Впрочем, ненаправленная антенна используется не только при нештатных ситуациях. Во время длительных межпланетных перелетов, когда станция пребывает в «спящем» режиме, поддерживать связь по высокоскоростному каналу невыгодно — информации мало, а сохранение точной ориентации требует пусть и небольшого, но постоянного расхода топлива. С другой стороны, в сложных межпланетных миссиях к ориентации аппарата могут предъявляться многочисленные противоречивые требования: повернуть солнечные батареи к свету, двигатель — соответственно производимому маневру, научную аппаратуру — на изучаемый объект. А если надо еще, например, правильно сориентировать отделяющийся спускаемый аппарат или защитный экран, предохраняющий от воздействия космической пыли, то связь по узконаправленному каналу в какие-то моменты приходится разрывать. В это время научные данные записываются в память бортового компьютера, а по медленному резервному каналу связи передается только жизненно важная телеметрическая информация. Если в нужный момент аппарат не сможет сам восстановить быстрый канал связи, ему помогут с Земли, отправив нужные команды, используя низкоскоростной канал.
Хорошим примером может служить японский исследовательский зонд «Хаябуса» (Hayabusa), взявший в ноябре 2005 года пробы грунта с астероида Итокава. Из-за ошибок в навигации он совершил незапланированную посадку на поверхность астероида. После взлета вышла из строя система ориентации и существовала реальная опасность потерять аппарат. Однако многократно резервированная и гибкая система связи, имеющая несколько типов антенн и передатчиков, позволила восстановить связь с межпланетной станцией. Вместо отказавшей системы ориентации (из нее испарилось топливо) инженеры решили использовать для поворотов зонда ксенон (рабочее тело маршевого ионного двигателя), понемногу стравливая его через клапаны, — выполнение задания продолжилось.
Другой пример — европейский зонд «Гюйгенс», который в январе 2005 года совершил посадку на поверхность спутника Сатурна — Титана. У аппарата имелось два независимых канала связи для параллельной передачи на разных частотах уникальных снимков и другой информации, получаемой в ходе спуска в атмосфере Титана. Первоначально планировалось, что эти каналы будут для надежности полностью дублировать друг друга, но потом их решили использовать независимо, чтобы увеличить объем получаемой информации. Однако жадность до добра не доводит — из-за ошибки в программе управления один из каналов просто не включился. В результате пропала половина из 700 сделанных снимков, а также данные о скорости ветра в атмосфере спутника. Конечно, и полученных снимков хватило, чтобы сделать множество открытий, а данные о ветре удалось восстановить с помощью земных радиоастрономических сетей благодаря уникальной наблюдательной кооперации. Но только подумайте, что бы случилось, будь отказавший канал связи единственным!
Звонок с космической станции
Австралийский узел сети дальней космической связи NASA. Вдали 70-метровая параболическая антенна, перед ней — две 34-метровые
Вращающиеся на низкой околоземной орбите (до 1000 километров) аппараты попадают в поле зрения одной станции управления только несколько раз в сутки (обычно 4—6) и всего на несколько минут, поэтому им программа работы задается сразу на несколько часов или дней вперед. Чтобы увеличить количество сеансов связи, на Земле ставят больше станций, располагая их на существенном удалении друг от друга. В советское время существовал даже специальный космический флот, суда которого работали в разных частях света, обеспечивая связь со спутниками, пилотируемыми космическими кораблями. Если с низколетящим аппаратом требуется непрерывная связь, сигнал передается на него через спутники-ретрансляторы на геостационарной орбите. Трех таких аппаратов, неподвижно висящих над экватором на высоте 36 тысяч километров, достаточно, чтобы охватить практически всю территорию Земли за исключением полярных районов. Например, связь с Международной космической станцией и американскими космическими челноками «Спэйс Шаттл» происходит через американские спутники-ретрансляторы TDRS (хотя связь через наземные станции тоже используется). Благодаря этому экипаж может связаться с ЦУПом в подмосковном городе Королеве и в американском Хьюстоне, а также звонить домой и пользоваться электронной почтой. Подобная система существовала и в нашей стране. Контакт со станцией «Мир» на так называемых «глухих витках» поддерживался через геостационарный космический аппарат «Луч». Сейчас ведутся работы над системой «Луч» нового поколения.
Шум и скорость
Главный параметр любой системы связи — скорость передачи информации. Она определяется не столько мощностью сигнала, сколько соотношением его амплитуды с шумами, которые мешают приему. Шум возникает в аппаратуре приемника и передатчика из-за теплового движения атомов. А в космическом радиоэфире «шумит» реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Собственно, его и открыли в 1964 году случайно, в попытках избавиться от непонятного шума в новой антенне, на которой изучались возможности космической связи.
