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 полвека 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 ретранслятора на геостационарной орбите земли (GEO).
«DSN работает почти безупречно, делая все, что мы просим, — сказал Лесли Дойтч, главный технолог Управления межпланетных сетей Лаборатории реактивного движения NASA. — Не было случаев, когда при вызове через DSN космические миссии были потеряны, но в нескольких случаях DSN использовался 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 десятилетия.
Между тем, NASA будет испытывать лазерные коммуникации. LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration — демонстрация лазерной коммуникации с Луной) будет запущена с LADEE в январе следующего года и продемонстрирует скорость лазерной передающей линии с Луны в 622 мегабайт [в секунду].
Затем в конце 2017 года будет запущен демонстрационный проект лазерной ретрансляции (LCRD — the Laser Communications Relay Demonstration Project) совместно с коммерческим спутником Space Systems/Loral. С геостационарной орбиты LCRD непрерывно в течение двух лет будет испытывать высокоскоростную передачу данных с помощью оптической коммуникации.
LCRD будет использовать лазеры в 0,5Вт; что приблизительно соответствует текущей мощности при записи DVD-дисков. Но увеличение этого показателя всего лишь до 5 Вт позволит технологии LCRD обеспечить линию связи с исходящей скоростью 1 гигабайт в секунду и входящей скоростью 100 мегабайт в секунду на земной орбите. Это от 10 до 100 раз быстрее, чем сейчас обеспечивают DSN на радиочастотах.
«Нам нужен оптический ретранслятор на геостационарной орбите к 2022 году», — говорит Дэвид Израиль, инженер космической связи NASA 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 оптических коммуникаций представляют обычные 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 туда, 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 также исследует пригодность природных астрофизических источников рентгеновского излучения для создания космической навигационной системы, которая бы функционировала в масштабе солнечной системы аналогично GPS. Идея состоит в том, чтобы использовать [аккрецирующие миллисекундные] пульсары, вращающиеся нейтронные звезды, испускающие рентгеновские лучи с периодичностью в миллисекунды, для точного определения курса корабля и его положения.
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 в течение времени».
«Пульсары производят регулярные импульсы, которые могут соперничать по точности с атомными часами на протяжении нескольких месяцев и лет, — сказал Джендреау. — GPS это группировка спутников, каждый из которых содержит атомные часы, передающие точное время. GPS приемники получают с нескольких спутников сигналы времени, и по этим данным рассчитывают свои координаты. 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».
Сегодня для навигации к внешним планетам используют систему дальней космической связи и бортовые звездные датчики космического аппарата для вычисления точного положения. 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. Он также отмечает, что в дополнение к трем пульсарам, которые космический аппарат будет использовать для определения своей позиции, четвертый пульсар будет предоставлять независимые измерения времени.
Исследователь внутреннего строения нейтронных звезд — (NICER — Neutron Star Interior Composition Explorer) — это предлагаемый NASA эксперимент для тайминга пульсаров, 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 фото-электрическое модулирование фотокатода при помощи ультрафиолетового источника. Преимущество рентгеновских лучей перед лазерной связью в том, что длина волны рентгеновского излучения короче, и оно может проникать в области, недоступные для радио- и оптических частот, например, при входе в атмосферу.
Джендреау говорит, что одно из главных преимуществ рентгеновских лучей перед лазерами в том, что короткая длина волны позволяет передавать очень тонкие лучи, и, следовательно, терять гораздо меньше энергии при коммуникации на больших расстояниях.
«Очень высокая энергия рентгеновских лучей может также проникать через плазменную оболочку, окружающую входящую в атмосферу капсулу, и обеспечивать соединение с низкой скоростью передачи данных для такого гиперзвукового аппарата, — сказал Джендреау. — Если NICER взлетит, то к 2018 году мы смогли бы использовать его в качестве приемника для первой демонстрации XCOM в космосе».
В чем будущее Сети дальней космической связи?
Дойтч говорит о 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 не уйти, — сказал Дойтч. — Она очень простая и легкая».
70-метровая антенна в Голдстоуне. Источник: NASA / JPL
Спустя полвека 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 ретранслятора на геостационарной орбите земли (GEO).
