Niemal dokładnie 50 lat temu, 21 grudnia 1968 roku, rozpoczęła się misja Apollo 8. Trzy dni później, w wieczór wigilijny, statek kosmiczny wszedł na orbitę księżyca, po czym na Ziemię przesłano jedno z najbardziej niezwykłych zdjęć w historii. Zdjęcia te trafiły do telewizji i były oglądane na całym świecie. W jaki jednak sposób te nagrania z kosmosu mogły być odbierane na Ziemi?
Dziś, po półwieczu, wciąż uczymy się wiele z tamtych przełomowych misji, wykorzystując przy tym także dane zebrane z Księżyca i instrumentów rozmieszczonych wówczas na nim – również po to, by jak najlepiej zaplanować kolejne wielkie przedsięwzięcie ludzkości: rakietę Orion, która ma lecieć na Księżyc i na Marsa. Ale rakieta i dobrze wyszkolona załoga to nie wszystko. Podobnie jest z wszelkimi bezzałogowymi sondami i krążącymi wokół Ziemi satelitami. Właściwe umieszczenie ich na orbicie to zawsze sukces, ale i w tym, i w poprzednim przypadku należy jeszcze zadbać o efektywną, działającą bez przerw i zakłóceń komunikację z Ziemią.
W przypadku agencji kosmicznej NASA za obustronną komunikację odpowiadają trzy różne sieci łączności. Każda z nich obejmuje inne odległości kosmiczne, wykorzystują one również inną infrastrukturę i technologie.
Satelity obserwujące powierzchnię Ziemi w trybie ciągłym dostarczają nam rozmaitych informacji, w tym danych o opadach atmosferycznych, pokrywie lodowcowej, wilgotności gleby czy jakości powietrza. Obserwacje te pomagają w rolnictwie oraz monitorowaniu klimatu i katastrof naturalnych. Większość satelitów znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej. Okrążają one planetę w odległości około półtora tysiąca kilometrów od jej powierzchni. W ich misjach wykorzystywana jest sieć Near Earth Network (NEN). dzięki której dane satelitarne przekazywane są do centrów kontrolnych na ziemi. Sieć ta składa się z 14 stacji satelitarnych, na które składa się aż 25 anten rozmieszczonych na całym świecie. Po co aż tak wiele? Pamiętajmy, że satelity nieustannie krążą wokół globu, przebywając tylko przez co najwyżej kilkadziesiąt minut nad poszczególnymi obszarami. Informacje są więc z nich odbierane (czasem też do niech przesyłane z Ziemi) tylko wtedy, gdy dany satelita znajduje się na pewnej wysokości ponad horyzontem. Aby zapewnić ciągłość ich pracy, potrzeba więc wielu anten rozmieszczonych w dużych odległościach od siebie na różnych kontynentach.
Ciekawostką jest, że obecnie jedyna polska stacja satelitarna, nieco podobna do tych obsługujących sieć NEN, znajduje się w Krakowie. W ramach rozpoczętego niedawno projektu Sat4Envi planowana jest jej dalsza rozbudowa.
Niezawodna komunikacja z kosmosem jest jeszcze ważniejsza, gdy wiąże się z obsługą i bezpieczeństwem lotów załogowych. NASA wykorzystuje w tym celu osobną sieć SN (Space Network). Wspiera ona pracę między innymi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) oraz kilku transportowych statków kosmicznych – ale przede wszystkim misje astronautów. W przyszłości ma też obsługiwać załogowe loty realizowane przez statek kosmiczny Orion. Przez tę sieć przechodzi obecnie większa część komunikacji astronautów z Centrum Kontroli Misji, w tym dane o zdrowiu załogi i telemetrii statku kosmicznego. Dane z eksperymentów naukowych i technologicznych prowadzonych na orbicie również trafiają na Ziemię za pośrednictwem SN.
Sieć wykorzystuje w tym celu satelity TDRS okrążające Ziemię po orbicie geosynchronicznej, pozwalającej im zachowywać stałą pozycję nad danym obszarem planety – dzięki czemu są one zawsze w polu widzenia którejś anteny naziemnej. Pozwala to na skuteczną komunikację przez 24 godziny na dobę i 365 dni w roku.
