DSS-43: единственная антенна, которая поддерживает связь с Вояджером-2
- вторник, 24 сентября 2024 г. в 00:00:08
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.
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 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.
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.
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).
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.
Чтобы обеспечивать постоянную стабильную связь с аппаратом, антенну несколько раз модернизировали. Из крупных обновлений:
В 1987 году увеличили размер зеркала с 64 до 70 метров, тем самым повысив возможности антенны принимать более слабые сигналы от Вояджера-2 во время его приближения к Урану.
В 2020 году, когда Вояджер-2 уже как два года покинул пределы Солнечной системы и расстояния стали совсем огромными, NASA провело масштабную работу: установили новое оборудование, добавили X-диапазон частоты и провели повторную калибровку системы наведения для более точного позиционирования.
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.
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.
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:
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.
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.
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:
Япония (JAXA). Центры расположены в Усуде (антенна диаметром 64 метра), а также в Мисасе — диаметр антенны 54 метра.
Индия (ISRO) — три антенны в Бьялалу, штат Карнатак, обеспечивали связь с лунными миссиями Chandrayaan и зондом Mangalyaan. Самая большая антенна имеет диаметр 32 метра.
Причем обе страны активно сотрудничали во время своих миссий как с NASA, так и ESTRACK.
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.
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.
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.
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:
Космические зонды Pioneer-10 и Pioneer-11, которые несут на борту знаменитые золотые пластины с посланиями разумным формам жизни.
Последующие марсианские миссии, включая MRO и Mars Odyssey, через которые данные на Землю передаются с марсоходов Curiosity и Perseverance.
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.