متصفحي في الفضاء: على الإنترنت بين النجوم

في المستقبل، عندما يتوسع النشاط البشري نحو القمر والمريخ، ويزداد عدد المركبات الفضائية حول هذه الأجسام بشكل لا يقاس مقارنة بالوضع الحالي، ستكون هناك حاجة لنظام اتصالات عبر الأقمار الصناعية طويل المدى يغطي الكوكب. مساحات النظام الشمسي. كيف يعمل مثل هذا النظام؟

طال عنبر "جاليليو"

التواصل اليومي الذي اعتدنا عليه منذ ما يقرب من ألف عام لا يزعجنا، إلا عند حدوث خلل يجعلنا فجأة لا نستقبل البث الفضائي، أو انخفاض جودة الإنترنت عبر الأقمار الصناعية في مكان ما بشكل طفيف؛ وعادة ما تمر فترة قصيرة حتى يتم إصلاح الخلل، وتعود الحياة إلى مجراها الطبيعي.

ومع ذلك، فإن فشل الاتصالات مع المركبات الفضائية البحثية الموجودة على أطراف نظامنا الشمسي يمكن أن يلحق الضرر بالبعثات الفضائية التي تستمر لسنوات وتكلف مئات الملايين من الدولارات، بل وأكثر من ذلك. في المستقبل، عندما يتوسع النشاط البشري نحو القمر والمريخ، وسيزداد عدد المركبات الفضائية حول هذه الأجسام بشكل لا يقاس مقارنة بالوضع الحالي، ستكون هناك حاجة إلى نظام اتصالات عبر الأقمار الصناعية طويل المدى. في هذه المقالة سوف نستعرض بعض الجوانب المتعلقة بالبناء شبكة الاتصالات الفضائية والتي سوف تنتشر على اتساع نظامنا الشمسي.

شبكة الفضاء السحيق

الاتصال بين المركبة الفضائية البحثية والأرض هو اتصال من نقطة إلى نقطة، مما يعني أن المركبة الفضائية تكون في خط رؤية الأرض وترسل إلى موقع واحد معروف ومحسوب مسبقًا. في وقت كتابة هذه السطور، على سبيل المثال، هناك مركبة فضائية في طريقها إلى بلوتو، ويتم التواصل اليومي مع المركبات الفضائية الموجودة حول زحل والمريخ، ومع عدة مركبات فضائية بحثية أخرى، بعضها غادر النظام الشمسي، مثل فوييجر.

نظراً للمسافة الكبيرة التي تعمل عليها المركبات الفضائية البحثية غير المأهولة التي تدرس الكواكب، وبسبب مشاكل الطاقة اللازمة للإرسال الراديوي من المركبات الفضائية (والتي تكون دائماً محدودة بحجم خلاياها الشمسية أو قوة الوحدة النووية) التي تزود بعضها بالكهرباء)، تم إنشاء نظام من الهوائيات الكبيرة جدًا على الأرض، مما يسمح بالتواصل مع المركبات الفضائية المختلفة.

يُطلق على هذا النظام اسم شبكة الفضاء العميق (DSN) ويتم تشغيله لصالح وكالة الفضاء الأمريكية ناسا بواسطة مختبر الدفع النفاث JPL. وتعتمد المصفوفة على هوائيات ضخمة قابلة للتعديل تم تركيبها في كاليفورنيا وإسبانيا وأستراليا، حيث تسمح المسافة الزاوية بين كل محطة بالاتصال المستمر بالمركبة الفضائية على الرغم من دوران الأرض حول محورها.

أقمار الاتصالات حول الكواكب

في هذه المرحلة من استكشاف النظام الشمسي باستخدام المركبات الفضائية، لا توجد حتى الآن أقمار صناعية تدور حول الكواكب وتعمل كأقمار صناعية مخصصة للاتصالات ويكون دورها الرئيسي هو أقمار الاتصالات للمريخ والقمر والكواكب الأخرى. ومع ذلك، حتى اليوم، تعرف المركبات الفضائية من مختلف البلدان كيفية "التحدث" مع بعضها البعض، وبالتالي، على سبيل المثال، يمكن للروبوتات التي تديرها الولايات المتحدة، والتي تجوب سطح المريخ، نقل المعلومات عبر مركبة فضائية تابعة لوكالة الفضاء الأوروبية تدور حولها. المريخ.

التوافق بين بروتوكولات الاتصال هو نتيجة التعاون والمناقشات الطويلة بين وكالات الفضاء. ومع زيادة حجم الاتصالات التي سيتم نقلها من المريخ إلى الأرض، ستكون هناك حاجة إلى محطات ترحيل مخصصة للمركبات الفضائية، مثل أقمار الاتصالات في مدار المريخ الثابت - أي حول المريخ - أو عدة أقمار اتصالات ستطفو على سطح المريخ. حزام الكويكبات بين مدار المريخ ومدار المشتري.

من الأرض إلى الفضاء: نموذج الإنترنت

الإنترنت لامركزي بشكل أساسي - لا يوجد مركز واحد يتم فيه تخزين كافة المعلومات ويتم إدارة الاتصالات منه. وفي السنوات الأخيرة، كان هذا النموذج الموزع في قلب تخطيط وكالات الفضاء المختلفة، وعلى رأسها وكالة ناسا، عندما يتعلق الأمر بتوصيف بنية الاتصالات في النظام الشمسي للسنوات القادمة.

يجب أن تكون شبكة الإنترنت الكوكبية مقاومة للاضطرابات المختلفة (مثل العواصف على سطح الشمس)، وانقطاعات الإرسال (على سبيل المثال عندما تكون مركبة فضائية خلف كوكب) وتسمح للمهمة بالاستمرار على الرغم من هذه الظروف. وبطبيعة الحال، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أيضًا تأخير الاتصال الناجم عن المسافة - على سبيل المثال، يمكن أن يتراوح تأخير الاتصال بين الأرض ومركبة فضائية موجودة حول المريخ من 3.5 دقيقة إلى 20 دقيقة.

يكمن الاختلاف الأساسي بين الإنترنت الكوكبي والإنترنت على الأرض في حقيقة أنه لن يكون هناك اتصال مستمر بين اثنين من المستخدمين النهائيين - ويجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار، وهكذا، على سبيل المثال، حزم المعلومات التي تمر من مركبة فضائية إلى يجب أن يبقى قمر الترحيل على القمر الصناعي إذا لم يكن له اتصال مباشر مع القمر الصناعي التالي أو مع الأرض، وينتظر حتى يتم العثور على قناة اتصال -مباشرة أو غير مباشرة- ومن ثم يتم نقل المعلومات.

وهذا يتطلب وجود بنوك ذاكرة كبيرة في أقمار الترحيل التي ستشكل الإنترنت الكوكبي، بالإضافة إلى منطق تشغيل مختلف عن المعتاد في اتصالات الكمبيوتر الموزعة على الأرض. تشبه الطريقة المبدأ الموجود في استخدام أقمار الاتصالات في مدار منخفض حول الأرض، والمعروف باسم المخزن والأمام (وهذا يشبه لاعب كرة السلة الذي لا يستطيع محاولة تسجيل سلة من موقعه الحالي في الملعب، والذي يمرر الكرة إلى لاعب آخر يمكنه القيام بذلك، أو الذي يقوم بدوره بتمرير الكرة إلى لاعب آخر الذي سيحاول التسجيل). يضمن هذا الوضع عدم فقدان المعلومات المرسلة في حالة انقطاع الاتصال، والسعر المدفوع هو مجرد تأخير في استلامها.

ستتكون شبكة الإنترنت الكوكبية من عدة أقمار صناعية تقع في مدارات ومواقع مختلفة في اتساع النظام الشمسي، وسيكون كل منها قادرًا على استقبال المعلومات ونقلها إلى كل مكون من مكونات الشبكة الفضائية التي سيكون له خط إليها مشهد. في الاتصالات الفضائية التي يتم تنفيذها اليوم، تتطلب كل خطوة اتصال مع مركبة فضائية مشاركة شخص وتخطيط دقيق للغاية يضمن إنشاء الاتصال وجودته والفترة الزمنية التي سيتم خلالها الاتصال بالمركبة الفضائية. تجري. عندما تعمل شبكة الإنترنت الكوكبية، سيتم تنفيذ جزء كبير من العمليات المطلوبة لإنشاء الاتصال تلقائيًا دون تدخل بشري، وبتوافر أكبر بكثير من الاتصال من نقطة إلى نقطة.

