DEEP SPACE NETWORK

Autor: Martin Kolář



            Výzkum naší sluneční soustavy je v dnešní době zajišťován hlavně kosmickými sondami. Tato zařízení nám přinesla mnoho velmi zajímavých informací o Merkuru, Venuši, Marsu, Jupiteru, Saturnu, Uranu a Neptunu. Už od dob prvních sond, slavných Voyagerů nebo Pioneerů, musela tato zařízení nějakým způsobem komunikovat s lidskou obsluhou na Zemi, ať už jen pro zaslání získaných dat nebo pro příjem řídících povelů ze Země. Žádná z těchto meziplanetárních misí by se neuskutečnila, nebýt systému označovaného jako Deep Space Network, který zajišťuje radiovou komunikaci mezi sondami a kontrolními terminály NASA. Dne 28.dubna 2001 dorazil na Zemi velmi slabý signál (asi 1x10^-21 W) . Pro představu: Tento signál byl tak slabý, že by jeho výkon nestačil na rozsvícení obyčejné žárovky, ani kdyby se kumuloval po dobu miliardy let. Tento signál vyslala slavná sonda Pioneer 10. V té době již za dráhou Pluta. Ale i takto slabý signál byla tato komunikační síť schopna zachytit a předat vědcům.
            NASA Deep Space Network je největší a nejcitlivější vědecký telekomunikační systém a nejpřesnější radionavigační civilní síť na světě. Tato síť umožňuje přenos dat mezi pozemskými řídícími středisky, meziplanetárními sondami a dokonce vybranými orbitálními misemi. Jelikož požadavky orbitálních satelitů jsou poněkud jiné, je komunikace s nimi zajišťována převážně druhou největší telekomunikační sítí NASA a to Tracking and Data Relay Satellite Systeme. DSN je dále schopna zajistit radioastronomický výzkum sluneční soustavy a okolního vesmíru. Systém Deep Space Network tvoří oddělenou část úřadu vesmírných komunikací NASA (Office of Space Communications) a je spravován laboratoří tryskových pohonů (Jet Propulsion Laboratory) kalifornského institutu technologie v Pasadeně v Kalifornii (California Institute of Technology).


Historie Deep Space Network

            31. ledna 1958 byla na oběžnou dráhu vyslána první vojenská družice pojmenovaná Explorer 1. Laboratoř tryskových pohonů JPL (Jet Propulsion Laboratory) dostala za úkol navrhnout, postavit a zprovoznit komunikační systém pro příjem telemetrických dat z této družice. Proto byly umístěny mobilní komunikační stanice v Singapuru, Nigérii a Kalifornii. Vůbec první stanice byla postavena v Goldstone v jižní Kalifornii. Ještě téhož roku 1.října 1958 vznikl Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA), který sloučil vesmírné výzkumné programy armády, námořnictva a letectva do jedné civilní organizace. Nakonec, asi po dvou měsících, byla JPL přeřazena pod hlavičku NASA. Od té doby začala vznikat představa budoucí sítě DSN, jakožto samostatného komunikačního pracoviště pro všechny nadcházející vesmírné programy. Tato idea měla jednu obrovskou výhodu: Každá výprava nebude muset řešit vlastní telekomunikační potřeby.
            Během let přibývalo kosmických výprav, vylepšovaly se komunikační technologie. Proto síť DSN nemohla zůstat bez úprav. Aby bylo možno držet krok s narůstajícím provozem, musela být síť satelitů periodicky vylepšována. Operační řídící středisko, které řídí a monitoruje činnost všech komplexů, je nyní umístěno v JPL v Pasadeně.


Komunikační Antény

            Jelikož je často potřeba být s kosmickou sondou v kontaktu nepřetržitě 24 hodin denně netvoří systém Deep Space Network, kvůli zemské rotaci, pouze jedna stanice. Země se otočí za jednu sekundu asi o 0.004 stupně. Na Zemi jsou proto rozmístěny rovnou tři komplexy antén. Jednotlivé stanice se nacházejí v USA-Kalifornii, Španělsku a Austrálii. Jsou rozmístěny po zemském povrchu po 120 stupních zeměpisné délky.

