深宇宙を呼び出す：NASAが惑星間通信を加速する方法

「無線周波数で動作する技術を改善する場所は実質的にありません。 シンプルなソリューションで終わります。」

2018年11月26日、モスクワ時間22:53にNASAが再び実行しました。InSightプローブは、大気、降下、着陸の操作を行った後、火星の表面に着陸しました。 適切な説明。これは、NASAのエンジニアが、地球と火星の間の通信の時間遅延（約8.1分）のために、宇宙探査機が惑星の表面に着座したかどうかをすぐに見つけることができなかったためです。 この時間帯では、InSightはより近代的で強力なアンテナに頼ることができませんでした-すべてが旧式のUHF通信に依存していました（この方法は、放送やトランシーバーからBluetoothデバイスまで、どこでも長い間使用されてきました）。



その結果、重要なInSightデータが401.586 MHzの周波数の電波でKubsat 、WALL-E、EVEの2つの衛星に送信され、8 Kbit / sで地球上の70メートルのアンテナにデータが送信されました。 カブスはInSightと同じロケットで打ち上げられ、火星への旅に同行して着陸を観察し、すぐにデータを自宅に送信しました。 他の火星周回船、たとえば火星偵察衛星 （MRS）は不快な位置にあり、最初はリアルタイムで着陸モジュールとのメッセージ交換を提供できませんでした。 着陸全体がそれぞれスーツケースのサイズの2つの実験的なKubsatに依存しているとは言えませんが、MPCはさらに長い待機の後のみInSightからデータを送信できました。



InSightの着陸では、実際にNASAの通信アーキテクチャ全体であるMars Networkをテストしました。 周回衛星に送信されたInSight着陸モジュールからの信号は、たとえ衛星が故障したとしても、いずれにせよ地球に到達していたでしょう。 WALL-EとEVEは、即時の情報転送に必要であり、彼らはそれに対処しました。 これらのKubsatが何らかの理由で機能しなかった場合、IFAはその役割を果たす準備ができていました。 それらはそれぞれ、インターネットに似たネットワーク上のノードとして機能し、異なる機器で構成される異なる端末を介してデータパケットを送信します。 現在、最も効果的なのはMPCで、最大6 Mbpsの速度でデータを送信できます（これは惑星間ミッションの現在の記録です）。 ただし、NASAはこれまではるかに低速で動作する必要がありました。将来的には、より高速なデータ転送が必要になります。





ISPと同様、NASAを使用すると、インターネットユーザーは宇宙船との接続をリアルタイムで確認できます。

深宇宙通信ネットワーク

NASAの宇宙での存在感が高まるにつれて、改善されたメッセージングシステムが絶えず出現し、ますます多くの空間をカバーしています。最初は低地球軌道、次に静止軌道と月でしたが、すぐに通信は宇宙に深く入り込みました。 それはすべて、1958年にアメリカ人が首尾よく打ち上げた最初の衛星であるエクスプローラー1からのテレメトリーがナイジェリア、シンガポール、カリフォルニアの米軍基地で受信された無作法な携帯ラジオから始まりました。 ゆっくりと、しかし確実に、この基盤は今日の高度なメッセージングシステムに進化しました。



NASA惑星間ネットワーク総局の戦略およびシステム予測の責任者であるダグラスアブラハムは、宇宙でメッセージを送信するために独自に開発された3つのネットワークを強調しています。 ニアアースネットワークは、低軌道の宇宙船で動作します。 「これは主に9〜12 mのアンテナセットです。15〜18 mの大きなアンテナがいくつかあります」とアブラハムは言います。 次に、地球の静止軌道上に、いくつかのデータ追跡および送信衛星（TDRS）があります。 「彼らは低地球軌道の衛星を見下ろして通信することができ、そしてこの情報をTDRSを通して地上に送信することができます」とアブラハムは説明します。 「この衛星データシステムはNASAの宇宙ネットワークと呼ばれます。」



