الاتصالات

كيف تتكيف وكالة ناسا مع الاتصالات الأكثر ازدحامًا وصخبًا مع المريخ

يشرح مهندس الاتصالات الرئيسي في Perseverance كيفية التعامل مع التداخل اللاسلكي بين الكواكب

المريخ مزدحم أكثر من أي وقت مضى. مع الوصول الناجح لمركبة Perseverance الجوالة في فبراير، تدير ناسا وحدها ثلاثة مركبات مدارية، ومركبتين جوالتين، ومركبة هبوط على الكوكب أو حوله. 

يتم تشغيل المدارات الأخرى فوق الكوكب من قبل وكالة الفضاء الأوروبية، روسكوزموس، منظمة أبحاث الفضاء الهندية، وغيرها. 

تأمل إدارة الفضاء الوطنية الصينية في أن تهبط بنجاح أول روفر لها، تيانوين -1، في وقت لاحق من هذا العام. الطيف الراديوي، الذي لم يبد أبدًا نقصًا في العرض في العالم القاحل، يواجه فجأة بعضًا من نفس مخاوف التداخل التي تتعامل معها الأقمار الصناعية حول الأرض بالفعل.

بيتر إيلوت هو مهندس نظام الاتصالات الرئيسي في مهمة مارس 2020 في مختبر الدفع النفاث. بعد أكثر من عقد في صناعة المركبات الفضائية التجارية، جاء إلى مختبر الدفع النفاث في عام 2000.

في العقدين التاليين، كان له يد في كل مهمة المريخ التي اضطلعت بها ناسا ومختبر الدفع النفاث. استغرق Ilott مؤخرًا بعض الوقت للتحدث مع IEEE Spectrum حول كيفية عمل الاتصالات بين الكواكب، وماذا يحدث عندما يصبح المريخ أكثر ازدحامًا، وكيف سيتعين على ناسا التعامل مع عواقب هذا الازدحام.

المريخ على بعد ملايين الكيلومترات. كيف تتأكد من بقاء عربة جوالة مثل المثابرة على اتصال بالأرض عبر تلك المسافة؟ كيف تتواصل؟

إنها في الأساس نفس العملية التي فعلناها في مختبر علوم المريخ [كيوريوسيتي]، وهي تشبه إلى حد كبير ما فعلناه في مهمة استكشاف المريخ روفر [سبيريت أند أوبورتيونيتي]. 

عندما أطلقنا MER، كان لدينا نظام النطاق X كنظام اتصال رئيسي مع الأرض. كان لدينا UHF [تردد فائق]، لكنه كان أكثر من مجرد تجربة.

كان لدينا أوديسي، التي كانت هي المركبة المدارية. كان لدينا أيضًا مساح المريخ العالمي في ذلك الوقت، ومارس إكسبرس التابع لوكالة الفضاء الأوروبية. 

كانت لديهم قدرة أقل بكثير على نقل البيانات. لكننا اعتبرنا نظام النطاق X هو النظام الأساسي للتواصل مع الأرض. كما قلت، كان UHF نوعًا من التجربة، وسنرى عندما وصلنا إلى هناك. بعد وقت قصير جدًا من إجرائنا أول تمريرات UHF، أدركنا، يا إلهي، هذا هو الطريق الذي يجب أن نسير فيه. 

في ذلك الوقت، إذا حصلنا على 80 ميغا بت باستخدام Odyssey، فقد شعرنا بسعادة غامرة. مع المثابرة، نحصل بشكل روتيني على 10 أضعاف ذلك في تمريرة واحدة. 

ونظرًا لأن لدينا من أربعة إلى خمس تمريرات في اليوم، فإننا غالبًا ما نتجاوز غيغا بايت من البيانات في سول واحد.”قد أكتب شيئًا للجيل القادم:” راقب هذا، يومًا ما قد يظهر كمشكلة لك وسيخيفك بشدة. “

امشِ بنا طوال يوم في حياة العربة الجوالة مثل المثابرة. كيف تبقى على اتصال بالأرض؟

إذا كنت تفكر في توقيت المريخ، فإن العربة الجوالة تستيقظ في الصباح، وسوف تستمع إلى وصلة صاعدة من الأرض عند النطاق X (من 7 إلى 11.2 جيجاهيرتز) باستخدام هوائي عالي الكسب. 

نقاط الكسب العالية على الأرض، ونقوم بإرسال تسلسلات اليوم. ستكون التسلسلات عادةً عبارة عن إدارة بيانات ثم بعض الأنشطة اليومية – على سبيل المثال، القيادة إلى المكان الذي سننزل فيه المروحية. هذا نشاط نموذجي.

