она как минимум продублирована. При сбоях, которые в большинстве случаев приводят к потере ориентации аппарата или его переводу в режим закрутки, низкоскоростная система связи через всенаправленную антенну передаст на Землю параметры состояния бортовых систем и обеспечит прием команд управления. Когда работоспособность аппарата будет восстановлена, связь пойдет через быстрый канал передачи информации.
Впрочем, ненаправленная антенна используется не только при нештатных ситуациях. Во время длительных межпланетных перелетов, когда станция пребывает в «спящем» режиме, поддерживать связь по высокоскоростному каналу невыгодно — информации мало, а сохранение точной ориентации требует пусть и небольшого, но постоянного расхода топлива. С другой стороны, в сложных межпланетных миссиях к ориентации аппарата могут предъявляться многочисленные противоречивые требования: повернуть солнечные батареи к свету, двигатель — соответственно производимому маневру, научную аппаратуру — на изучаемый объект. А если надо еще, например, правильно сориентировать отделяющийся спускаемый аппарат или защитный экран, предохраняющий от воздействия космической пыли, то связь по узконаправленному каналу в какие-то моменты приходится разрывать. В это время научные данные записываются в память бортового компьютера, а по медленному резервному каналу связи передается только жизненно важная телеметрическая информация. Если в нужный момент аппарат не сможет сам восстановить быстрый канал связи, ему помогут с Земли, отправив нужные команды, используя низкоскоростной канал.
Хорошим примером может служить японский исследовательский зонд «Хаябуса» (Hayabusa), взявший в ноябре 2005 года пробы грунта с астероида Итокава. Из-за ошибок в навигации он совершил незапланированную посадку на поверхность астероида. После взлета вышла из строя система ориентации и существовала реальная опасность потерять аппарат. Однако многократно резервированная и гибкая система связи, имеющая несколько типов антенн и передатчиков, позволила восстановить связь с межпланетной станцией. Вместо отказавшей системы ориентации (из нее испарилось топливо) инженеры решили использовать для поворотов зонда ксенон (рабочее тело маршевого ионного двигателя), понемногу стравливая его через клапаны, — выполнение задания продолжилось.
Другой пример — европейский зонд «Гюйгенс», который в январе 2005 года совершил посадку на поверхность спутника Сатурна — Титана. У аппарата имелось два независимых канала связи для параллельной передачи на разных частотах уникальных снимков и другой информации, получаемой в ходе спуска в атмосфере Титана. Первоначально планировалось, что эти каналы будут для надежности полностью дублировать друг друга, но потом их решили использовать независимо, чтобы увеличить объем получаемой информации. Однако жадность до добра не доводит — из-за ошибки в программе управления один из каналов просто не включился. В результате пропала половина из 700 сделанных снимков, а также данные о скорости ветра в атмосфере спутника. Конечно, и полученных снимков хватило, чтобы сделать множество открытий, а данные о ветре удалось восстановить с помощью земных радиоастрономических сетей благодаря уникальной наблюдательной кооперации. Но только подумайте, что бы случилось, будь отказавший канал связи единственным!
Шум и скорость
Главный параметр любой системы связи — скорость передачи информации. Она определяется не столько мощностью сигнала, сколько соотношением его амплитуды с шумами, которые мешают приему. Шум возникает в аппаратуре приемника и передатчика из-за теплового движения атомов. А в космическом радиоэфире «шумит» реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Собственно, его и открыли в 1964 году случайно, в попытках избавиться от непонятного шума в новой антенне, на которой изучались возможности космической связи.
Шум отфильтровывается статистически за счет его случайного характера. Он равновероятно вызывает в антенне движение тока то в одну, то в другую сторону. В среднем за длительное время его вклад будет нулевым. Но чем слабее сигнал по отношению к шуму, тем дольше нужно вести прием и осреднение, чтобы отфильтровать шум. Сегодня космическая информация передается в цифровом виде, то есть последовательностями нулей и единиц — битов. Чем хуже отношение сигнал/шум, тем больше времени уходит на передачу каждого бита. Если попытаться форсировать передачу, сообщения станут приниматься с ошибками. Поэтому, чем дальше от нас находится аппарат, чем слабее его сигнал, тем медленнее идет с ним обмен информацией.