zeme.jpg

            Australský komplex se nachází asi 40 km jihozápadně od města Canberra, blízko Tidbinbillské národní rezervace. Španělský pak 60 km západně od Madridu a nakonec kalifornský Goldstone v Mohavské poušti, 72 km severovýchodně od města Barstow. Všechny stanice se nachází v neobydlených oblastech, daleko od městských částí. Kvůli rádiové interferenci s pozemskými zdroji jsou komplexy umístěny v kopcovitém nebo miskovitém terénu.
            Každý komplex je vybaven několika parabolickými anténami. Od největší 70 metrové antény, která je schopna dosáhnout vysílacího výkonu až 400kW, přes 2 antény o průměru 34 a jednu o průměru 26 metrů, až po antény o průměru 11 metrů. Jelikož komplex v Goldstone se nachází blízko Jet Propulsion Laboratory, je tento vybaven dokonce šesti 34metrovými anténami a provádí se zde výzkum a vývoj komunikačních systémů pro DSN. Všechny komplexy ještě používají všesměrovou anténu o průměru 13 cm pro přesné určení zeměpisné polohy, podle které se určují dráhy satelitů na oběžné dráze Země.
            Antény o průměru 70 metrů, které jsou nejcitlivější, mohou komunikovat se sondami, které jsou vzdáleny až 16 miliard kilometrů od Země. Každá anténa zaujímá plochu 3850 m^2 a je schopna se otáčet úhlovou rychlostí jen čtyř tisíciny stupně za sekundu. Dvě antény o průměru 34 metrů se užívají jak pro komunikaci se sondami na oběžné dráze tak, spolu se 70 metrovými, pro komunikaci s meziplanetárními sondami. Signál vyslaný za drahami Jupiteru nebo Saturnu je totiž natolik slabý, že se pro zachycení vysílání používá kombinace více antén. Tyto antény jsou umístěny na azimutální montáži a proto umožňují pohyb v obou osách až do 0.4 stupně za sekundu. Pro komunikaci s objekty na oběžných drahách Země ve výškách 160 až 1000 kilometrů se používají antény s průměrem 26 metrů. Podle vzdálenosti družice od povrchu Země se doba, po kterou je těleso viditelné nad obzorem, pohybuje v rozmezí jedné až dvanácti minut. Proto jsou 26 metrové antény schopny se otočit až o 3 stupně za sekundu. Jelikož jsou vysílané signály z oběžné dráhy, díky vzdálenosti, velmi silné, není nutno pro příjem používat ultracitlivé přijímače. Pro zajištění komunikace většiny orbitálních misí je proto použito telekomunikační sítě Tracking and Data Relay Satellite Systems, který je spravován a provozován Goddardovým střediskem vesmírných letů (Goddard Space Flight Center) v Greenbeltu v Marylandu. Antény s průměry 11 metrů se staly, společně s několika dalšími anténami po celém světě, součástí projektu nazvaného Very Long Baseline Interferometer, který zkoumá jádra kvasarů, pohyb kontinentů na Zemi a také testuje obecnou teorii relativity.
            Parabolické antény kosmických sond mívají průměr jen několika málo metrů. Používají se zde zrcadlové antény s velkým ziskem a velkým odstupem signál-šum. Vysílače těchto sond také nejsou nejvýkonnější. Meziplanetární sondy nejsou většinou schopny vyslat signál, který by měl výkon větší než 20W. Bohužel hmotnost a energetické zdroje sond jsou velmi omezeny, a proto není možné nainstalovat výkonnější vysílač. Z těchto důvodů je pro komunikaci mezi sondami a pozemními stanicemi využito mikrovlnné rádiové frekvence. Anténa vysílače sondy soustředí veškerou vyzářenou energii do velmi úzkého paprsku. I přesto, pokud je signál vyslán ze vzdálenosti např. Saturnu, se úzký paprsek rozptýlí tak, že pokrývá plochu o průměru 1000x větší než je poloměr naší Země. Pozemní anténa tak přijímá jen nepatrný zlomek vyslaného signálu.


Komunikace

            Základem všech kosmických misí je obousměrná komunikace mezi Zemí a sondou. Z popisu systému DSN je jasné, že jsme díky širokému spektru používaných antén schopni komunikovat jak s objekty na oběžné dráze Země tak s meziplanetárními sondami.

Komunikace se sondami na oběžné dráze Země

            Signál přicházející na Zemi i signál přijímaný sondou je při těchto vzdálenostech velmi silný. Pro komunikaci tedy bohatě stačí i antény s průměrem 3x menším než u meziplanetárních kosmických sond. Jak už bylo řečeno. Vzhledem k rychlosti, jakou družice prolétá nad obzorem, musí být komunikační antény systému DSN schopny otočit se až o několik stupňů za sekundu. Dvoucestná komunikace je taktéž díky vzdálenosti velmi rychlá. Radiový signál dorazí na oběžnou dráhu a zpět během několika sekund.

