habrahabr

DSS-43: единственная антенна, которая поддерживает связь с Вояджером-2

  • вторник, 24 сентября 2024 г. в 00:00:08
https://habr.com/ru/companies/first/articles/844880/

Вот уже не первый год энтузиасты изучения космоса с интересом следят за новостями про Вояджер-2. То связь с ним потеряна, то не хватает вырабатываемой мощности, то отказали приборы. Но как-то НАСА ухитряется каждый раз находить выход и удаленно взаимодействовать с кораблем 1977 года постройки на расстоянии 20 млрд километров. Просто для понимания: это где-то в 136 раз больше, чем от Земли до Солнца. 

Про сам Вояджер-2 писали многие, в том числе на Хабре. А вот про единственную антенну, которая обеспечивает с ним связь, информации немного. Давайте это исправим и посмотрим на DSS-43 — часть сети дальней космической связи NASA Deep Space Network.


Что собой представляет DSS-43

Антенна DSS-43 (аббревиатура от Deep Space Station) расположена в долине реки Паддис, в 20 км от Канберры, недалеко от заповедника Тидбинбилла. Сама антенна работает не одна — она является частью так называемого «Комплекса дальней космической связи в Канберре» (CDSCC). Хотя DSS-43 — самая большая, есть еще три действующих антенны поменьше: DSS-34, DSS-35 и DSS-36. 

Здесь располагается комплекс связи CDSCC
Здесь располагается комплекс связи CDSCC

DSS-43 используется для связи с очень удаленными космическими объектами, где нужна большая апертура и чувствительность. А остальные — для задач попроще, чтобы не нужно было стрелять из пушки по воробьям. Например, прямо сейчас, пока я пишу статью, DSS-36 обменивается данными с космическим рентгеновским телескопом XMM-Newton на расстоянии 95,9 тысяч км. 

DSS-43 на фоне живописных холмов австралийской глуши
DSS-43 на фоне живописных холмов австралийской глуши
Расположение других тарелок на виде со спутника. DSS-45 и DSS-46 сейчас не используются и являются объектами исторического наследия
Расположение других тарелок на виде со спутника. DSS-45 и DSS-46 сейчас не используются и являются объектами исторического наследия

DSS-43 является не только самой большой в комплексе, но и во всем Южном полушарии. Параболическая радиоантенна имеет диаметр 70 метров и относится к типу Кассегрена, очень распространенному в радиоастрономии благодаря отличному коэффициенту усиления и узкой диаграмме направленности. 

Если очень примитивно, не углубляясь в поляризацию волн, то принцип основан на двойном отражении, как в оптических телескопах. Излучатель расположен в центре главного параболического зеркала и направлен на выпуклый субрефлектор — вторичное гиперболическое зеркало. Фокусы обоих зеркал геометрически совпадают (точнее — ближний фокус субрефлектора и фокус параболического зеркала). В результате:

  • При передаче сигнала электромагнитная волна нужной мощности и частоты попадает на вторичное зеркало и отражается от него.

  • Отраженные волны повторно отражаются от главного зеркала и распространяются в нужном направлении. 

  • В случае приема сигнала происходит обратная ситуация: излучатель становится приемником. Фильтрует сигнал, усиливает и дальше передает его на обработку. 

Принцип действия антенны Кассегрена
Принцип действия антенны Кассегрена
Так схематично выглядит расположение основных элементы антенны DSS-36 с диаметром зеркала 34 метра — принцип в DSS-43 тот же. Часть антенны находится под землей
Так схематично выглядит расположение основных элементы антенны DSS-36 с диаметром зеркала 34 метра — принцип в DSS-43 тот же. Часть антенны находится под землей

Соответственно, чем больше диаметр зеркала (апертура), тем больше электромагнитного сигнала получится собрать. По сути, мы не ограничены в размерах, однако при этом:

  • возрастает масса, а ведь эту махину требуется направлять в нужную точку, причем очень точно — отклонения даже в десятые доли градуса привело бы к ошибке наведения условно в десятки тысяч километров;

  • повышается парусность — ветер может легко сбить ориентацию антенны. Да и остается вопрос общей жесткости конструкции;

  • возрастают требования к точности подгонки элементов — чем больше диаметр, тем больше количество и размер отражающих элементов, из которых состоит зеркало.  

Ну, и еще много других нюансов вроде компенсации влияния движения Земли, внешних электромагнитных излучений (поэтому станции располагают подальше от населенных пунктов и подстанций) и так далее. 

DSS-43 имеет массу свыше 3000 тонн: поверхность собрана из 1272 легких алюминиевых панелей общей площадью 4180 м2 с высокой степенью полировки — среднеквадратичная шероховатость составляет 0,25 мм. Конечно, это не идет в сравнение со степенью полировки зеркал оптических телескопов порядка 15-20 нм, но все-таки. 

При этом, чтобы решить проблему воздействия ветра, между панелями есть перфорации. Допустимая скорость ветра — 72 км/ч, при этом на ориентацию гарантированно не повлияют порывы до 88 км/ч. В эквиваленте речь идет о 8-9 баллах по шкале Бофорта

Точность позиционирования для зеркала весом в 3000 тонн поражает — 0,005 градусов, или 18 угловых секунд. Разумеется, быстро повернуть не получится — скорость составляет порядка 0,25 градуса в секунду. 

Коэффициент усиления антенны составляет от 61,04 до 80,1 дБ, в зависимости от частоты сигнала. Это в шесть раз больше, чем у ранее использовавшейся антенны DSS-42, с диаметром зеркала 26 метров. Это особенно важно в плане взаимодействия с Вояджером-2, поскольку мощность его излучения — всего 23 Вт. Не надо говорить, насколько сильно из-за множества факторов уменьшается интенсивность сигнала, который проходит расстояние в 20 млрд километров. Поэтому сигнал нужно не только принять благодаря точному позиционированию, но и усилить, не потеряв ни одного бита данных.  

Данные взяты из The Deep Space Network Radio Astronomy User Guide на сайте НАСА
Данные взяты из The Deep Space Network Radio Astronomy User Guide на сайте НАСА
Также на коэффициент усиления влияют угол возвышения и другие факторы. Например, вот данные из исследования 1987 года для частоты 8,45 ГГц — коэффициент усиления варьируется в пределах 73-74 дБ
Также на коэффициент усиления влияют угол возвышения и другие факторы. Например, вот данные из исследования 1987 года для частоты 8,45 ГГц — коэффициент усиления варьируется в пределах 73-74 дБ
Угол распространения луча, излучаемого антенной, составляет от 9,72±0,96 до 0,74 угловых минут, в зависимости от несущей частоты 
Угол распространения луча, излучаемого антенной, составляет от 9,72±0,96 до 0,74 угловых минут, в зависимости от несущей частоты 

Сейчас антенна поддерживает сразу несколько диапазонов частот — это позволяет работать с космическими аппаратами на разном удалении от Земли:

  • Для передачи: X-диапазон (7145–7190 МГц) и S-диапазоны (2090–2120 МГц);

  • Для приема: X-диапазон (8200–8600 МГц), S-диапазон (2200-2300 МГц), L-диапазон (1400-1900 МГц) и К-диапазон (18,0–26,0 ГГц). 

ITU выделила определенные полосы частот, в зависимости от удаленности космических аппаратов
Рабочая частота для Вояджеров
Рабочая частота для Вояджеров

Типовая мощность передачи сигналов для связи с космическими аппаратами составляет 18-20 кВт. Однако при передаче большого количества команд или в случае аварийной ситуации, когда нужно одновременно искать корректную частоту (например, как было при утрате связи с Вояджером-2), может потребоваться бОльшая мощность. Для этого на DSS-43 используется дополнительный передатчик S-диапазона мощностью до 400 кВт. Другой пример, когда он потребовался: во время проведения испытаний связи с аппаратом Rosetta в 2010 году, DSS-43 задействовал мощность передачи 95 кВт

Более подробную информацию о коммуникационных возможностях антенны можно прочитать в этом справочнике.

Почему только DSS-43 поддерживает связь с Вояджером-2

Тут все довольно просто. Дело в том, что в 1989 году Вояджер-2 совершал близкий пролет над спутником Нептуна — Тритоном, чтобы пройти мимо его северного полюса. Из-за этого его последующая траектория стала проходить к югу относительно плоскости планет — с тех пор он движется в этом направлении.

Это означает, что у него пропала видимость со всеми радиоантеннами в Северном полушарии. А из крупных в Южном полушарии, которая могла бы поддерживать с ним контакт, оставалась только DSS-43. 

Так выглядит путешествие обоих Вояджеров, в зависимости от даты. Вояджер-2 имеет связь только с DSS-43 с 1989 года
Так выглядит путешествие обоих Вояджеров, в зависимости от даты. Вояджер-2 имеет связь только с DSS-43 с 1989 года

Чтобы обеспечивать постоянную стабильную связь с аппаратом, антенну несколько раз модернизировали. Из крупных обновлений:

Процесс модернизации антенны в 2020 году 
Процесс модернизации антенны в 2020 году 

Есть ли еще подобные антенны

В самом начале мы упоминали, что в «Комплексе дальней космической связи в Канберре» (CDSCC), кроме DSS-43, есть еще три действующих антенны поменьше. Но на самом деле CDSCC является частью общей сети NASA, которая называется Deep Space Network (DSN).

Всего в нее входят три комплекса: 

  • Упомянутый в Канберре — антенны имеют номера 3Х-4Х.

  • В Голдстоуне, Калифорния — антенны с номерами 1X-2X. Так же, как и в Австралии, используются три антенны DSS-24, DSS-25 и DSS-26 с диаметром зеркала 34 метра, и одна с 70-метровым — DSS-14.

  • В Мадриде — антенны с номерами 5Х-6Х. Одна антенна DSS-63 (полная копия DSS-43) с диаметром зеркала 70 метров, и целых пять 34-метровых антенн: DSS-53, DSS-54,  DSS-55,  DSS-56 и  DSS-65.

Комплекс дальней космической связи недалеко от Мадрида
Комплекс дальней космической связи недалеко от Мадрида

Разумеется, они расположены в этих точках Земли не просто так. Расположение всех трех объектов гарантирует, что практически любой космический корабль, находящийся в прямой видимости с Землей, может связаться по крайней мере с одним из объектов в любое время. Исключение составляет как раз только Вояджер-2. 

 

Карта с расположением трех станций сети DSN
Карта с расположением трех станций сети DSN
Каждая из них закрывает сектор в 120 градусов, если смотреть на их расположение со стороны Северного полюса
Каждая из них закрывает сектор в 120 градусов, если смотреть на их расположение со стороны Северного полюса
Работу всех телескопов, входящих в сеть Deep Space Network, можно посмотреть в реальном времени на сайте NASA. Например, когда я писал эту статью, DSS-43 активно обменивался данными с Вояджером-2 на расстоянии 20.4 млрд километров, при азимуте 214 р
Работу всех телескопов, входящих в сеть Deep Space Network, можно посмотреть в реальном времени на сайте NASA. Например, когда я писал эту статью, DSS-43 активно обменивался данными с Вояджером-2 на расстоянии 20.4 млрд километров, при азимуте 214 р

Но кроме DSN, станции дальней космической связи есть у других организаций и стран:

1. European Space Tracking (ESTRACK). Принадлежит Европейскому космическому агентству. Поддерживают связь с аппаратами XMM-Newton, Mars Express, BepiColombo, Gaia. Основная сеть состоит из семи наземных станций: четыре используются для отслеживания аппаратов вблизи Земли (например, спутников), а три других — для дальнего космоса, при помощи антенн диаметром 35 метров каждая. Речь идет о станциях в таких местах:

Расположение станций ESTRACK
Расположение станций ESTRACK
Антенна DSA-1 в Нью-Норсии
Антенна DSA-1 в Нью-Норсии

2. Восточный центр дальней космической связи (Роскосмос). Расположен в селе в районе села Галёнки Приморского края, недалеко от Уссурийска. Первоначально в 60–70-х годах состоял из двух антенн комплекса «Сатурн‑МСД»: передающей П-200П диаметром 25 метров, и приемной П-400П, диаметром 32 метра. Работал в дециметровом и сантиметровых диапазонах. В 1985 году был внедрен комплекс «Квант‑Д» на базе антенны П-2500 с диаметром зеркала 70 метров и мощностью передатчиков до 200 кВт.

Важно упомянуть, что еще один центр дальней космической связи есть в селе Витино, недалеко от Евпатории. Там также используется антенна П-2500 (кстати, цифра 2500 — это площадь зеркала в квадратных метрах). Оба центра обеспечивали связь с космическими аппаратами «Фобос», «Марс», «Венера», «Вега» и многих других. 

Антенна П-2500 недалеко от Уссурийска
Антенна П-2500 недалеко от Уссурийска
Антенна П-2500 возле Евпатории
Антенна П-2500 возле Евпатории

3. Китайская сеть дальней космической связи (CDSN). Использовалась для контроля полета «Чанъэ-1» и последующих лунных миссий, миссии на Марс «Тяньвэнь-1» и других. Первая антенна с зеркалом диаметром 25 метров была построена еще в 1993 году, в горах недалеко от Урумчи. Позже, начиная с 2000-х годов, появились:

  • 50-метровая антенна в Миюне, недалеко от Пекина. 

  • 35-метровая в Каши.

  • 40-метровая в Юньнани.

  • 65-метровая в Шанхае.

  • 66-метровая антенна в Цзямусы.

  • 70-метровая в Тяньцзине. 

Расположение известных антенн в Китае
Расположение известных антенн в Китае
Антенна диаметром 65 метров в Шанхае
Антенна диаметром 65 метров в Шанхае

Дополнительно Китай в 2017 году построил станцию Эспасио Лехано в Аргентине — антенна диаметром 35 м позволила непрерывно поддерживать связь со всеми космическими объектами в любое время дня. 