عندما نرسل هذه الأوامر، نحصل أحيانًا على اتصال مباشر بالأرض من العربة الجوالة، وأحيانًا نحصل على القياس عن بعد منه على النطاق X. المعدلات ليست عالية جدًا، ولكن هناك ما يكفي للحصول على بعض المعلومات الأساسية والصحة. 

نحصل أيضًا على ما نسميه أصوات تنبيه – هناك ثلاث أصوات طنين محتملة كل يوم. واحد هو صفير الحفظ. إذا حصلنا على هذا، فلدينا مشكلة. لم نحصل أبدًا على واحدة من هؤلاء على المثابرة.

 الصافرة الثانية هي الصافرة العادية التي تخبرنا، “التسلسلات التي ترسلها لي للتو على ما يرام، وأنا أعمل على التسلسل الرئيسي الجديد لهذا اليوم.” 

إذا حصلنا على هذا، فإننا نعلم أن الأمور يجب أن تسير على ما يرام بقية اليوم. الصفير الثالث هو صفير نفاد. إذا رأينا ذلك، فهذا يعني أن تسلسلات اليوم لم تدخل لسبب أو لآخر.

باقي الاتصالات مع العربة الجوالة حتى اليوم التالي هي UHF (300 ميغا هرتز إلى 3 جيجاهرتز). نحصل على مجموعة من التصاريح في فترة ما بعد الظهيرة مع مدارات التتابع. 

سيتم تضمين البيانات ذات الأولوية لليوم الذي يجب إحضاره حتى يتم التخطيط لليوم التالي. بين عشية وضحاها، أثناء نوم العربة الجوالة، تمر المركبات المدارية في السماء وتستيقظ المركبة بشكل دوري للتحدث إلى المسبار. وبعد ذلك يبدأ اليوم التالي.

لقد كنت في مختبر الدفع النفاث منذ عقدين من الزمن. كيف تغيرت الاتصالات – والتوقعات – بمرور الوقت؟

يتحدث بيتر إيلوت داخل مرفق عمليات الرحلات الفضائية لمختبر علوم المريخ التابع لوكالة ناسا في مختبر الدفع النفاث في 5 أغسطس 2012 في باسادينا، كاليفورنيا. الصورة: بريان فان دير بروغ / جيتي إيماجيس

أجهزة الراديو أكثر تقدمًا. أجهزة الراديو على مركبة Odyssey المدارية وSpirit and Opportunity لديها معدلات ثابتة – ستصل إلى 8، 32، 64، 128، 256 كيلو بت. كان المعدل الأقصى 256 كيلو بت في الثانية. 

وكان علينا أن نختار السعر الذي سنستخدمه لهذا اليوم. عادةً ما نستخدم 128 أو 256. إذا كان لدينا الطريق المداري منخفضًا في الأفق، فإن أفضل ما يمكننا فعله هو 32 كيلوبت في الثانية. 

وإذا كانت منخفضة إلى هذا الحد، فربما لم يكن الأمر يستحق إنفاق الطاقة للاستيقاظ ومحاولة إرسال البيانات، لذلك سنركز على التمريرات حيث يمكننا الحصول على 128 أو 256.

يمكن لأجهزة الراديو Electra-lite على Curiosity، و Mars Reconnaissance Orbiter، و MAVEN orbiter، و[ESA / Roscosmos] ExoMars Trace Gas Orbiter أن تذهب إلى معدلات أعلى بكثير، تصل إلى 2 ميغا بت في الثانية. 

وقمنا بتطوير معدلات بيانات تكيفية، حيث سيتم تعديل معدل البيانات، اعتمادًا على قوة الإشارة. إذا كان بإمكانك الحصول على دقيقتين بسرعة 2 ميجابت في الثانية، فهذا يعني أن هناك الكثير من البيانات التي تزيد عن 10 دقائق بسرعة 128 كيلوبت في الثانية.

مع المثابرة، ما زلنا نستخدم Odyssey كواحد من مدار مرحل، ولذا يتعين علينا اختيار 128 أو 256 كيلوبت في الثانية كأقصى معدل. ولكن مع MRO وTGO وMAVEN، يمكننا تشغيل معدلات أعلى بكثير. مع TGO، على سبيل المثال، نحصل بانتظام على أكثر من غيغابت من البيانات لكل تمريرة.