Komunikace s meziplanetárními sondami

            Vzdálenost mezi Zemí a meziplanetárními sondami je někdy i miliónkrát větší, než mezi Zemí a jejími umělými družicemi. Z toho důvodu je přijímaný signál velmi slabý. S rostoucí vzdáleností tedy klesá intenzita signálu a navíc stoupá podíl šumu. Abychom byli vůbec schopni nějaký signál ze sondy zachytit, musíme mít velké antény s ultracitlivými přijímači s nízkým šumem. Pro příjem signálu ze Země není sice sonda vybavena obří anténou, ale tento handicap je nahrazen obrovským vysílacím výkonem pozemních vysílačů.
            Kvalitu, tedy množství šumu v přijímaném signálu, mohou ovlivnit dvě hlavní věci. Precizní provedení spolu s průměrem antény a kvalitní nízkošumový přijímač.

Parabolické antény

            Díky jejich parabolickému tvaru je dopadající signál odražen od povrchu antény a je koncentrován do jednoho bodu (ohniska). Čím je tato parabola větší, tím je anténa schopna koncentrovat více energie. Dalším velmi důležitým faktorem je vysoká odrazivost povrchu. Část energie dopadající na povrch antény je totiž pohlcena a zbytek je odražen do ohniska, kde se nachází nízkošumový přijímač. Velmi důležitá je i přesnost provedení parabolického tvaru antény. Radiové vlny musí přicházet na vstup přijímače ve stejné fázi, tzn. musí být stejná vzdálenost od každého bodu odrazu k přijímači. Vlny, které nejsou ve stejné fázi, se navzájem ruší.

Nízkošumový přijímač

            Nízkošumový přijímač slouží ke zpracování odraženého signálu. Skládá se ze dvou částí:
předzesilovač – je umístěn přímo v ohnisku zrcadla antény. Zesiluje nám přijímaný signál 100 000 až 700 000 krát. Po zesílení už signál není tak náchylný na zašumění. Odtud je signál veden k dalšímu zařízení, které se nazývá telemetrický přijímač.
telemetrický přijímač – nachází se mimo anténu, ve středisku zpracování signálu SPC(Signal Processing Center). Zde jsou data dekomprimována, dekódována a naformátována pro další použití.

Kódování ve vesmíru

            Cílem komunikačního systému je přenést co největší množství vědecky využitelných dat. Při přenosu signálu na velké vzdálenosti ale vzniká mnoho chyb. Aby se zajistilo, že nedojde ke ztrátě dat, byla při prvních kosmických výpravách všechna data posílána vícekrát. Tento způsob je ale velmi neefektivní, a proto se od něj upustilo. Dnes se k datům přidají další informace, s jejichž pomocí je možno vzniklé chyby nalézt a opravit. Obecně je možno říci, že moderní sondy nevysílají data v bitech ale v symbolech, které jsou zakódovány v modulaci nosné vlny. Nejčastěji se používá konvolučního kódování v kombinaci s Viterbiho dekódováním. Dnešní sondy dosahují díky kódování více než desetinásobné rychlosti přenosu dat než při přenosu nekódovaných dat.


Budoucnost a další využití systému DSN

            Síť Deep Space Network neslouží jen pro telekomunikační účely vesmírných výprav. Některé antény jsou navíc využity pro vědecké experimenty nejrůznějšího druhu. Tyto experimenty pokrývají velmi široký rozsah oborů od mapování povrchu blízko prolétávajících asteroidů či planet nebo Měsíce až po výzkum jader vzdálených kvasarů. Rovněž je tato síť využívána k měření pohybu kontinentů a testování obecné teorie relativity. Síť DSN lze také využít pro radioastronomická pozorování, která provádějí jak američtí tak zahraniční vědci.
            Díky předpokládané aktivitě začátkem roku 2004, kdy k planetě Mars mají dorazit dvojice amerických roverů Spirit a Opportunity, dále Evropské sondy Mars Expres, Bengle 2 a Japonské Nozomi, čeká DSN řadu vylepšení a doplnění. Už dnes jsou požadavky na komunikační čas obrovské. Často se hledají velké kompromisy mezi jednotlivými výpravami, aby byly pokryty všechny jejich potřeby. Aby nebyla síť zcela ochromena v nadcházejícím období enormních požadavků, jsou přijímány některé kroky. Dnes je nejvýznamnější událostí uvedení do provozu nové 34metrové antény poblíž Madridu (1.11.2003).


Použitá literatura

ComputerWorld – ročník XIII 11-17.1.2002 - články:


Použitá literatura - internet