سيمكن الإنترنت الفضائي من وجود مهمات فضائية مبتكرة، والتي يمكن أن تشمل الهبوط المتزامن للعديد من المركبات الفضائية في عدة مواقع هبوط، والتكامل بين المركبات الفضائية في مدارات مختلفة حول الكوكب، والبحث باستخدام أنظمة الطيران المختلفة (مثل الطائرات بدون طيار، والمركبات الجوية بدون طيار، أو البالونات في سياق المريخ). علاوة على ذلك، سيكون الإنترنت الفضائي قادرًا على تقديم مهام مأهولة بموثوقية أعلى على سطح القمر وفي المستقبل البعيد - على سطح المريخ وفي منطقة الكويكبات.

ويجب أن يأخذ الإنترنت الفضائي أيضًا في الاعتبار تشوهات الإشارات نفسها، والتي تنتج عن إرسالها عبر منصة تتحرك بسرعة عالية. ويجب أن يؤخذ تأثير دوبلر في الاعتبار عند معالجة الإشارات ونشرها بشكل أكبر. في الماضي، كادت هذه التفاصيل أن تُنسى خلال مهمة مركبة هويجنز الفضائية، التي انطلقت من المركبة الفضائية كاسيني إلى قمر زحل تيتان. فقط يقظة فني شاب هي التي لفتت الانتباه إلى المشكلة، وتمت إعادة برمجة جزء من نظام اتصالات المركبة الفضائية مسبقًا.

ما هو النطاق الترددي الذي ستحصل عليه على المريخ؟

سيتم نشر شبكات صغيرة في المستقبل حول مراكز النشاط البشري، خاصة حول القمر وحول المريخ. يمكن لعدد قليل من أقمار الاتصالات في مجموعة متنوعة من المدارات المناسبة أن تدعم النشاط البحثي الآلي الثابت والمتحرك على السطح، بالإضافة إلى الأدوات التي من شأنها أن تدور حول القمر أو المريخ في مدارات أقل.

ستكون مبادئ الإنترنت الكوكبي قابلة للتطبيق أيضًا في الشبكات الإقليمية حول المريخ أو القمر. إن الإنترنت الكوكبي ليس ضروريًا فقط لدعم نشاط المركبات الفضائية البحثية ونقل البيانات منها وإليها. أثناء النشاط البشري على القمر أو المريخ، ستكون هناك حاجة إلى مراقبة مستمرة للحالة الصحية لرواد الفضاء - وسيتم ذلك بسهولة عن طريق شبكة اتصالات محلية.

كما أن أقمار الاتصالات التي ستشكل شبكات الاتصالات الفضائية يجب أن تقوم بمعالجة المعلومات الموجودة بالفعل على القمر الصناعي، وليس مجرد نقل المعلومات الأولية إلى الأرض - وهذا ما يظهر في الوقت الحاضر في أقمار الاتصالات المختلفة ويعرف باسم المعالجة على متن الطائرة باختصار. قد تؤدي المعالجة على أجهزة الكمبيوتر الفضائية إلى تبسيط العملية بشكل كبير.

أولا، تتيح معالجة المعلومات على القمر الصناعي ضغطا أفضل للبيانات واستخدام مجموعة متنوعة من الترددات الراديوية، مما يوفر الكهرباء في المركبة الفضائية نفسها واستخدام حزم الاتصالات في تكوين أكثر اقتصادا. علاوة على ذلك، في مختلف المهام، تتمتع المركبة الفضائية بوقت إرسال X إلى الأرض. كلما تم إجراء المزيد من المعالجة في سفينة الفضاء نفسها، كلما زادت فائدة المعلومات التي ستصل إلى الأرض.

كما أن معالجة المعلومات على الأقمار الصناعية نفسها سترسل معلومات معالجة إلى الأرض يمكن العمل عليها على الفور. ثانيًا، يتم تخزين المعلومات الأولية على خوادم، وتتم معالجتها ومعظمها لا يراها الباحثون ولن يراها - نظرًا لأن المشاريع البحثية محدودة زمنياً ويتحمل الأشخاص الموجودون على الأرض جزءًا كبيرًا من التكلفة. لذلك، من المستحسن تجنب العملية المعتادة لإرسال المعلومات الأولية ومعالجتها أثناء وجودها على الأرض قدر الإمكان. ثالثا، في مثل هذه العملية يمكن تمييز أنماط التغيير، وهو ما يخدم أقمار الأرصاد الجوية مثلا.