Кроме США, Европы, России и Китая, центрами дальней космической связи также обладают: 

Причем обе страны активно сотрудничали во время своих миссий как с NASA, так и ESTRACK.

64-метровая антенна в Мисасе, Япония
64-метровая антенна в Мисасе, Япония
Антенна диаметром 32 метра расположена в индийском Бьялалу 
Антенна диаметром 32 метра расположена в индийском Бьялалу 

Когда DSS-43 была построена и в каких миссиях использовалась

Первой антенной, которую NASA построила в Канберре, стала DSS-42. Ее строительство началось в начале 60-х годов, а введена в эксплуатацию она была в середине 1964 года. Имела диаметр 26 метров и была рассчитана на 15-летний срок службы. Станция работала на частотах от 1 до 3 ГГц и имела довольно точный шаг позиционирования — 0,1 градус, в 20 раз больше, чем у DSS-43. Ориентация осуществлялась при помощи двух зубчатых механизмов: ось одного была параллельна оси вращения Земли, а ось другого — параллельно экватору. 

Одна из первых фотографий DSS-42, середина 60-х годов
Одна из первых фотографий DSS-42, середина 60-х годов

Основной задачей было обеспечить устойчивую связь с аппаратом Mariner 4, работая в паре с антенной-близнецом DSS-11 — она получила прозвище Pioneer Station, поскольку была построена первой в 1958 году, в Голдстоуне. В результате 15 июля 1965 года, когда аппарат во время пролета максимально приблизился к красной планете и успел сделать 22 фотографии, их приём поочередно осуществлялся при помощи антенн DSS-42 и DSS-11, расположенных на противоположных концах Земли. 

На первых фотографиях с Маринер 4 отчетливо видны ударные кратеры, как на Луне
На первых фотографиях с Маринер 4 отчетливо видны ударные кратеры, как на Луне

Инженеры NASA понимали, что нужны более мощные приемные и передающие устройства, чтобы получать фотоснимки более высокого качества или даже видео с приемлемой скоростью. В 1966 году они вводят в эксплуатацию первую антенну с диаметром зеркала 64 метра — DSS-14 в Голдстоуне. А вслед за этим в 1969 году приступают к постройке антенны-близнеца в Канберре — DSS-43. 

Первые тесты антенны состоялись в начале декабря 1972 года. Как мы уже упоминали ранее, антенна имела чувствительность в шесть раз лучше, чем DSS-42, и поэтому больше подходила для почетного тестирования — приема видео- и аудиосигналов с Apollo 17 в момент высадки на Луну. На секундочку, это была шестая по счету высадка, и она же пока является последней. 

Одна из фотографий, переданных с поверхности Луны — возле ровера астронавт Юджин Сернан
Одна из фотографий, переданных с поверхности Луны — возле ровера астронавт Юджин Сернан

Официальное открытие DSS-43 состоялось 13 апреля 1973 года при участии премьер-министра Австралии Гофа Уитлэма. С этого момента она успешно работает и по сей день — уже больше 50 лет!

В 1974 году в Мадриде была построена DSS-63, и Deep Space Network в виде треугольника, «мониторящего» космическое пространство при любом положении Земли, официально стало реальностью. Вот лишь небольшой список миссий, в которых DSS-43 использовалась:

До сих пор порядка 42% всех данных, которые сейчас передаются с космических аппаратов NASA, поступают через DSS-43. 

Ну и, конечно, DSS-43 является единственным связующим звеном с Вояджером-2. И все модернизации, о которых мы говорили выше (увеличение диаметра зеркала с 64 до 70 метров в 1987 году и масштабное обновление 2020 года) направлены по большей части именно на устойчивую работу с зондом. На секундочку, запущенного еще в далеком 1977 году и уже покинувшего пределы Солнечной системы. 

Какое будущее у DSS-43

В 2013 году NASA посчитало затраты на обслуживание 70-метровых антенн и пришло к выводу, что обслуживание таких махин не очень оправдано. Якобы к 2025 году каждую из трех 70-метровых антенн DSN заменят массивы по четыре 34-метровых антенны, работающих в связке. Однако на дворе 2024 год, но других новостей по теме нет — тот же DSS-43 продолжает обмениваться данными с Вояджером-2 прямо сейчас

Так что кажется, что после масштабной модернизации 2020 года 70-метровая антенна станции Канберра прослужит еще не один год: нужно продолжать передавать данные как с Вояджера-2, так и с марсоходов Curiosity и Perseverance. А еще на подходе миссия Артемис по возвращению астронавтов на Луну. Да и не стоит забывать о мечтах Илона Маска о колонизации Марса. И как-то же придется колонистам звонить родным на Землю в любое время суток? 🙂 

Так что, как говорится: «Поживем — увидим».


НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.