Впрочем, ошибки с некоторой вероятностью возникают при любой скорости передачи. Причиной могут быть редкие сильные флуктуации шума, сбои аппаратуры, но чаще всего — помехи от посторонних источников, например, от статических микроразрядов в аппаратуре, радиоизлучения молний, земных радиопередатчиков. Сломанная микроволновая печь в окрестностях приемной антенны сойдет в радиоэфире за сигнал внеземной цивилизации. Чтобы избавиться от длительных помех, передачу информации дублируют на разных частотах. А от коротких импульсных помех, которые искажают несколько битов в передаче, спасают особые методы кодирования, позволяющие выявлять и даже автоматически исправлять ошибки.
При проектировании системы космической связи также необходимо принимать во внимание скорость движения аппарата. От нее зависит доплеровский сдвиг частоты радиосигнала. Вариации скорости относительно Земли в некоторых случаях, например при полете к быстро движущемуся по своей орбите Меркурию, могут достигать 100 км/с — это три сотых процента скорости света. На столько же смещаются и частоты сигналов. Если этот эффект не учесть, приемный контур может не попасть в резонанс с несущей частотой передатчика, и его чувствительность резко упадет. Вместе с тем по доплеровскому сдвигу частоты сигнала можно с высокой точностью определить скорость движения космического аппарата вдоль луча зрения. Поэтому системы связи широко используются для контроля точности выполняемых в космосе маневров. И, кстати, скорости дующих на спутнике Сатурна ветров удалось определить именно по изменению частоты ультрастабильного передатчика зонда «Гюйгенс» во время его парашютного снижения в атмосфере Титана.
Интеллект против расстояний
Специфическая проблема в управлении космическими аппаратами связана с задержкой распространения радиоволн на огромных межпланетных расстояниях. Обмен сигналами с Луной занимает больше 2 секунд. Сможете ли вы проехать даже по хорошо знакомой местности, если дорогу будете видеть с задержкой на секунду, а на повороты руля машина станет реагировать еще через секунду? Между тем именно в таких условиях шло управление с Земли советскими «Луноходами». До Марса радиосигнал идет от 3 до 22 минут в зависимости от положения планеты на орбите. При такой задержке невозможно оперативно вмешаться с Земли в такие ответственные этапы миссии, как коррекция траектории полета, выход аппарата на орбиту вокруг планеты, его вхождение в атмосферу, да и движением по поверхности управлять непросто. Поэтому межпланетные аппараты становятся все более интеллектуальными и независимыми от контроля с Земли. Например, одной из основных задач зонда «Хаябуса» была отработка методов автономной навигации с использованием ионных двигателей.
Очень «умными» являются работающие на Марсе американские планетоходы Opportunity и Spirit. В отличие от советских «Луноходов», управление которыми осуществлялось оператором с Земли практически в режиме реального времени, на борт марсоходов обычно отправляют только координаты цели, куда они должны добраться. Бортовой компьютер, обработав стереоскопические снимки местности, самостоятельно оценивает размер валунов, расстояние между ними, наклон поверхности и по этим данным прокладывает путь. Прошлым летом специалисты NASA обновили программное обеспечение марсоходов — залили новую прошивку, говорят компьютерщики. Это повысило их автономность. Кроме того, чтобы не перегружать канал связи, марсоходы теперь сами оценивают, насколько интересны сделанные снимки, и определяют какие из них и в какой очередности передавать на Землю.
Межпланетный интернет
Небольшие планетоходы и спускаемые аппараты неудобно, а иногда и невозможно оснащать полноценной системой дальней космической связи. На них просто негде поместить направленную антенну, да и удерживать направление на Землю при спуске в атмосфере или езде по незнакомой поверхности почти невозможно. В таких случаях сигналы передаются ненаправленной антенной и ретранслируются на Землю находящимся поблизости более мощным аппаратом. По такой схеме работали, например, советские станции «Венера». Европейский зонд «Гюйгенс» ретранслировал сигнал через американскую станцию «Кассини», которая доставила его к Титану. Работа с марсоходами Opportunity и Spirit на 85% осуществляется через орбитальный аппарат «Марс Одиссей» (остальное — напрямую через медленную ненаправленную антенну). Все это напоминает организацию беспроводных систем связи на Земле: сотовый телефон или ноутбук с поддержкой Wi-Fi связывается с базовой станцией, а уже оттуда становится доступна вся инфраструктура связи.