الآن بعد أن أصبح هناك العديد من المركبات الجوالة ومركبات الهبوط والمركبات المدارية النشطة على المريخ أو حوله، يبدو أن وكالة ناسا قد طورت شيئًا مثل شبكة المريخ.

 كيف أثر العدد المتزايد من الآلات الموجودة على الكوكب أو التي تدور في مداره على كيفية تواصلها – إما مع بعضها البعض أو مع الأرض؟

تشكل خمس مركبات فضائية تدور حاليًا حول الكوكب الأحمر شبكة Mars Relay لنقل الأوامر من الأرض إلى البعثات السطحية واستلام البيانات العلمية منها. 

في اتجاه عقارب الساعة من أعلى اليسار: مركبة استكشاف المريخ المدارية التابعة لناسا (MRO)، الغلاف الجوي للمريخ والتطور المتطاير (مافن)، أوديسي المريخ، ووكالة الفضاء الأوروبية (إيسا) المريخ السريع وتتبع الغاز المداري (TGO). الرسوم التوضيحية: JPL-CALTECH / NASA؛ ESA

نحن في الواقع نسميها شبكة ترحيل المريخ. هناك الكثير من الأشياء التي يجب أخذها في الاعتبار. واحد هو التخزين على متن الطائرة. كل مركبة مدارية لديها مقدار ثابت من مساحة التخزين.

 عندما تحصل على ممر تتابع مع عربة جوالة، فإن المعلمة المهمة ستكون متى يمكن للمركبة أن ترسل تلك البيانات إلى الأرض؟ ومتى يمكن أن ينظف محرك الحالة الصلبة الخاص به؟ وهذا صحيح بالنسبة لجميع المركبات المدارية. الأوديسة لديها أصغر سعة لأنها طائر أكبر سنًا. في الواقع، سعة Odyssey صغيرة بما يكفي لدرجة أنه مع Curiosity، غالبًا ما نتجاوز المخزن المؤقت الخاص به.

ثم كيف ننسقه؟ لا يزال بعضها يتم يدويًا، ولكن لدينا أيضًا هذه الأداة المسماة MaROS. تنظر العربة الجوالة إلى الممرات المختلفة التي يمكن أن تصل إليها وتقرر الممرات التي ترغب في استخدامها. ثم تقدم طلبًا إلى المركبات المدارية باستخدام MaROS. إنها نوعًا ما تشبه أداة الجدولة عبر الإنترنت.

كلما أضفنا المزيد من مركبات الهبوط والمزيد من المدارات، يصبح الأمر أكثر تعقيدًا. في وقت من الأوقات، كان لدينا سبيريت وأوبورتيونيتي ومركبة فينكس.

 لدينا الآن مركبتان متجولتان ومركبة هبوط واحدة مرة أخرى؛ الفرق هو أن لدينا اثنين من المدارات الإضافية. ولدينا قدر أكبر بكثير من السعة، سواء في الترحيل من مركبات الإنزال أو في السعة الموجودة على متن الطائرة. 

إذن فهي نفس المشكلة لكنها مضروبة.”لدينا الآن مركبتان متجولتان ومركبة هبوط واحدة مرة أخرى. الفرق هو أن لدينا مدارين إضافيين. ولدينا سعة أكبر بكثير “.

مع استكشاف المزيد من البعثات للمريخ في وقت واحد، هل سنبدأ في رؤية مشاكل مماثلة مثل التداخل الذي نراه بالفعل هنا على الأرض؟

لقد رأينا بالفعل تداخلًا من مداراتنا. لقد رأينا التوافقيات عالية الترتيب قادمة إلى مجموعتنا من المسبار MAVEN ومركب Mars Express المداري. 

ذكرت البحث عن أصوات التنبيه في الصباح والبحث عن الوصلة الهابطة؛ لقد رأينا فجأة هذه النغمة تظهر إلى اليسار في طيفنا ومجرد نوع من المسيرات لأن تعويض دوبلر للمركبة المدارية لا يماثل تعويض العربة الجوالة. إنه قوي بما يكفي لتقديم مشكلة محتملة عندما نحاول رؤية أصوات التنبيه الصادرة عن هوائي منخفض الكسب.

لحسن الحظ، يمكننا أن نقول إنه ليس صفيرنا، لأنه أولاً وقبل كل شيء يميل إلى التحرك. لكننا رأيناها تسير نزولاً إلى مركز الطيف الخاص بنا وحتى أنها تجلس بجوار مركز الطيف الخاص بنا.

