Operator, który oferuje międzyplanetarny zasięg komunikacji

Określenie operator telekomunikacyjny może się wydać pewnym nadużyciem terminu, ale nie ma tu błędu merytorycznego. Deep Space Network, w skrócie DSN, to sieć anten, a w zasadzie radioteleskopów, rozmieszczonych w różnych miejscach Ziemi, które nasłuchują sygnałów wysyłanych przez łaziki, sondy i inne pojazdy w kosmosie, w tym te najdalsze czyli Voyagery, z którymi nikt inny nie jest w stanie się połączyć.

Jednocześnie z pomocą nadajników zainstalowanych w tych antenach, wysyłane są zwrotne polecenia, a nawet poprawki oprogramowania. W teorii nic nie stoi na przeszkodzie, by wykorzystać te nadajniki do komunikacji głosowej, a w przypadku bliższych obiektów jak Mars, nawet prostego wideo (2 Mbps pozwolą na przesył strumienia wideo o niewielkiej rozdzielczości). Na razie oczywiście nie mamy z kim tam rozmawiać, ale w przyszłości to może się zmienić.

Czym jest Deep Space Network i jak jest zbudowana

O tym jak działa DSN i skąd czerpać informacje o aktualnej aktywności sieci pisałem w materiale poświęconym komunikacji Ziemia-Mars.

Początki DSN sięgają końca lat 50. XX wieku, gdy zarząd nad JPL (Jet Propulsion Labolatory) został przekazany z rąk armii USA pod egidę NASA. Koncept DSN był prosty. Dzięki powszechnej dostępności systemu komunikacyjnego, każdy projektowany pojazd nie musiałby polegać na tworzonej na jego cele sieci łączności. Dziś podobną siecią dysponuje też ESA (Estrack) czy CNSA, ale w przypadku tej ostatniej trudno jakoś liczyć na łatwy dostęp, choć Chiny zarzekają się, że współpraca z innymi krajami w świecie nauki leży w ich naturze.

Sieć DSN oprócz zbierania danych telemetrycznych i kontroli misji kosmicznych, zajmuje się także projektami naukowymi, które wykorzystują dane na temat zmian sygnałów radiowych docierających od sond

DSN oficjalnie rozpoczęło pracę w 1963 roku. Wtedy to komunikowano się jedynie z 3 pojazdami. Teraz to nawet kilkadziesiąt misji jednocześnie. DNS to trzy kompleksy anten, zlokalizowane w Kalifornii w Goldstone, w pobliżu Madrytu w Hiszpanii i niedaleko Canberry w Australii. Na przestrzeni lat DSN posiłkowała się także innymi antenami, między innymi współpracowała z kompleksem VLA (Nowy Meksyk, USA) w trakcie przelotu Voyagera przy Neptunie.

Pole widzenia radioteleskopów z trzech stacji DSN (fot: LouSheffer CC BY-SA 3.0)

Rozmieszczenie tych centrów nasłuchowych pozwala na ciągłe monitorowanie całej przestrzeni kosmicznej. No prawie całej, bo w odległości mniejszej niż 30 tysięcy kilometrów DSN ma trzy martwe stożki sygnałowe. Dla satelitów na niskiej orbicie, w tym Stacji Kosmicznej, DSN nie jest odpowiednią opcją komunikacji.

Wraz z nową doktryną „Śledź Słońce”, każdy ośrodek DSN będzie przekazywać swoje kompetencje kolejnemu, gdy straci z pola widzenia dany pojazd kosmiczny, tak by łączność odbywała się nieprzerwanie przez 24 godziny.

Obejrzyj w

W każdym ośrodku DSN znajdują się anteny o różnych średnicach i przystosowane do różnych częstotliwości pracy. Każdy ośrodek ma jedną 70. metrową antenę, do tego w Canberze jest jedna antena 34. metrowa, ośrodek w Madrycie ma trzy takie anteny, a Goldstone trzy. Mniejsze 26. metrowe urządzenia służą komunikacji z pojazdami, które swoją misję realizują na orbicie wokółziemskiej.

Jak czuła jest sieć Deep Space Network?

Teoretycznie, nawet zwykła sieć komórkowa nadaje sygnał, który można odebrać daleko w kosmosie. Sęk w tym, że sygnał radiowy słabnie z odległością. Na dodatek naziemne nadajniki są tak skonstruowane by tworzyć wiązkę sygnału skoncentrowaną na odbiorcach na Ziemi. Dlatego anteny DSN są tak duże i mają tak dużą moc nadawania, skierowaną w konkretnym kierunku. W przypadku 70. metrowej anteny moc nadajnika może być liczona nawet w dziesiątkach czy setkach kW. Ciekawe co powiedzieliby na to zwolennicy świata bez 5G.