しかし、TDRSでさえ、月の軌道をはるかに超えて他の惑星に行った宇宙船と通信するには不十分でした。 「そのため、太陽系全体をカバーするネットワークを作成する必要がありました。 そして、これが深宇宙ネットワーク、DSNです」とエイブラハムは言います。 火星のネットワークはDSNの拡張です。



長さと計画を考えると、DSNはこれらのシステムの中で最も複雑です。 実際、これは直径34〜70 mの大きなアンテナのセットです。 3つのDSNサイトのそれぞれで、いくつかの34メートルアンテナと1つの70メートルアンテナが機能します。 1つはゴールドストーン（カリフォルニア）にあり、もう1つはマドリード（スペイン）にあり、3つ目はキャンベラ（オーストラリア）にあります。 これらのサイトは世界中で約120度離れて配置されており、静止軌道の外側のすべての宇宙船に24時間対応しています。



34メートルアンテナはDSNの主要な機器であり、2つのタイプがあります。高効率の古いアンテナと比較的新しい導波管です。 違いは、導波管アンテナに5つの正確な無線周波数ミラーがあり、パイプを介して信号を地下のオペレータールームに反射することです。これらの信号を分析する電子機器はすべての干渉源から保護されます。 個別に、または2〜3枚のプレートで動作する34 mアンテナは、必要なNASA通信のほとんどを提供できます。 しかし、いくつかの34メートルのアンテナでも距離が長くなりすぎる特別な場合には、DSN制御は70メートルのモンスターを使用します。



「いくつかのケースで重要な役割を果たします」と、大きなアンテナについてアブラハムは言います。 1つ目は、宇宙船が地球から遠く離れているため、小さなプレートを使用して宇宙船との通信を確立できない場合です。 「良い例は、Pl王星をはるかに超えて飛行したニューホライズンミッション、または太陽系外にあるボイジャー宇宙船です。 70メートルのアンテナのみがそれらを突破してデータを地球に配信できます」とアブラハムは説明します。



70メートルプレートは、軌道に乗るなどの計画的な危機的状況、または何かが完全にうまくいかないために、宇宙船が増幅アンテナで動作できない場合にも使用されます。 たとえば、アポロ13号を地球に安全に戻すために、70メートルのアンテナが使用されました。 彼女はまた、ニール・アームストロングの有名なフレーズ「人間にとっては小さな一歩、人類にとっては大きな一歩」を採用しました。 そして今日でも、DSNは世界で最も先進的で繊細な通信システムです。 「しかし、多くの理由で、彼女はすでに限界に達しています」とアブラハムは警告します。 「事実上、無線周波数で動作するテクノロジーを改善する場所はありません。」 シンプルなソリューションで終わります。」





120度離れた3つの地上局





キャンベラのDSNプレート





DSNマドリード





GoldstoneのDSN





ジェット推進研究所のカメラ室

ラジオ、そしてその後に何が起こるか

この話は新しいものではありません。 長距離宇宙通信の歴史は、周波数を上げて波長を短くする絶え間ない努力から成り立っています。 Explorer 1は108 MHzの周波数を使用しました。 次に、NASAは、1〜2 GHzのLバンドの周波数をサポートする、より良いゲインの大型アンテナを導入しました。 その後、周波数が2〜4 GHzのSバンドが始まり、代理店は周波数が7-11.2 GHzのXバンドに切り替えました。



今日、宇宙通信システムは再び変化を遂げています。現在、Kバンドである26〜40 GHzの範囲に移行しています。 「この傾向の理由は、波長が短く、周波数が高いほど、データ転送速度が速くなることです」とエイブラハムは言います。