 يتطلب الأمر القليل من المعرفة الأساسية للاتصالات لمعرفة ذلك وتفسيره. بهذا المعنى، فهي ليست مشكلة حتى الآن، ولكن من المحتمل أن تكون مشكلة في المستقبل.

كيف يمكن للبعثات المستقبلية أن تضمن ألا يؤدي التدخل المتزايد إلى فقدان الاتصال بالمركبة، أو ما هو أسوأ من ذلك، التسبب في فشل المهمة؟

لقد كنت أحذر الجيل القادم، انظروا: أكبر مشكلة يواجهها جيلي هي UHF. هاتفي الخلوي، ستتدخل سماعة البلوتوث الخاصة بي في UHF، لكن لا شيء يستيقظ حقًا في النطاق X حتى الآن. 

لكنها تقترب. لن يمر وقت طويل قبل أن يكون لدينا تداخل منتظم من الأجهزة الموجودة على متن المركبة الفضائية فقط. سيتعين على الجيل القادم التعامل مع ذلك.

أول شيء يجب الحصول عليه هو إشراك فرق التداخل الكهرومغناطيسي / التوافق في وقت مبكر. هذا شيء شجعته على المثابرة. أتذكر أنهم لم يشاركوا في وقت مبكر بما يكفي وبقوة كافية في Curiosity.

 في المرة الأولى التي زرنا فيها العربة الجوالة على الأرض، أراد قائد المشروع منا إجراء اختبار مبكر للحصول على فكرة عما إذا كان الوضع سيئًا أم لا.

 لقد أمضينا أسابيع في إعداد هذا الاختبار، وزرنا العربة الجوالة، ونخطط للاختبار. نقوم بتشغيل راديو UHF، وعلى الفور يُغلق الراديو على إشارة خاطئة. في غضون خمس دقائق، ينتهي الاختبار.

اتضح أن الكثير منها كان يأتي من إلكترونيات الطيران نفسها، وأن العربة الجوالة نفسها لم تكن مغلقة بشكل كافٍ. لقد أمضينا الكثير من الوقت والمال في حل المشكلة. أعدنا إجراء الاختبار بعد عام وسنة ونصف، وقد مر – باستثناء أننا وجدنا أن هناك أدوات معينة، إذا قمنا بتشغيلها، فسنحصل على أقفال زائفة وسيظل التسرب ينفد.

 لذلك، كان لدينا مجموعات معينة من الآلات والكاميرات التي لم يُسمح لنا بتشغيلها عندما كنا نقوم بتمرير UHF. UHF يحظى بالأولوية، لأنه إذا لم تتمكن من التواصل، فلا فائدة من فعل أي شيء. 

حول المثابرة، بدأنا في وقت سابق وأعتقد أن المختبر تعلم الدرس. عندما أجرينا نفس الاختبار كما أجرينا لـ Curiosity، واجهتنا مشاكل أقل.

هناك أيضًا تعديل بيني سلبي، والذي يظهر على الجانب التجاري كثيرًا نظرًا لوجود هذه الهوائيات الكبيرة جدًا مع كيلوواط من الطاقة التي يتم توليدها. تحصل على قناتين تتداخلان مع بعضهما البعض، وتقومان بإنشاء نغمة intermod سلبية تقع في قناة أخرى. من الصعب للغاية التعامل معها.

إنه ليس شيئًا كان علينا التعامل معه حتى الآن بشأن هذه الطيور الاستكشافية، وآمل ألا يظهر أبدًا. قد أكتب شيئًا للجيل القادم: “راقب هذا، يومًا ما قد يظهر كمشكلة لك وسيخيفك بشدة.

” كانت هناك بالفعل مهمات تجارية حيث أفسد نظام intermod السلبي المهمة. لقد خلق حالة من الفوضى حيث أصبح الطائر في الواقع عديم الفائدة. إنها ليست مشكلة تافهة، ولا يمكنك إصلاحها بعد وقوعها – لا يمكنك الصعود وتغليفها بشريط نحاسي. ولكن يتم التعامل معها بجدية أكبر ونحن نمضي قدمًا.

المصدر: spectrum

شاهد ايضا:

إنشاء موقع إلكتروني

تصميم الهوية البصرية

منصات العمل الحر

مواقع ضغط الصور

افضل شركات تداول الفوركس عبر الانترنت

استراتيجية التسويق

مقالة الضيف جيست بوست

أهمية السيو SEO في تصميم المواقع

التسويق بالعمولة

التسويق الإلكتروني

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *