火星への呼び出し：NASAがCuriosityと通信する方法

それでは、どのようにして火星にあるローバーと連絡を取ることができますか？ 考えてみてください-火星が地球から最も近い距離にある場合でも、信号は5500万キロメートルを超える必要があります！ これは本当に大きな距離です。 しかし、小さくて孤独なローバーは、これまでどのようにして科学データと美しいフルカラー画像をそのような数で転送するのでしょうか？ 最初の近似では、次のようになります（私は非常に一生懸命に努力しました）。











そのため、通常、3つの重要な「数字」が情報の送信プロセスに関与します。地球上の宇宙通信の中心の1つ、火星の人工衛星の1つ、そして実際にはローバー自体です。 地球の老womanから始めて、宇宙通信センターDSN（Deep Space Network）について話しましょう。

宇宙通信局

NASAの宇宙ミッションはいずれも、宇宙船との通信が1日24時間可能になるように設計されています（ 原則として可能であれば、少なくとも常に）。 私たちが知っているように、地球は自身の軸を中心に非常に速く回転するため、信号の連続性を確保するために、データの送受信にはいくつかのポイントが必要です。 これらのポイントはDSNステーションです。 それらは3つの大陸に位置し、互いに約120度の長さであるため、互いの動作領域を部分的に重複させることができます。これにより、宇宙船を24時間「維持」できます。 このため、宇宙船がいずれかのステーションのカバレッジエリアを離れると、その信号は別のステーションに転送されます。



DSN複合施設の1つは米国（ゴールドストーン複合施設）にあり、2番目-スペイン（マドリードから約60キロメートル）、3番目-オーストラリア（キャンベラから約40キロメートル）にあります。







これらの複合体にはそれぞれ独自のアンテナセットがありますが、機能的には3つのセンターすべてがほぼ同じです。 アンテナ自体はDSS（Deep Space Stations）と呼ばれ、独自の番号が付けられています。米国のアンテナには1X-2X、オーストラリアのアンテナには3X-4X、スペインでは5X-6Xの番号が付けられています。 そのため、どこかで「DSS53」と聞いた場合、スペインのアンテナの1つについて話していることを確信できます。



ローバーとの通信には、キャンベラの複合施設が最もよく使用されるため、もう少し話しましょう。



この複合施設には独自のWebサイトがあり、非常に多くの興味深い情報を見つけることができます。 たとえば、非常にすぐに-今年4月13日-DSS43アンテナは40歳になります。



現時点では、キャンベラステーションには現在、DSS-34（直径34メートル）、DSS-43（印象的な70メートル）、DSS-45（再び34メートル）の3つのアクティブアンテナがあります。 もちろん、センターは長年にわたって稼働しており、他のアンテナが使用されてきましたが、さまざまな理由で廃止されました。 たとえば、最初のアンテナであるDSS42は2000年12月に使用が中止され、DSS33（直径11メートル）は2002年2月に廃止され、2009年にノルウェーに移動して大気研究用の機器としての作業を続けました。



前述の最初の動作アンテナDSS34は1997年に構築され、これらのデバイスの新世代の最初の代表となりました。 その際立った特徴は、信号を受信/送信および処理するための機器がプレート上ではなく、その下の部屋にあることです。 これにより、プレートを大幅に軽くすることができ、アンテナ自体の動作を停止することなく機器を保守することもできました。 DSS34は反射アンテナであり、その動作スキームは次のようになります。









ご覧のとおり、アンテナの下には、受信信号のすべての処理が実行される部屋があります。 実際のアンテナでは、この部屋は地下にあるため、写真では見えません。





^{DSS34クリック可能}





DSS43 （まもなく記念日となる）ははるかに古いインスタンスであり、1969-1973年に構築され、1987年に近代化が行われました。 DSS43は、地球の南半球で最大のモバイルパラボラアンテナです。 3000トンを超える重さのある構造物は、約0.17 mmの厚さの油膜上で回転します。 プレートの表面は、1272個のアルミニウムパネルで構成され、面積は4180平方メートルです。



^{DSS43、クリック可能}





DSS45 このアンテナは1986年に完成し、天王星を研究したボイジャー2と通信するように設計されました。 直径19.6メートルの円形ベース上で回転し、このために4つのホイールを使用します。



^{DSS45、クリック可能}





宇宙通信局全体について話すと、実行すべき4つの主要なタスクを区別できます。

テレメトリ -宇宙船からのテレメトリデータを受信、デコード、処理します。 通常、このデータは、無線で送信される科学および工学情報で構成されます。 テレメトリシステムはデータを受信し、その変化と標準への準拠を監視し、検証システムまたはその処理に関与する研究センターに転送します。

追跡 -追跡システムは、地球と宇宙船の間の双方向通信の可能性を提供し、その位置と速度ベクトルの計算を実行して、砲塔の正しい位置決めを行う必要があります。

管理 -専門家に制御コマンドを宇宙船に転送する機会を与えます。

監視と制御 -DSN自体のシステムを制御および管理できます



オーストラリアのステーションが現在約45機の宇宙船にサービスを提供していることは注目に値します。したがって、その作業の時刻表は明確に規制されており、余分な時間を得るのはそれほど簡単ではありません。 また、各アンテナには、同時に最大2つの異なるデバイスに対応する技術的能力があります。



したがって、ローバーに送信されるデータはDSNステーションに送信され、そこから短命（5〜20分）のレッドプラネットへの宇宙旅行で送信されます。 ローバー自体に移りましょう。 彼はどのようなコミュニケーション手段を持っていますか？

好奇心

Curiosityには3つのアンテナが装備されており、それぞれが情報の送受信に使用できます。 これは、UHFアンテナ、LGAおよびHGAです[1]。 それらはすべて、ローバーの「背面」のさまざまな場所にあります。



[1]

HGA-高利得アンテナ

MGA-中ゲインアンテナ

LGA-低ゲインアンテナ

UHF-超高周波

略語HGA、MGA、およびLGAにはすでにアンテナという単語が含まれているので、略語UHFとは異なり、この単語をそれらに再び割り当てることはしません。





^{RUHF、RLGA、および高利得アンテナに興味があります}



UHFアンテナが最も頻繁に使用されます。 ローバーは、その助けを借りて、約400メガヘルツの周波数でMROおよびオデッセイ衛星（後で説明します）を介してデータを送信できます。 火星の表面に単独で座っているローバー自体よりもはるかに長いDSNステーションの視野内にあるため、信号伝送に衛星を使用することをお勧めします。 さらに、ローバーに非常に近いため、ローバーはデータを送信するためにより少ないエネルギーを費やす必要があります。 転送速度は、オデッセイでは256 kb / s、MROでは最大2 Mbpsに達する可能性があります。 Curiosityから送信される情報のほとんどは、MRO衛星を通過します。 UHFアンテナ自体はローバーの背面にあり、灰色の円柱のように見えます。



好奇心には、地球から直接コマンドを受信するために使用できるHGAもあります。 このアンテナは可動式です（地球に向けることができます）。つまり、使用するためにローバーは位置を変更する必要がなく、HGAを正しい方向に向けるだけで、エネルギーを節約できます。 HGAはローバーの左側からほぼ中央に取り付けられ、直径約30センチメートルの六角形です。 HGAは、約160 bpsから34メートルのアンテナの速度で、または最大800 bpsから70メートルの速度で、地球に直接データを送信できます。



最後に、3番目のアンテナはいわゆるLGAです。

彼女はあらゆる方向に信号を送受信します。 LGAはXバンド（7〜8 GHz）で動作します。 それにもかかわらず、このアンテナの電力は非常に小さく、伝送速度には多くの要望が残されています。 このため、主に情報の受信に使用され、送信には使用されません。

写真では、LGAは前景にある白い砲塔です。

背景にはUHFアンテナがあります。



ローバーが大量の科学データを生成することは注目に値しますが、すべてのデータを送信できるとは限りません。 NASAの専門家は重要度の優先順位を設定します。優先順位が最も高い情報が最初に送信され、優先順位の低い情報が次の通信ウィンドウを待機します。 最も重要でないデータの一部を完全に削除する必要がある場合があります。

オデッセイとMRO衛星

そのため、通常はCuriosityと通信するには、衛星の1つの形式の「中間リンク」が必要であることがわかりました。 これにより、より強力な衛星アンテナがはるかに高速で地球にデータを送信できるので、一般的にCuriosityとの通信が可能な時間を延長し、送信速度を上げることができます。



各衛星には、各ゾルにローバーがある2つの通信ウィンドウがあります。 通常、これらのウィンドウは十分に短く、わずか数分です。 緊急の場合、Curiosityは欧州宇宙機関Mars Express Orbiterの衛星に連絡することもできます。

火星のオデッセイ

^{火星のオデッセイ}

Mars Odyssey衛星は2001年に打ち上げられ、もともと惑星の構造を研究し、鉱物を探索するために設計されました。 衛星の寸法は2.2x2.6x1.7メートルで、質量は700キログラムを超えます。 軌道の高さは370〜444キロメートルです。 この衛星は以前の探査機で積極的に使用されていました。Spiritand Opportunityから受信したデータの約85％がそれを介して送信されました。 OdysseyはUHFバンドでCuriosityと通信できます。 通信に関しては、HGA、MGA（中ゲインアンテナ）、LGA、およびUHFアンテナがあります。 基本的に、データを地球に送信するために、直径1.3メートルのHGAが使用されます。 送信は8406 MHzの周波数で実行され、データ受信は7155 MHzの周波数で実行されます。 角度ビームサイズは約2度です。





^{衛星計器の場所}



ローバーとの通信は、437 MHz（送信）および401 MHz（受信）の周波数でUHFアンテナを使用して実行され、データ交換レートは8、32、128、または256 kb / sです。

火星偵察オービター

^Mro



2006年、MRO-Mars Reconnaissance Orbiterは、今日好奇心の主な情報源であり、オデッセイ衛星に加わりました。

しかし、信号機の仕事に加えて、MRO自体には印象的な科学機器があり、最も興味深いことに、実際には反射望遠鏡であるHiRISEカメラが装備されています。 300メートルの高度で、HiRISEは1ピクセルあたり最大0.3メートルの解像度で画像を撮影できます（比較のため、通常、1ピクセルあたり約0.5メートルの解像度で地球の衛星画像を利用できます）。 MROはまた、0.25メートルの驚異的な精度でステレオサーフェスペアを作成できます。 ここにある少なくとも数枚の写真を利用できることを強くお勧めします。 たとえば、このビクトリアクレーターの画像（クリック可能、オリジナルは約5メガバイト）：





画像でOpportunityローバーを見つけるのに最も注意することをお勧めします;）





ほとんどのカラー写真は広い範囲で撮影されているため、表面の一部が明るい青緑色になる写真を見つけた場合、陰謀の神学に駆り立てないでください;）同じ品種は同じ色になります。 ただし、通信システムに戻ります。



MROには、ローバーのアンテナと意図したとおりに一致する4つのアンテナが装備されています。これらはUHFアンテナ、HGA、2つのLGAです。 衛星が使用するメインアンテナ（HGA）は直径3メートルで、Xバンドで動作します。 地球にデータを送信するために使用されるのは彼女です。 HGAには、100ワットの信号増幅器も装備されています。





^{1-HGA、3-UHF、10-LGA（両方のLGAはHGAに直接マウントされます）}



好奇心とMROはUHFアンテナを使用して通信し、通信ウィンドウはゾルで2回開き、約6〜9分続きます。 MROは、ローバーから受信したデータに1日あたり5GBを割り当て、地球上のDSNステーションの1つの視野に入るまで保存し、その後データをそこに転送します。 ローバーへのデータ転送は、同じ原則に従って実行されます。 ローバーに転送する必要があるチームのストレージには、30 Mb / solが割り当てられます。



DSNステーションは、1日16時間（残りの8時間は衛星が火星の裏側にあり、惑星によって閉じられているためデータを交換できません）のMROを実行します。 通常、衛星は週に3日間、70メートルのDSNアンテナで動作し、34メートルのアンテナで2回動作します（残念ながら、残りの2日間で何を行うかは明確ではありませんが、週末はありそうにありません）。 伝送速度は0.5〜4メガビット/秒の範囲で変化します-火星の地球からの距離とともに減少し、2つの惑星の接近とともに増加します。 現在（記事の公開時点）、地球と火星はほぼ最大距離にあるため、伝送速度はそれほど高くない可能性があります。



NASAは、MROが187テラビット（！）のデータを地球に送信している間ずっと、衛星のWebサイトに特別なウィジェットがあると主張しています。

おわりに

要約すると。 制御コマンドをローバーに転送すると、次のことが発生します。

• JPLスペシャリストは、DSNステーションの1つにコマンドを送信します。
• 衛星の1つ（ほとんどの場合、MRO）との通信セッション中に、DSNは一連のコマンドを送信します。
• 衛星は内部メモリにデータを保存し、ローバーとの次の通信ウィンドウを待機しています。
• ローバーがアクセスゾーンにある場合、衛星は制御コマンドを送信します。

ローバーから地球にデータを送信する場合、これはすべて逆の順序で発生します。

• ローバーは科学データを内部メモリに保存し、衛星との最も近い通信ウィンドウを待ちます。
• 衛星が利用可能になると、ローバーは情報を送信します。
• 衛星はデータを受信し、そのデータをメモリに保存し、DSNステーションの1つが利用可能になることを期待します
• DSNが使用可能になると、衛星は受信データを送信します。
• 最後に、信号を受信した後、DSNはそれをデコードし、受信したデータを目的の相手に送信します。

好奇心とのコミュニケーションのプロセスを多かれ少なかれ簡単に説明できたと思います。 このすべての情報（英語、プラス各衛星の動作原理に関するかなり詳細な技術レポートなどの膨大な追加情報）は、さまざまなJPLサイトで入手できます。正確に興味のあるものを知っていれば、簡単に見つけることができます。



^{すべてのエラーとタイプミスをPMで報告してください！}