«DSN работает почти безупречно, делая все, что мы просим, — сказал Лесли Дойтч, главный технолог Управления межпланетных сетей Лаборатории реактивного движения NASA. — Не было случаев, когда при вызове через DSN космические миссии были потеряны, но в нескольких случаях DSN использовался 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 десятилетия.
Между тем, NASA будет испытывать лазерные коммуникации. LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration — демонстрация лазерной коммуникации с Луной) будет запущена с LADEE в январе следующего года и продемонстрирует скорость лазерной передающей линии с Луны в 622 мегабайт [в секунду].
Затем в конце 2017 года будет запущен демонстрационный проект лазерной ретрансляции (LCRD — the Laser Communications Relay Demonstration Project) совместно с коммерческим спутником Space Systems/Loral. С геостационарной орбиты LCRD непрерывно в течение двух лет будет испытывать высокоскоростную передачу данных с помощью оптической коммуникации.
LCRD будет использовать лазеры в 0,5Вт; что приблизительно соответствует текущей мощности при записи DVD-дисков. Но увеличение этого показателя всего лишь до 5 Вт позволит технологии LCRD обеспечить линию связи с исходящей скоростью 1 гигабайт в секунду и входящей скоростью 100 мегабайт в секунду на земной орбите. Это от 10 до 100 раз быстрее, чем сейчас обеспечивают DSN на радиочастотах.
«Нам нужен оптический ретранслятор на геостационарной орбите к 2022 году», — говорит Дэвид Израиль, инженер космической связи NASA 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 оптических коммуникаций представляют обычные 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 туда, 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 также исследует пригодность природных астрофизических источников рентгеновского излучения для создания космической навигационной системы, которая бы функционировала в масштабе солнечной системы аналогично GPS. Идея состоит в том, чтобы использовать [аккрецирующие миллисекундные] пульсары, вращающиеся нейтронные звезды, испускающие рентгеновские лучи с периодичностью в миллисекунды, для точного определения курса корабля и его положения.
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 в течение времени».
«Пульсары производят регулярные импульсы, которые могут соперничать по точности с атомными часами на протяжении нескольких месяцев и лет, — сказал Джендреау. — GPS это группировка спутников, каждый из которых содержит атомные часы, передающие точное время. GPS приемники получают с нескольких спутников сигналы времени, и по этим данным рассчитывают свои координаты. 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».
Сегодня для навигации к внешним планетам используют систему дальней космической связи и бортовые звездные датчики космического аппарата для вычисления точного положения. 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. Он также отмечает, что в дополнение к трем пульсарам, которые космический аппарат будет использовать для определения своей позиции, четвертый пульсар будет предоставлять независимые измерения времени.
Исследователь внутреннего строения нейтронных звезд — (NICER — Neutron Star Interior Composition Explorer) — это предлагаемый NASA эксперимент для тайминга пульсаров, 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.
Самые точные в природе часы могут сделать Галактический GPS возможным, (Иллюстрация из Wikipedia)
Радиопоиск обнаружил 17 новых миллисекундных пульсаров путем изучения списка неустановленных источников, полученных космическим гамма-телескопом Ферми. Цветные круги указывают на позиции новых пульсаров, обнаруженных в 2009 году, за год работы телескопа, на обзорной карте всего неба.
Между тем, исследователи из NASA в Годдарде также работают над рентгеновской связью (XCOM), использующей для коммуникации фото-электрическое модулирование фотокатода при помощи ультрафиолетового источника. Преимущество рентгеновских лучей перед лазерной связью в том, что длина волны рентгеновского излучения короче, и оно может проникать в области, недоступные для радио- и оптических частот, например, при входе в атмосферу.
Джендреау говорит, что одно из главных преимуществ рентгеновских лучей перед лазерами в том, что короткая длина волны позволяет передавать очень тонкие лучи, и, следовательно, терять гораздо меньше энергии при коммуникации на больших расстояниях.
«Очень высокая энергия рентгеновских лучей может также проникать через плазменную оболочку, окружающую входящую в атмосферу капсулу, и обеспечивать соединение с низкой скоростью передачи данных для такого гиперзвукового аппарата, — сказал Джендреау. — Если NICER взлетит, то к 2018 году мы смогли бы использовать его в качестве приемника для первой демонстрации XCOM в космосе».
В чем будущее Сети дальней космической связи?
Дойтч говорит о 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 не уйти, — сказал Дойтч. — Она очень простая и легкая».