Dwie powyższe sieci komunikacyjne NASA będą prawdopodobnie odgrywały ważną rolę w przyszłych misjach na Marsa i na Księżyc. Obecna misja księżycowa Lunar Reconnaissance Orbiter już teraz wykorzystuje sieć NEN do wymiany informacji z Ziemią.
NASA posiada ponadto sieć Deep Space Network (DSN), która jest jeszcze powszechniej używana w dalekich misjach kosmicznych. Także ona składa się z sieci naziemnych anten rozproszonych po kuli ziemskiej. Są one znacznie większe – mają średnicę około 70 metrów – i znajdują się w specjalnie wybranych lokalizacjach oddzielonych od siebie o 120 stopni kątowych: w Madrycie, australijskiej Canberze i w Goldstone w Kalifornii. Daje to pewność, że nawet bardzo odległa sonda kosmiczna może skomunikować się z którąś z tych anten, bez względu na chwilowe ustawienie Ziemi względem niej. Sieć DSN obsługuje głównie misje międzyplanetarne, w tym sondy marsjańskie i loty w okolice planet olbrzymów.
Przyszłość kosmicznej komunikacji także zapowiada się ciekawie: już teraz rozwijane są technologie SCaN, które mają umożliwić kosmiczną łączność i nawigację z wykorzystaniem światła oraz fal podczerwonych. Dzięki temu dane z kosmosu mają być przesyłane na Ziemię z dużo większą niż teraz przepustowością – nawet do stu razy szybciej niż obecnie. Badania te są częścią szerszej inicjatywy Decade of Light. W jej ramach rozważana jest także komunikacja z wykorzystaniem nawigacji pulsarowej, promieni rentgenowskich i sztucznej inteligencji.
Na zdjęciu: Apollo 15 i łazik księżycowy, 1 sierpnia 1971 roku. Antena telekomunikacyjna dla systemu S-band widoczna jest po prawej stronie.
Źródło: National Geographic Creative/Bruce Dale
Wracając jednak do pytania postawionego na wstępie tego artykułu: komunikacja statku Apollo 8 z Ziemią odbywała się w tzw. paśmie S (Unified S-band – USB), w systemie specjalnie opracowanym przez NASA i Jet Propulsion Laboratory (JPL) na potrzeby programu Apollo. Głos, nagrania telewizyjne, telemetria i inne dane były zapisywane w tym samym wspólnym formacie celem uproszczenia i zmniejszenia wielkości nadawanych komunikatów. System S wykorzystywał pasmo 2025–2120 MHz do nadawania transmisji do statku kosmicznego oraz częstotliwości z zakresu 2200–2290 MHz do transmisji ze statku kosmicznego na Ziemię. Częstotliwości te mają tę zaletę, że nadawane na nich fale radiowe nie są odbijane przez ziemską jonosferę. Pasma te są międzynarodowo zarezerwowane dla operacji i misji kosmicznych. Sieć naziemna anten odbiorczych była obsługiwana przez Goddard Space Flight Center we współpracy z takimi firmami jak Collins Radio, Blaw-Knox czy Motorola. Sygnały ze wszystkich misji Apollo były odbierane przez anteny znajdujące się w stacjach śledzenia rozmieszczone na całym świecie, w tym należącą do Deep Space Network 26-metrową antenę z Goldstone.
Na zdjęciu: antena paraboliczna w Goldstone. Źródło: NASA
Czytaj więcej:
Źródło NASA/Ashley Campbell
Na zdjęciu powyżej: 21 grudnia 1968 roku statek Apollo 8 wystartował z Kosmicznego Centrum Kennedy'ego na pokładzie rakiety Saturn V, rozpoczynając jedno z najbardziej niezwykłych doświadczeń w historii ludzkości. Przekaz z tego lotu oglądano na całym świecie. Kilka dni później powstało słynne pierwsze kolorowe zdjęcie „wschodu Ziemi” nad Księżycem.
Źródło: National Geographic Creative/Bruce Dale
