Przejdź do treści

Jak NASA komunikuje się z sondami i satelitami?

Apollo 8 w telewizji

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 jedne 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 rozmaite informacje, w tym dane 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 tysiąca mil 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 ponad 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, dla różnych miejsc na ziemi przebywając ponad horyzontem tylko przez co najwyżej kilkadziesiąt minut. 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 ich pracy ciągłość, potrzeba więc wielu anten rozmieszczonych w dużych odległościach od siebie, także 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. Sieć obsługuje obecnie większą 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 swą stałą pozycję ponad 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. Składa się ona także z sieci anten naziemnych 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 100 razy szybciej niż obecnie. Badania te są częścią szerszej inicjatywy Decade of Light. Rozważa się w nich także komunikację z wykorzystaniem nawigacji pulsarowej, fal rentgenowskich i sztucznej inteligencji.

Apollo 15

Na zdjęciu: Apollo 15 i łazik księżycowy, 1 sierpnia 1971. 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 rozwiniętym przez NASA i Jet Propulsion Laboratory (JPL) na potrzeby Programu Apollo. Głos, nagrania telewizyjne, telemetria i inne dane były zapisane 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 Apolla 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.

Goldstone antenna

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