Последние несколько лет специалисты NASA работают над внедрением в космических проектах единого протокола передачи данных, который позволит разнотипным аппаратам свободно обмениваться между собой информацией. Унификация должна значительно повысить надежность связи при активном освоении Луны и Марса. Например, при сбое на одном орбитальном ретрансляторе находящийся на поверхности аппарат сможет оперативно подключиться к другому. Да и просто наличие на орбите нескольких коммуникационных аппаратов позволит непрерывно поддерживать быструю связь с Землей, тогда как сейчас она ограничена лишь теми периодами, когда спутник-ретранслятор виден над горизонтом.
Многие специалисты склоняются к тому, чтобы новым универсальным форматом или его прототипом стал отлично зарекомендовавший себя в компьютерных сетях протокол TCP/IP, который лежит в основе Интернета. Так что, возможно, мы в скором времени станем свидетелями распространения Интернета на межпланетные просторы. Впрочем, на первых порах неавторизованные пользователи вряд ли смогут зайти на лунный или марсианский веб-сервер, чтобы скачать там свежие снимки, сделанные планетоходами, или посмотреть на окружающий ландшафт через космическую веб-камеру. Все же пропускная способность межпланетных каналов пока слишком мала для таких развлечений.
Главной проблемой космического интернета остаются задержки с доставкой информационных пакетов. Даже при обычном выходе в Интернет через спутник сигналу надо пройти 72 тысячи километров — до геостационарной орбиты и обратно, что занимает около четверти секунды. Добавьте такую же задержку при ответе, и станет ясно, что по спутниковому интернету вы вряд ли сможете поиграть в динамичные игры-шутеры. Что же касается межпланетных расстояний, то здесь стандартные протоколы Интернета, в том виде, в каком они используются в наземных линиях, вообще не годятся. В них не предусмотрена возможность получасового ожидания ответа сервера. Большинство программ просто диагностирует ошибку тайм-аута — недопустимое время ожидания, говорящее о потере связи. В NASA уже несколько лет трудятся над модернизированными протоколами связи, учитывающими специфику межпланетного интернета. Некоторые из протоколов межпланетный интернета уже работают на борту марсоходов Spirit и Opportunity, другие еще «доводятся» на Земле.
За пределы солнечной системы
Сегодня коммуникационные возможности человечества ограничены Солнечной системой. На межзвездных расстояниях для связи с аппаратом класса «Вояджер» мощность наземного передатчика должна составлять миллиарды киловатт, что сравнимо с общим производством электроэнергии на Земле. Менее прожорливой межзвездную связь могут сделать антенны диаметром несколько километров. Такие масштабные конструкции, скорее всего, будут строиться и размещаться на орбите. Подобные решения кажутся фантастическими, но нереальными их назвать нельзя. Человечество уже учится создавать в космосе сборные крупногабаритные конструкции. Например, размеры строящейся на орбите Международной космической станции приближаются к сотне метров. И все же самой большой проблемой для связи на межзвездных расстояниях будет оставаться время путешествия сигнала. Даже до ближайшей к Солнцу звезды сигнал дойдет только через 4,2 года после отправки, и еще столько же времени придется ждать ответа.
Связь с космическими аппаратами
А пока попытки межзвездной связи остаются односторонними, в их числе нельзя не упомянуть эксперимент с почтовой связью. На обоих «Вояджерах» помещены медные позолоченные диски диаметром около 30 сантиметров, на которых записаны звуки и изображения, дающие представление о жизни на Земле. Простые диаграммы на поверхности диска символически показывают происхождение космического аппарата и дают инструкции, как проигрывать диск. Правда, межзвездная почта работает небыстро, доставка посылок в другую планетную систему займет минимум 40 тысяч лет.
Источник
Журнал "Все о Космосе" рекомендует:
aboutspacejornal.net
Вопросы и ответы о связи и технике в космосе. Часть 1 / Блог компании ИТ-ГРАД / Хабр
Поэтому узнать, как устроена жизнь космонавтов на орбите или какие технологии используются за пределами нашей планеты, может каждый. Мы решили найти ответы на несколько интересных вопросов о связи, гаджетах и коммуникациях в космосе.
/ Flickr / NASA Goddard Space Flight Center (вид из российского сегмента МКС) / CC
Как космонавты на МКС выходят в сеть?
Раньше у космонавтов не было возможности подключаться к интернету напрямую. Все публикации в Twitter, например, делались с Земли: сообщения с МКС передавались через нисходящие линии связи в центр управления полётами, где их уже размещали в профилях космонавтов.В январе 2010 года на станции появилась сеть Crew Support LAN, и соединение стало осуществляться через орбитальный телекоммуникационный спутник. Еще один способ выхода в интернет — удаленный доступ к компьютеру на Земле. Первый космический твит был опубликован американским астронавтом Тимом Кримером (Tim Krimer).
До сих пор основным способом связи с МКС остается радио. Преимущества очевидны — не требуется никакого специального оборудования (только антенна и передатчик), и атмосфера не блокирует радиоволны (подробнее тут). Для передачи информации в космос используется Ku- (12-18 ГГц) и S-диапазон (2-4 ГГц). Сигнал направляется на спутник, который перенаправляет его в сторону МКС, где его принимают с помощью антенны, а затем на компьютер загружается, например, электронное письмо.
На российских сегментах станции существует своя, отдельная система радиосвязи «Лира» и спутниковая система ретрансляции данных «Луч». Уже в следующем году она сможет заменить американскую систему связи, которую российские космонавты вынуждены использовать сегодня. Правда, скорость радиосвязи, которая зависит от расстояния, оставляет желать лучшего.
И в 2015 году астронавты все еще не были довольны качеством связи. Например, Скотт Келли (Scott Kelly) пожаловался на своей страничке в Twitter на скорость интернета, которая еще медленнее, чем когда-то была на Земле при доступе через модем. Но представитель НАСА Дэн Хуот (Dan Huot) не согласен с такой характеристикой связи. Он считает, что скорость соединения на борту достаточно хорошая, а главное ширина канала позволяет отправлять гигабайты видеофайлов каждый день, не перегружая систему. Кроме того, в свободное время астронавты могут даже смотреть онлайн-трансляции.
Но технологии не стоят на месте и сегодня уже есть более быстрый способ передачи данных — DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking, архитектура сетей, устойчивых к задержкам и частым обрывам связи). В 1990-х к разработке технологии подключилось НАСА совместно с Google, а этим летом система была установлена на МКС.
DTN использует подход Store-and-forward, который дает возможность сохранять пакеты при потери возможности их передачи получателю. После получения надежного маршрута для доставки, передача данных возобновляется. Причем, хранение служебных данных производится в произвольных блоках, а не в заголовке пакета. Неплохая аналогия с грузоперевозками приведена в вики.
Как можно связаться с космонавтами?
Многие космонавты ведут странички в социальных сетях, где с ними можно даже пообщаться, задать интересующие вопросы и просто узнать об их работе. Некоторые из них прямо сейчас находятся на МКС. Среди них — Роберт Шейн Кимброу (Shane Kimborough) — публикует свежие фотографии Земли и рассказывает о своей деятельности. Например, несколько недель назад он сажал на станции салат-латук. Джефф Уильямс (Jeff Williams) побывал на МКС чуть раньше в этом году, и на его страничке в Instagram представлена коллекция завораживающих снимков и даже несколько коротких видео. А американский астронавт Рейд Вайзман (Reid Wiseman) вообще специализировался на вайнах. Если пролистать его страничку (до ноября 2014), можно найти видео с нашей планетой в главной роли, увидеть млечный путь и понаблюдать за космическими экспериментами на борту.Российский космонавт Олег Артемьев вернулся с МКС в 2014 году, но продолжает делиться с подписчиками потрясающими фотографиями разных частей Земли и облачных пейзажей. В фотоблоге Сергея Рязанского можно найти красивые снимки разных городов с его последнего полета в 2013 и посмотреть, как проходит подготовка к новым космическим путешествиям. А Сергей Волков во время своего пребывания на орбите в феврале этого года подробно рассказывал о работе на станции, записывал видео и делился интересными фотографиями: Эльбрус, Египетские пирамиды и даже выход в открытый космос.
Однако для астронавтов и космонавтов важнее контакта с подписчиками, безусловно, является общение с родными и друзьями. Благодаря современным технологиям выходить на связь можно намного чаще и без посредников. Например, организация неофициальных видео-конференций, по мнению НАСА, положительно влияет на состояние экипажа во время полета и помогает преодолеть чувство одиночества. Психолог Джэк Стастер (Jack Stuster), изучающий воздействие изоляции на психику, провел интересный эксперимент — он изучил записи, сделанные астронавтами во время полета, чтобы оценить их состояние.
Как выяснилось, один из первых счастливчиков, который использовал такие новые технологии, считал это общение не только благом, но и «проклятием» (см. пункт 4 в источнике). Связь часто мешала: земные новости и сплетни не давали сосредоточиться на работе, а ответа порой приходилось ждать по нескольку дней, и казалось, что время тянется намного дольше.
Какими гаджеты пользуются космонавты?
Телефоны, плееры, планшеты и другие устройства помимо функции связи, создают более домашнюю и психологически комфортную атмосферу на МКС. Многие астронавты ведут блоги и берут с собой фотоаппараты последних моделей. В июне 2012 НАСА впервые отправило на орбиту несколько iPhone 4s для проведения исследований с помощью специально созданных приложений.Компания Odyssey Space Research как раз разработала программу SpaceLab, которая могла использоваться для бэкапов и восстановления состояния навигационной системы. Брайан Ришикоф (Brian Rishikof), генеральный директор компании, говорит, что целью проекта было доказать, что устройство стоимостью $500 с удобным и понятным интерфейсом может легко заменить дорогостоящее аппаратное обеспечение космической станции.
Но, конечно, попасть на борт могут только сертифицированные устройства, прошедшие тщательную проверку и полностью безопасные. Например, должен использоваться определенный тип батареи и нетоксичный пластик. Сегодня на МКС находится 100 ноутбуков на всего шесть членов команды. (Подробнее — в интервью с представителем НАСА, ответственным за оборудование в разделах «Spaceman on a space LAN», «The rise of phones and tablets»). 20% из них являются запасными — своими силами астронавты не всегда могут справиться с поломками. 15 используются для управления системой космического летающего аппарата, а 30 – для ежедневных задач, хранения данных и инструкций.
У смартфонов на борту, представленных iPhone и Android Nexus 5, своя функция — с помощью программы SPHERES с них можно управлять летающими дронами, которые выполняют некоторые слишком опасные или, наоборот, рутинные обязанности вместо членов экипажа. Кроме того, НАСА обеспечивает всех участников миссий планшетами: несколько поколений iPad, в том числе iPad Air 2, и несколько Microsoft Surface Pro 3. Планшеты нужны для проведения экспериментов, записи информации, развлечения и общения с семьей.
Если предположить, что в будущем попасть в космос смогут не только специально подготовленные космонавты, но и обычные люди (в виде космических туристов), а география путешествий существенно расширится, то следует задуматься о гаджетах, которые в этом случае понадобятся. Шотландский производитель виски в 2015 году совместно с агентством космических технологий Open Space разработали специальный «космический стакан», который «работает» даже в условиях невесомости. Команда Open Space попыталась предложить альтернативный сценарий развития космических гаджетов.
