Deep Space Network ma już 60 lat

24 grudnia Deep Space Network (DSN) świętowała sześćdziesięciolecie. Działająca nieprzerwanie od 1963 roku DSN umożliwia NASA komunikację ze statkami i sondami kosmicznymi znajdującymi się daleko od Ziemi – na przykład na Księżycu lub Marsie, a nawet jeszcze dalej. Niesamowite obrazy galaktyk uchwycone przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, najnowsze dane naukowe z łazika Perseverance i historyczne obrazy Księżyca przesłane przez Artemis I – wszystkie te informacje dotarły na Ziemię za pośrednictwem wielkich anten radiowych DSN.

Sieć DSN realizuje kluczowe zadanie utrzymywania przepływu danych między Ziemią a kosmosem. Obecnie ściśle zależy od niej realizacja ponad 40 misji kosmicznych, a w nadchodzących latach liczba ta ma wzrosnąć dwukrotnie. Z tego powodu NASA patrzy na sprawę przyszłościowo, rozbudowując tę krytyczną globalną infrastrukturę z użyciem nowych urządzeń, technologii i praktyk.

Siecią zarządza program NASA o nazwie Space Communications and Navigation (SCaN), do którego należy m.in. sterowanie pracą pojedynczych naziemnych anten. Umożliwiają one śledzenie odległych sond kosmicznych, wysyłanie do nich poleceń i odbieranie z nich danych naukowych. Aby mieć pewność, że wszystkie z nich zawsze są w stanie połączyć się z Ziemią, 14 anten składających się na całą DSN umieszczono w trzech różnych ośrodkach rozmieszczonych symetrycznie na całym świecie, czyli w Goldstone w Kalifornii, Canberze w Australii i Madrycie w Hiszpanii.

Obecnie jednak przed DNS pojawiają się nowe wyzwania, w tym coraz większa liczba misji automatycznych, nie wspominając o zbliżającym się powoli locie załogowym w okolice Księżyca. Stąd pilna potrzeba modernizacji. Celem jest zapewnienie jak najbardziej niezawodnego połączenia z szeregiem misji jednocześnie, według ustalonego planu. Aby zwiększyć wydajność łączy, NASA zmieniła sposób działania sieci: dzięki protokołowi o nazwie „Follow the Sun” każdy z trzech ośrodków będzie odtąd na zmianę zarządzać całą siecią podczas swej zmiany, a następnie przekazywać ten przywilej i kontrolę następnemu w kolejce. Ma to również pomóc w zminimalizowaniu kosztów obsługi, a zaoszczędzone w ten sposób środki pomogą finansować technologiczne ulepszenia DSN. Jednocześnie wprowadzane są metody zmierzające do zwiększenia przepustowości sieci: od modernizacji i dodawania kolejnych anten po opracowywanie nowych technologii, które pomogą w obsłudze większej liczby misji kosmicznych i radykalnie zwiększą ilość danych, które można przesyłać jednocześnie.

Jedną z takich technologii jest komunikacja laserowa (lub optyczna), która umożliwi upakowanie większej ilości danych w pojedynczych transmisjach. Po pomyślnym przetestowaniu tej metody na orbicie okołoziemskiej i Księżycu NASA planuje wykorzystać demonstrację technologii DSOC (Deep Space Optical Communications) do testowania komunikacji laserowej na coraz większych kosmicznych odległościach. Co ważne, system DSOC znajdujący się na pokładzie sondy Psyche zdołał już pomyślnie przesłać nagranie za pomocą lasera na Ziemię z odległości kilkunastu milionów kilometrów. NASA chce udowodnić, że za pomocą tej technologii możliwe będzie również przesyłanie danych z odległości jeszcze większych, w tym z Marsa. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, nowe, hybrydowe anteny DSN będą w stanie nadal nadawać i odbierać częstotliwości radiowe, a jednocześnie obsługiwać częstotliwości optyczne.

Początki sieci DSN sięgają 1958 roku, gdy ośrodek badawczy Jet Propulsion Laboratory (JPL) został wybrany do rozmieszczenia przenośnych radiowych stacji śledzących do odbierania telemetrii pierwszego amerykańskiego satelity Explorer 1, który także zbudowano w tym ośrodku. Miało to miejsce zanim nawet w ogóle powstała NASA, gdyż istniejący od 1936 roku ośrodek JPL został do niej włączony dopiero z końcem 1958. Kilka dni po pomyślnym wystrzeleniu Explorera 1 JPL otrzymał także zadanie ustalenia, co będzie potrzebne do stworzenia globalnej sieci telekomunikacyjnej wspierającej przyszłe misje kosmiczne (począwszy od wczesnych misji Pioneer).

Po powołaniu NASA stacje naziemne JPL uzyskały nową nazwę – Deep Space Instrumentation Facilities. Działały one w dużej mierze niezależnie od siebie aż do 1963 roku, gdy oficjalnie otwarto DSN w (prawie) znanej nam dziś postaci. Wszystkie stacje zostały wówczas podłączone do nowego centrum kontroli sieci JPL. Do dziś budynek ten, nazywany Space Flight Operations Facility, pozostaje „Centrum Zarządzania Wszechświatem”, przez które przepływają dane z trzech globalnych ośrodków DSN.

Wnętrze „centrum dowodzenia” Space Flight Operations Facility w Pasadenie. (NASA/JPL-Caltech)

Wnętrze centrum dowodzenia Space Flight Operations Facility w Pasadenie. (NASA/JPL-Caltech)

Przykładowe transmisje z 2 stycznia 2024 roku. Widać, że po południu czasu polskiego stacja w Madrycie transmitowała między innymi dane na potrzeby misji JUNO (kod: JNO) i sondy Hew Horizons (NHPC) (więcej tutaj).