歴史的にNASAの通信の開発速度は非常に速いことを考えると、楽観的な理由があります。 Jet Propulsion Laboratoryの2014年の調査研究では、比較のために次の帯域幅データを提供しています。Explorer1通信技術を使用して、典型的なiPhone写真をJupiterからEarthに転送すると、現在の年齢の460倍の時間がかかります宇宙。 1960年代のパイオニア2と4の場合、これには633,000年かかります。 1971年のマリナー9は、55時間でこれに対処していました。 今日、IFAはこれを行うのに3分かかります。



もちろん、唯一の問題は、宇宙船が受信するデータの量が、送信能力の増加よりも速くないにしても、同じくらい速く増加していることです。 40年間の運用で、ボイジャー1と2は5 TBの情報を生成しました。 2020年に打ち上げられる予定のNISAR地球科学衛星は、1か月あたり85 TBのデータを生成します。 そして、地球の衛星がそれを行うことができる場合、惑星間のそのような量のデータの転送は完全に異なる話です。 比較的速いMRSでも、20年間で85 TBのデータを地球に送信します。



「2020年代後半から2030年代初期の火星探査中の推定データ転送速度は150 Mbps以上になるため、計算してみましょう」とアブラハムは言います。 -私たちから火星までの最大距離にあるMPCクラスの宇宙船が地球上の70メートルのアンテナに約1メガビット/秒を送信できる場合、150メガビット/秒の速度で通信を確立するには150の70メートルアンテナのアレイが必要になります。 はい、もちろん、このばかげた量をわずかに減らすための独創的な方法を考え出すことができますが、問題は明らかに存在します。150Mbit / sの速度での惑星間通信の組織化は非常に複雑です。 さらに、許可された周波数のスペクトルを終了しています。」



SバンドまたはXバンドで動作するAbrahamが示すように、25 Mbpsの帯域幅を持つ1つのミッションが、使用可能なスペクトル全体を占有します。 K _aの範囲にはより多くのスペースがありますが、帯域幅が150 MbpsのMars衛星2つだけがスペクトル全体を占有します。 簡単に言えば、惑星間インターネットは単なるラジオ以上のものを必要とするでしょう。それはレーザーに依存するでしょう。

光通信の到来

レーザーは未来的に聞こえますが、光通信のアイデアは、1880年代にAlexander Graham Bellが出願した特許にまでさかのぼることができます。 ベルは、非常に狭いビームに焦点を合わせた太陽光が、音のために振動する反射ダイアフラムに向けられるシステムを開発しました。 振動により、レンズを通過して粗い光検出器に入る光に変化が生じました。 光検出器の抵抗の変化により、電話機を流れる電流が変化しました。



システムは不安定で、音量は非常に低く、ベルは最終的にそのアイデアを放棄しました。 しかし、ほぼ100年後、レーザーと光ファイバーで武装したNASAのエンジニアは、この古い概念に戻りました。



「私たちはRFシステムの限界を知っていたので、1970年代後半から1980年代初頭にジェット推進研究所が宇宙レーザーを使用して深宇宙からメッセージを送信する可能性について議論し始めました」とアブラハムは言いました。 深宇宙での光通信で可能なこととできないことをよりよく理解するために、1980年代後半の研究室では、4年間の研究、深宇宙中継衛星システム（DSRSS）、深宇宙中継衛星システム（DSRSS）を組織しました。 この研究は重要な質問に答えることが想定されていました。天気と視界の問題はどうでしょうか（結局、電波は雲を簡単に通過できますが、レーザーは通過できません）。 太陽地球プローブの角度が鋭すぎる場合はどうなりますか？ 地球上の検出器は、弱い光信号と日光を区別しますか？ そして最後に、どれだけの費用がかかりますか？ 「私たちはまだこれらの質問に対する答えを探しています」とアブラハムは認めます。 「しかし、答えは光データ伝送の可能性をますます確認しています。」