Komunikacja poprzez DSN nie jest zbyt wydajna. Z perspektywy dzisiejszych sieci kablowych, a nawet bezprzewodowych, to prędkości z czasów początku internetu. Ale nie szybkośc jest tu najistotniejsza. Anteny DSN są bardzo czułe. Sygnał dociekający z Voyagera 2 ma moc jedynie rzędu attowatów (10^-18 W). To niczym szept słyszany na ruchliwej ulicy, której hałas to wszystkie ziemskie radiowe sygnały jednocześnie.

Dlatego też projekt radioteleskopu po drugiej stronie Księżyca, który będzie odizolowany od ziemskich zakłóceń, to sensowne rozwiązanie, które prędzej niż później doczeka się realizacji.

Deep Space Network rozbudowuje się

Obsługa DSN zdaje sobie sprawę z faktu, że w przyszłości obecna pojemność tej międzyplanetarnej sieci stanie się niewystarczająca. Trudno temu przeczyć, nawet w obliczu opóźnień w tak kluczowym programie jak Artemis, który jak dziś wiemy został opóźniony i nie doprowadzi do ponownego lądowania na Księzycu w 2024 roku.

Również łączność laserowa, o bardzo dużej przepustowości, nad którą już prowadzone są prace, nie zastąpi w pełni klasycznego DSN. To tak jakby sieć komórkowa miała konkurować z kablem w trudno dostępnych miejscach i przy złej pogodzie.

Wizualizacja DSS-23, oryginalnej anteny budowanej dla DSN, która połączy łączność radiową z laserową komunikacją. Na obrazie widać układ zwierciadeł, który pozwoli na koncentrowanie wiązki wysyłanej w kierunku odległych sond

Dlatego budowane są kolejne anteny/radioteleskopy. Najnowszy instrument w ośrodku pod Madrytem może pochwalić się 34. metrowym dyskiem, ale pod względem oprzyrządowania jest inny niż dotychczasowe.

Wcześniej 34. metrowe anteny dostępne były w dwóch wariantach. Takim o wysokim uzysku oraz wersji wyposażone w falowody, które pozwalają na skierowanie sygnału do pomieszczeń kontrolno-badawczych. Ten drugi typ anteny jest łatwiejszy w obsłudze i oprzyrządowaniu. Na dodatek dotychczasowe anteny 34 metry mogły pracować jedynie w ściśle narzuconym w danym momencie zakresie częstotliwości.

Obecnie Deep Space Network obsługuje 39 misji kosmicznych, a w przypadku 30 kolejnych również są plany użycia tej sieci komunikacyjnej

Nową 34. metrową antenę o symbolu DSS-56 NASA nazywa „all-in-one” czyli zdolną do pracy w szerokim zakresie częstotliwości. Inaczej rzecz ujmując, stanowi ona zapas dla każdej innej z anten obsługiwanych przez DSN. DSS-56 uruchomiona została z początkiem 2021 roku niedługo potem asystowała podczas lądowania łazika Perseverance na Marsie.

To nie koniec. Obecnie liczba anten obsługiwanych przez DSN to 13, ale w budowie jest kolejna antena bliźniacza dla tej spod Madrytu, a w planach kolejne. Modernizowane są także starsze anteny. Na pierwszy ogień poszła 70. metrowa antena w Canberze (DSS-43), teraz trwają prace nad pozostałymi takimi radioteleskopami, które ma w zasobach DSN.

Modernizacja 70 metrowej anteny w Canberze

Praktycznie każdy radioteleskop na Ziemi może pełnić rolę nadajnika

Nasłuch tego co słychać w kosmosie prowadzą oczywiście nie tylko radioteleskopy w ramach DSN. Każdy radioteleskop na Ziemi prowadząc obserwacje naukowe prowadzi niejako nasłuch. A po zastosowaniu odpowiedniej aparatury mógłby również nadawać sygnały. Tę własność wykorzystano w programie SETI, który przez lata korzystał z radioteleskopu w Arecibo.

Największy radioteleskop w Polsce w Piwnicach pod Toruniem ma 32 metry średnicy. Zarządza nim Instytut Astronomii Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu

Faktem jest oczywiście to, że bez narzuconego reżimu pracy, pewne ciekawe sygnały mogą się prześlizgnąć niezauważone, dlatego im więcej takich instrumentów, w tym lepszym stopniu poznamy okoliczną przestrzeń.

Źródło: NASA, inf. własna