Причины, по которым современные смартфоны не подойдут для космических путешествий будущего — быстрая потеря заряда батареи в условиях небольшой гравитации и невозможность земных материалов переносить резкие перепады температуры от -270 до 120 градусов по Цельсию. Поэтому смартфон должен стать голографическим: он сможет материализоваться из воздуха, но при этом отвечать на прикосновения. Так пользователи смогут оставаться на связи с друзьями, оставшимися на Земле, добавить реальных впечатлений во время игры в «Космических захватчиков» и обновлять список лучших межпланетных ресторанов.
P.S. Во второй части нашего рассказа мы обсудим, почему земное оборудование бывает непригодно для использования в космосе и как организовать межпланетный интернет.
О чем еще мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS:
И в нашем блоге на Хабре:habr.com
Космическая связь | Журнал Популярная Механика
Ближе к звездам
Главный центр разведки космической обстановки войск воздушно-космической обороны РФ действует круглосуточно и производит около 70 000 измерений в день. В его каталоге около 10 000 объектов — от МКС до наноспутников и мелких фрагментов «космического мусора». Данные поступают в Центр как от собственных средств, так и от других служб, ведущих наблюдение за небом. Среди них первым делом стоит отметить систему предупреждения о ракетном нападении (СПРН), включающую в себя РЛС «Воронеж», «Волга», «Днепр», «Дарьял». Также в Центр приходит информация от радиолокационных средств позиционного района ПРО, созданного вокруг Москвы, — к ним относятся РЛС «Дон-2Н» и «Дунай-3У». Используются данные со станций слежения за космическим пространством, построенных на базе квантово-оптической системы «Сажень-Т». Она представляет собой телескоп, оснащенный оборудованием для лазерных измерений наклонной дальности и угловых координат по отраженному солнечному излучению. Центр получает информацию и от учреждений Российской академии наук.
Чем больше всевозможных технических средств находится в распоряжении войск воздушно-космической обороны РФ, тем больше информации о космической обстановке можно получить в реальном времени. Главный центр РКО использует данные не только собственных средств, но и РЛС системы предупреждения о ракетном нападении. На фото строительство загоризонтной РЛС нового поколения типа «Воронеж-М».
Собственные средства Главного центра РКО — инструменты оптические, радиолокационные, а также радиотехнические, которые позволяют прослушивать космос в пассивном режиме. Оптические и радиолокационные средства дают возможность прежде всего следить за перемещениями объектов на околоземных орбитах, а радиотехнические помогают узнать нечто о функционировании космических аппаратов.
«Благодаря радиотехническим средствам, — говорит начальник Центра полковник Александр Логвиненко, — мы можем судить о состоянии космического аппарата — включен он или выключен. Предположим, официальные инстанции некоего государства объявляют: такой-то спутник выведен в резерв. Мы слушаем его в радиодиапазоне, и оказывается, что аппарат включен на полную мощность. Значит, нам что-то недоговаривают».
Уникальный радиотехнический комплекс «Момент», работающий в интересах Центра, расположен здесь же, в Подмосковье, а вот оптические и радиолокационные средства, нацеленные на экваториальную область (орбита любого космического аппарата неизбежно проходит через экватор), стоят ближе к югу, в горах, где ночами темное небо, редко бывают дожди и воздух необыкновенно прозрачен. Один из комплексов оптического и радиолокационного наблюдения расположен в Карачаево-Черкесии, в районе станицы Зеленчукская. Установленное здесь оборудование позволяет вести наблюдение за небом в оптическом диапазоне даже при свете дня. Другой комплекс работает на Памире в районе города Нурек (Таджикистан). После распада СССР объект перешел в собственность нового независимого государства, однако с 2005 года станции и командный пункт переданы России, а земля под ними сдается российским военным за символическую арендную плату.
Конечно, для повышения эффективности работы Центра количество и географию средств наблюдения необходимо расширять. Ведь чем больше секторов неба находится под наблюдением, тем чаще в их поле зрения попадает тот или иной космический аппарат. Как рассказал полковник Логвиненко, в период до 2020 года специалисты по разведке космической обстановки рассчитывают получить более компактные и эффективные квантово-оптические инструменты. Цепь таких станций протянется через всю страну от Калининграда до Находки. С их помощью можно будет смотреть вглубь космоса не на 40 000 км, как сейчас, а на 70−80 тысяч.