DSRSSは、地球の大気の上にある地点が光通信や無線通信に最適であることを示唆しています。 軌道ステーションに設置された光通信システムは、70メートルの象徴的なアンテナを含む地上のアーキテクチャよりもうまく機能すると述べられました。 地球に近い軌道では、10メートルのプレートを展開し、それを静止状態に上げることが想定されていました。 しかし、そのようなシステムのコストは、衛星搭載皿、発射ロケット、5台のユーザー端末で構成されていましたが、非常に高額でした。 さらに、この研究では、衛星に障害が発生した場合に運用される必要な補助システムのコストさえも規定していませんでした。



このシステムとして、研究室の専門家は、DRSSとほぼ同時に研究室で実施された地上ベースの高度な技術研究（GBATS）分析レポートで説明されている地上ベースのアーキテクチャに注目し始めました。 GBATSに取り組んでいる人々は、2つの代替案を提案しています。 1つは、10メートルのアンテナと赤道を挟んで互いに60度の位置にある1メートルのスペアアンテナを備えた6つのステーションの設置です。 1年のうち少なくとも66％が晴天である山頂に駅を建設する必要がありました。 したがって、2〜3のステーションは、どの宇宙船からも常に見えるようになり、異なる天候になります。 2番目のオプションは、3つのグループにグループ化され、120度離れて配置された9つのステーションです。 各グループ内のステーションは、200 km離れた場所に配置する必要があります。これにより、ステーションは直接見通し線内にありますが、気象セルは異なります。



どちらのGBATSアーキテクチャもスペースアプローチよりも安価でしたが、問題もありました。 第一に、信号は地球の大気を通過する必要があるため、空が明るいため、昼間の受信は夜よりもはるかに悪くなります。 その独創的な場所にもかかわらず、地上の光ステーションは天候に依存します。 レーザーを地上局に向ける宇宙船は、最終的に悪天候に適応し、雲が遮らない別の局との通信を再確立する必要があります。



ただし、問題に関係なく、DSRSSおよびGBATSプロジェクトは、長距離宇宙通信およびNASAのエンジニアの近代的な開発のための光学システムの理論的基礎を築きました。 そのようなシステムを構築し、その操作性を実証するためだけに残った。 幸いなことに、わずか数か月しか残っていませんでした。

プロジェクトの実施

その時までに、宇宙での光データ伝送はすでに行われていました。 最初の実験は1992年、ガリレオプローブが木星に向かっていたときに行われ、高解像度カメラを地球に展開して、テーブルマウンテン天文台の60 cm望遠鏡とUSAFスターファイア光学望遠鏡の1.5 mから送信されたレーザーパルスセットを正常に受信しましたニューメキシコ州の範囲。 この時点で、ガリレオは地球から140万km離れていましたが、両方のレーザービームがカメラに当たりました。



日本と欧州の宇宙機関は、地球の周りの軌道にある地上局と衛星の間で光通信を確立することもできました。 その後、2つの衛星間で50 Mbpsの速度で接続を確立できました。 数年前、ドイツのチームは、低軌道のNFIRE衛星とテネリフェ島（スペイン）の地上局との間に5.6 Gbpsのコヒーレント光双方向通信を確立しました。 しかし、これらのすべてのケースは地球軌道に関連していました。



地上局と太陽系の他の惑星の近くの軌道上の宇宙船を接続する最初の光リンクは、2013年1月に確立されました。 152x200ピクセルのモナリザの白黒画像が、NASAのゴダード宇宙飛行センターにある次世代の衛星測距レーザーステーションから月面偵察オービター（LRO）に300 bpsの速度で送信されました。 接続は一方向でした。 LROは、地球から受信した画像を従来の無線通信で送り返しました。 画像には少しのソフトウェアエラー修正が必要でしたが、このエンコードがなければ簡単に認識できました。 そしてその時、月へのより強力なシステムの打ち上げはすでに計画されていました。





2013年の「月面偵察軌道車」プロジェクトから：地球の大気によって導入された伝送エラー（左）から情報をクリアするために、ゴダード宇宙飛行センターの科学者はリードソロモンエラー修正（右）を適用しました。 典型的なエラーには、ピクセルの欠落（白）と偽信号（黒）が含まれます。 白いバーは、送信の短い休止を示します。



月の大気と塵の環境 （LADEE）の研究者は 2013年10月6日に月の軌道に入り、わずか1週間後にデータ伝送用のパルスレーザーを打ち上げました。 今回、NASAは、その方向に20 Mbpsの速度で、反対方向に622 Mbpsの記録速度で、双方向通信を設定しようとしました。 唯一の問題は、ミッションの短い寿命でした。 光LRO通信は数分間しか機能しませんでした。 LADEEは、合計30日間で16時間レーザーとデータを交換しました。 この状況は、2019年6月に予定されているデモンストレーションレーザー通信衛星（LCRD）が打ち上げられたときに変更されるはずです。



LCRDは、MITのリンカーン研究所と共同で、NASAのジェット推進研究所で開発されています。 彼は2つの光学端末を持ちます。1つは低地球軌道での通信用で、もう1つは深宇宙用です。 1つ目は、差動位相シフトキーイング（DPSK）を使用する必要があります。 トランスミッタは、2.88 GHzの周波数のレーザーパルスを送信します。 この技術によれば、各ビットは連続するパルスの位相差によってエンコードされます。 2.88 Gbit / sの速度で動作できますが、これには多くのエネルギーが必要です。 DPSKは近地球通信で完全に機能するため、検出器は高エネルギー信号でのみパルス間の差を認識できますが、これはエネルギーを保存することが問題となる深宇宙では最適な方法ではありません。 火星から送信される信号は、地球に到達するまでエネルギーを失います。したがって、深宇宙での光通信を実証するために、LCRDはより効率的な技術である位相パルス変調を使用します。





NASAのエンジニアは、テストのためにLADEEを準備します





2017年、エンジニアは熱真空チャンバーでフライトモデムをテストしました



「本質的に、光子のカウントです」とアブラハムは説明します。 -通信に割り当てられる短い期間は、いくつかの期間に分割されます。 データを取得するには、各ギャップ内の光子が検出器と衝突したかどうかを確認するだけです。 したがって、データはFIMでエンコードされます。 これはモールス信号に似ていますが、超高速です。 ある時点でフラッシュが存在するかどうかにかかわらず、メッセージはフラッシュのシーケンスによってエンコードされます。 「また、これはDPSKよりもはるかに遅いものの、火星までの距離で数十または数百Mbpsの速度で光通信を配置できます」とアブラハムは付け加えます。



もちろん、LCRDプロジェクトはこれらの2つのターミナルだけではありません。 また、宇宙のインターネットサイトとしても機能するはずです。 LCRDを使用した陸上での作業は、ニューメキシコ州のホワイトサンズ、カリフォルニア州のテーブルマウンテン、ハワイ島またはマウイ島の3つのステーションで行われます。 アイデアは、いずれかのステーションで悪天候が発生した場合に、あるステーションから別のステーションへの切り替えをチェックすることです。 ミッションでは、データ送信機としてのLCRDの動作も検証します。 ステーションの1つからの光信号は、衛星に送信されてから、別のステーションに送信されます（すべて光通信を使用）。



データ転送がすぐに失敗した場合、LCRDはそれを保存し、機会が生じたときに送信します。 データが緊急の場合、またはボード上に十分なスペースがない場合、LCRDはそのK _aバンドアンテナを介してすぐにデータを送信します。 したがって、将来の衛星送信機の前身であるLCRDは、ハイブリッド無線光システムになります。 2030年代の人間による深宇宙探査をサポートする惑星間ネットワークを編成するために、火星の周りの軌道に配置する必要があるのは、このようなNASAユニットです。