Шум отфильтровывается статистически за счет его случайного характера. Он равновероятно вызывает в антенне движение тока то в одну, то в другую сторону. В среднем за длительное время его вклад будет нулевым. Но чем слабее сигнал по отношению к шуму, тем дольше нужно вести прием и осреднение, чтобы отфильтровать шум. Сегодня космическая информация передается в цифровом виде, то есть последовательностями нулей и единиц — битов. Чем хуже отношение сигнал/шум, тем больше времени уходит на передачу каждого бита. Если попытаться форсировать передачу, сообщения станут приниматься с ошибками. Поэтому, чем дальше от нас находится аппарат, чем слабее его сигнал, тем медленнее идет с ним обмен информацией.
Впрочем, ошибки с некоторой вероятностью возникают при любой скорости передачи. Причиной могут быть редкие сильные флуктуации шума, сбои аппаратуры, но чаще всего — помехи от посторонних источников, например, от статических микроразрядов в аппаратуре, радиоизлучения молний, земных радиопередатчиков. Сломанная микроволновая печь в окрестностях приемной антенны сойдет в радиоэфире за сигнал внеземной цивилизации. Чтобы избавиться от длительных помех, передачу информации дублируют на разных частотах. А от коротких импульсных помех, которые искажают несколько битов в передаче, спасают особые методы кодирования, позволяющие выявлять и даже автоматически исправлять ошибки.
При проектировании системы космической связи также необходимо принимать во внимание скорость движения аппарата. От нее зависит доплеровский сдвиг частоты радиосигнала. Вариации скорости относительно Земли в некоторых случаях, например при полете к быстро движущемуся по своей орбите Меркурию, могут достигать 100 км/с — это три сотых процента скорости света. На столько же смещаются и частоты сигналов. Если этот эффект не учесть, приемный контур может не попасть в резонанс с несущей частотой передатчика, и его чувствительность резко упадет. Вместе с тем по доплеровскому сдвигу частоты сигнала можно с высокой точностью определить скорость движения космического аппарата вдоль луча зрения. Поэтому системы связи широко используются для контроля точности выполняемых в космосе маневров. И, кстати, скорости дующих на спутнике Сатурна ветров удалось определить именно по изменению частоты ультрастабильного передатчика зонда «Гюйгенс» во время его парашютного снижения в атмосфере Титана.
Лазер сигналит с Марса
Самой высокой скоростью межпланетной передачи данных может сегодня похвастаться аппарат Mars Reconnaissance Orbiter, вышедший на орбиту Марса 10 марта 2006 года. Он оснащен 100-ваттным передатчиком с трехметровой параболической антенной и может передавать информацию на скорости до 6 мегабит в секунду. Доставить к Марсу более крупный и мощный передатчик пока затруднительно. Однако есть принципиально иной подход к увеличению скорости передачи данных — использовать вместо радиоволн оптическое излучение. Длина волны лазерного излучения в десятки тысяч раз меньше, чем в радиодиапазоне. Поэтому расходимость лазерного луча получается значительно меньшей. Это позволит существенно поднять скорость передачи данных при более низком энергопотреблении. Но у лазерной связи есть и недостатки: она нуждается в более точном нацеливании передатчика, и, кроме того, на ее работоспособность существенным образом влияют погодные условия, в первую очередь облака. Поэтому межпланетная лазерная связь будет, скорее всего, поддерживаться с орбитальных аппаратов. Впервые лазерная связь в космосе была осуществлена 21 ноября 2002 года. Европейский спутник дистанционного зондирования Земли SPOT 4, находящийся на орбите высотой 832 километра, установил контакт с экспериментальным космическим аппаратом Artemis, обращающимся на высоте 31 000 километров и передал снимки земной поверхности. А недавно Лаборатория Линкольна в Массачусетсском технологическом институте (MIT) совместно с NASA приступила к разработке лазерной системы дальней космической связи. Первый тестовый коммуникационный лазер планируется отправить к Марсу в 2009 году. Ожидается, что этот 5-ваттный передатчик в период сближения планет обеспечит скорость передачи данных до 30 мегабит в секунду.
4, 8-метровая антенна станции «Галилео» не раскрылась в полете. Все 8 лет работы в системе Юпитера станцию связывал с Землей ненаправленный канал со скоростью лишь 160 бит/с вместо ожидавшихся 134 Кбит/с