На боевом дежурстве
Командный пункт Главного центра разведки космической обстановки похож на центр управления полетами в миниатюре. Те же сосредоточенные лица людей за мониторами, те же большие экраны на стене: на них показаны траектории космических аппаратов. Работа здесь идет семь дней в неделю и 24 часа в сутки, но это не означает, разумеется, что ежесекундно каждый космический объект размером больше футбольного мяча находится под пристальным вниманием. Обычно офицерам Центра выдается задание отследить передвижения каких-то конкретных объектов, интересующих те или иные инстанции. Это могут быть иностранные разведывательные аппараты или ракетно-космические эксперименты Северной Кореи. Отдельный интерес представляет бурно развивающаяся китайская космическая программа.
Правда, есть объект, который находится под постоянным контролем. Это Международная космическая станция. Чтобы не подвергать риску экипажи МКС, необходимо своевременно обнаруживать угрозы станции со стороны «космического мусора» и выдавать рекомендации по корректировке ее траектории. По‑настоящему серьезные угрозы возникают не так часто (примерно раз в несколько месяцев), однако права на ошибку у «космических разведчиков» нет. В частности, в прошлом году всерьез рассматривался вариант экстренной эвакуации экипажа с МКС ввиду вероятного столкновения станции с фрагментом отработанной ракетной техники. Однако специалистами Центра были проведены расчеты, которые показали: станция в безопасности, столкновения не будет. Бывают и курьезные случаи. Однажды средства наблюдения обнаружили вблизи МКС объект непонятного происхождения. Он возник как бы ниоткуда, его приближения к станции никто не заметил. Вскоре эту тайну удалось разгадать: в роли НЛО выступил ящик, потерянный космонавтами во время работ в открытом космосе. Из-за разницы масс орбиты станции и ящика слегка разошлись, и оба объекта продолжили полет на некотором расстоянии друг от друга.
www.popmech.ru
Как устроена космическая связь - Как это сделано, как это работает, как это устроено
Сегодня в kak_eto_sdelano специальный репортаж о том, как устроена самая крупная в России станция космической связи.
Центр космической связи "Дубна" был введен в эксплуатацию в 1980 году и приурочен к московской олимпиаде 1980г., для обеспечения трансляции игр на страны Европы и Атлантического региона. После олимпийских игр ЦКС стал использоваться как объект правительственной связи Кремля с руководством других стран.
Много интересного об этом объекте нам рассказал Александр Петрович Дука - директор ЦКС "Дубна". Кроме этой станции, в России функционирует еще 4 подобные (всего 5), но не такие крупные. Все они входят в ФГУП "Космическая связь". Центр космической связи обеспечивает работу спутниковых каналов связи и телерадиовещания.
Всего в систему космической связи входят
- 24 приемо-передающих земных станций спутниковой связи с антенными системами от 2,4 до 32 метров. 27 приёмо-передающих земных станций для обеспечения телеметрии и телеуправления космическими аппаратами ГП КС, "Еutelsat", "ABS";
- 11 измерительных и мониторинговых наземных станций для для проведения орбитальных испытаний, предоставления доступа земных станций к космическому сегменту и мониторинга загрузки спутниковых транспондеров западной дуги ГП КС, "Еutelsat", "ABS";
- 2 независимые опто-волоконные линии связи емкостью 20 Гбит/c (каждая) работают в режиме резервирования друг друга и обеспечивают надежную связь объекта с Техническим центром "Шаболовка" ГП КС. Они позволяют связать ЦКС "Дубна" практически с любым оператором связи Москвы;
- 4 высоковольтных фидера (2 х 10 кВ и 2 х 6 кВ) обеспечивающие резервируемое энергопитание объекта. Для надежной работы технологического оборудования в ЦКС реализована система бесперебойного электропитания общей мощностью 700 КВА. В случае форс-мажорных обстоятельств электроснабжение объекта может быть обеспечено от автономной дизельной электростанции общей мощностью 1800 КВА.