火星をオンラインにする

ここ数年、アブラハムが1で月2019年にフランスで会議SpaceOpsで提示される将来の深宇宙通信を記述した2つの論文を書いたチームは、他の（ "で、一般的には深宇宙通信を説明し、潜在的な問題- AD調査の人類のために火星惑星間ネットワークおよびソリューション "）Red Planetの宇宙飛行士にインターネットのようなサービスを提供できるインフラストラクチャの詳細な説明が提案されています。



ピーク平均データ転送速度の推定値は、ダウンロードで215 Mbit / s、ダウンロードで28 Mbit / sの領域で得られました。火星のインターネットは3つのネットワークで構成されます。WiFiは、地表の研究領域をカバーし、惑星のネットワークは地表から地球にデータを送信します。



「そのようなインフラストラクチャを開発するとき、多くの問題があります。火星までの最大距離が2.67 AUであっても、信頼性と安定性が必要です。火星が太陽の後ろに隠れている上部の太陽の接続期間中に」とアブラハムは言います。このような接続は2年ごとに発生し、火星との通信を完全に中断します。 「今日、対処することは不可能です。火星にあるすべての着陸および軌道ステーションは、約2週間地球との接触を失うだけです。光通信では、ソーラー接続による通信損失はさらに長くなり、10〜15週間になります。ロボットにとって、そのようなギャップは特に怖いものではありません。彼らは退屈し始めず、孤独を感じず、愛する人を見る必要がないため、そのような孤立は彼らに問題を引き起こしません。しかし、人々にとって、これは完全に間違っています。



「したがって、理論的には、火星の表面から17300 kmの赤道周回軌道に配置された2つの軌道送信機の試運転を許可します」とアブラハムは続けます。調査によると、重量は1,500 kgで、Xバンド、K _aバンド、および光バンドで動作する一連の端末を搭載し、20〜30 kWの容量のソーラーパネルで駆動する必要があります。遅延許容ネットワークプロトコルをサポートする必要があります-基本的にTCP / IPは、惑星間ネットワークで必然的に発生する大きな遅延を処理するように設計されています。ネットワークに参加する軌道ステーションは、惑星の表面にいる宇宙飛行士や乗り物、地上ステーション、および相互に通信できる必要があります。



「このクロスオーバーは、250 Mbpsでデータ転送を整理するために必要なアンテナの数を減らすため、非常に重要です」とアブラハムは言います。彼のチームは、軌道送信機の1つから送信された250 Mbpsの速度でデータを受信するには、6つの34メートルアンテナのアレイが必要になると推定しています。これは、NASAが長距離宇宙通信のサイトに3つの追加アンテナを構築する必要があることを意味しますが、その構築には数年かかり、非常に高価です。 「しかし、一方のトランスミッタがデータパケットの半分を送信し、もう一方がもう一方を送信する場合、2つの軌道ステーションは互いにデータを共有して125 Mbit / sの速度で同時に送信できると考えています」とアブラハムは言います。今日でも、34メートルの長距離宇宙通信アンテナは、4つの異なる宇宙船から同時にデータを受信できます。その結果、タスクを完了するには3つのアンテナが必要になります。 「1つの同じ空のセクションから125 Mbpsの速度で2つの送信を受信するには、1つの送信を受信するために多くのアンテナが必要です」とエイブラハムは説明します。 「より高速で通信を確立する必要がある場合にのみ、より多くのアンテナが必要です。」



太陽接続の問題に対処するために、アブラハムチームは、太陽火星/太陽地球軌道のL4 / L5ポイントで衛星送信機を打ち上げることを提案しました。その後、接続期間中に信号を送信する代わりに、太陽の周りにデータを送信するために使用できます。残念ながら、この期間中、速度は100 Kbpsに低下します。簡単に言えば、動作しますが、それは悪いことです。



その間、火星の将来の宇宙飛行士は、子猫の写真を取得するために3分以上待つ必要があります。遅延は最大40分になる可能性があります。幸いなことに、人類の野望が私たちをレッドプラネットよりもさらに追いやるまで、惑星間インターネットはほとんどの場合うまく機能します。