Как было выше сказано, комплекс имеет 24 станции спутниковой связи с антенными системами от 2,4 до 32 метров, которые позволяют организовывать каналы передачи через российские и зарубежные спутники связи. Так как с земли невозможно объять все антенны в один кадр, пришлось украсть фото у sergeydolya на котором все видно достаточно подробно.
ГКС также принадлежит самая крупная в России орбитальная группировка из 13 геостационарных спутников, работающих в С-, Ku-, Ка- и L- диапазонах. Зоны обслуживания космических аппаратов ГПКС, расположенных на дуге орбиты от 14° з.д. до 145° в.д., охватывают всю территорию России, страны СНГ, Европы, Ближнего Востока, Африки, Азиатско-Тихоокеанского региона, Северной и Южной Америки, Австралии.
Вещание происходит с транспондера, который находится на спутнике. На одном спутнике может находится 40-60 транспондеров. Большинство из них находятся над экватором на высоте 35 786 км. Поэтому спутниковые антенны в Северном полушарии устанавливают в южном направлении.
Зеркало, которое все неправильно называют тарелкой, собирает сигнал, приходящий со спутников, концентрирует его и отражает на приемник-передатчик, который расположен над плоскостью зеркала.
При высоте орбиты спутников 35 786 км. путь луча от Земли требует около 0,12 секунды, а ход луча земля-спутник-земля занимает примерно 0,24 секунды. При этом полная реальная задержка при использовании спутниковой связи составит почти полсекунды.
Обратите внимание на табличку.
Срок службы одного спутника составляет 15 лет. Этого времени вполне хватает на работу и обеспечение разивающихся за это время технологий спутниковой связи. Потом спутник устаревает, и на его замену приходит новый. Спутники очень дорогие, 190-230 млн. долларов стоит постройка и вывод спутника на геостационарную орбиту.
Основная задача владельца спутника: построить, запустить и сдавать в аренду потребителям его частотный диапазон.
В качестве владельца выступают крупные организации (компании с огромными финансовыми возможностями и сильной инфраструктурой). В России таких организаций всего две: (ОАО “Газпром космические системы” и ФГУП “Космическая связь”), которые заказывают постройку, финансируют производственный процесс и производят запуск самих спутников на геостационарную орбиту. Дальше обеспечивают повседневную эксплуатацию (коррекцию положения спутника на орбите, мониторинг и управление работой бортового оборудования).
Далее мы идем в здание, где находятся компьютеры, которые работают со своими космическими аппаратами, обрабатывают сигналы и сюда идёт постоянный приём телеметрии.
Я знаю, что среди вас есть специалисты по космической связи, здесь все в порядке?
Территория ГКС усеяна спутниковыми тарелками всех размеров.
Есть даже вот такой необычной формы.
А это самая большая тарелка - 32 м. в диаметре. Внушительный размер.
Как нам рассказали, спутниковое телевидение в России очень актуально, что можно заметить, если проехаться на машине вдоль городов или деревень, на домах которых зачастую стоят ржавые тарелки "Триколора". Прокладывать кабели в отдаленные места довольно дорого и нерентабельно, а в районах вечной мерзлоты они на вес золота, тут следует учитывать, что и кабели не вечны.
В конце экскурсии попадаем в главный центр управления.
Здесь находятся сервера компании и множество мониторов, по картинкам на которых специалисты отслеживают качество передачи сигналов.
Теперь и вы знаете, как устроена космическая связь, спасибо что дочитали этот пост!Отдельная благодарность "Триколору", которая провела эту экскурсию по ЦКС в честь своего 10-летия. С 15 ноября у них заработало вещание двух каналов в формате "4K Ultra HD" разрешением 3840×2160 (для сравнения, HD-формат - 1920х1080).
И на прощанье мое фото с тарелочкой на ладошке. Правда оригинально?)
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected]) Лера Волкова ([email protected]) и Саша Кукса ([email protected]) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://bigpicture.ru/ и http://ikaketosdelano.ru
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс, где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.
Жми на иконку и подписывайся! 
kak-eto-sdelano.livejournal.com
