Насколько сложно принимать прямые сигналы от транспортных средств на поверхности Марса, и делал ли это кто-то, кроме DSN?

Кратко ответы таковы: это сложно, но да , это сделал кто-то другой, кроме DSN.

Итак, во-первых, насколько это сложно? Ответ в том, что это довольно сложно: вам нужны очень значительные ресурсы, чтобы иметь возможность слышать сигналы от нынешних транспортных средств на Марсе, а возможно, и от любых прошлых транспортных средств.

Аппаратное обеспечение

Радиолюбитель Скотт Тилли (да, тот самый Скотт Тилли: тот самый человек, который находил потерянные спутники ) слышал сигналы от MRO и других космических кораблей в пути к Марсу и на его орбите , используя антенну диаметром 0,6 м. Итак, мы знаем, что эти сигналы могут быть обнаружены на Земле с помощью довольно скромного оборудования теми, кто знает, что они делают.

Это впечатляющий подвиг, но не такой уж удивительный, потому что одна из причин существования этих космических аппаратов — передача сигналов с посадочных модулей на Землю. Поскольку они находятся на орбите, они могут позволить себе большие хрупкие антенны: антенна с высоким коэффициентом усиления на MRO имеет диаметр 3 м : это примерно такой же размер, как и весь Perseverance , длина которого составляет 3 м. Такая антенна не выдержит EDL, а если бы и выжила, то полностью доминировала бы над марсоходом (куда делась бы рука?). Вот почему вездеходы не несут таких больших антенн: они не могут.

Напротив, антенна Perseverance X-диапазона с высоким коэффициентом усиления имеет диаметр 0,3 м, а его всенаправленная антенна с низким коэффициентом усиления намного меньше. Антенна с высоким коэффициентом усиления надеется достичь скорости более 500 бит/с для 34-метровой антенны DSN на Земле и 3000 бит/с для 70-метровой антенны DSN. Антенна с низким коэффициентом усиления рассчитана на передачу 10 бит/с на 34-метровую антенну на Земле и 30 бит/с (или даже быстрее) на 70-метровую антенну на Земле.

Существует также УВЧ-антенна, которая в основном используется для связи с орбитальными аппаратами, работающими как ретрансляторы, и которая может передавать им Мбит/с.

Я не уверен, какая система передала тоны, которые использовались для индикации состояния во время EDL: я думаю, что это почти наверняка система X-диапазона с низким коэффициентом усиления, но вполне возможно, что это может быть система УВЧ. Предположительно, антенна X-диапазона с высоким коэффициентом усиления в то время не была развернута, и даже если бы она была, было бы невозможно навести ее с транспортного средства, которое вращается, а затем раскачивается под парашютом. Эти тоны, конечно, были обнаружены на Земле DSN, но информации в них почти нет.

Немного математики

Итак, теперь есть два интересных вопроса: как зависит мощность сигнала на Земле от чего-то, что передается с Марса, в зависимости от различных факторов, и как способность слышать это зависит от различных факторов (на самом деле: приема). размер блюда). Они оказываются вроде как одним и тем же из-за замечательного набора теорем, которые в совокупности называются взаимностью .

Я думаю, что версии приведенных ниже формул довольно хорошо известны. Достаточную информацию для их получения можно найти на странице Википедии, посвященной параболической антенне .

Для передачи с параболической антенной на оси имеем следующее:

$$S = \frac{\pi}{4} \eta_t P_t\left(\frac{d}{\lambda r}\right)^2$$

Где

• $S$мощность принимаемого сигнала (мощность на единицу площади);
• $\eta_t$является некоторой мерой эффективности передатчика;
• $P_t$мощность передатчика;
• $d$диаметр передающей тарелки;
• $\lambda$длина волны;
• $r$это расстояние от передатчика.

Это игнорирует такие вещи, как затухание в атмосфере, но мы можем втиснуть это в$\eta_t$, или добавьте дополнительный фактор выдумки. (На самом деле я собираюсь игнорировать атмосферу, чтобы было легче услышать сигнал.)

Для принимающей системы, предполагая, что это параболическая тарелка, мы получаем следующее выражение:

$$P_r = \frac{\pi}{4} \eta_r D^2 S$$

Где

• $S$сила сигнала;
• $D$диаметр антенны;
• $\eta_r$это КПД системы.

Итак, сложив это вместе, мы получаем вот такую ​​штуку:

$$\tag{*} P_r = \eta_r \eta_t \frac{P_t}{16} \left(\frac{d D}{r\lambda}\right)^2$$

В этом выражении мы можем с пользой изменить следующие вещи:$d$и$D$и, возможно, во время разработки$\lambda$,$\eta_t$, и$\eta_r$. Но$d$и$D$для нас интересны.

Я не рассматривал здесь соотношение сигнал-шум и не собираюсь.

Некоторые цифры

Некоторые числа я знаю, а некоторые не знаю. Я не знаю$\eta_t$или$\eta_r$ни для чего: я предполагаю, что они все одинаковы (т.е. все они довольно хорошие конструкции, что кажется правдоподобным). Я также буду считать, что все работает при одном и том же значении$\lambda$: другими словами, я буду рассматривать только систему X-диапазона (это гораздо более высокая частота, чем UHF, используемая марсоходами для связи с орбитальными аппаратами, и поскольку$P_r$зависит от$1/\lambda^2$поэтому и намного лучше). И я предположу, что$r$то же самое, что верно для очень хорошего приближения в любой момент времени.

Как я сказал выше, я предполагаю, что в атмосфере Марса нет затухания, что, вероятно, не так, но игнорирование этого облегчает слышимость марсоходов на поверхности.

Одним из важных показателей является мощность передатчика. Мы знаем , что у MRO есть передатчик X-диапазона мощностью 100 Вт, и мы также знаем, что общая мощность, доступная на Perseverance, составляет 110 Вт. Я предполагаю, что Perseverance может передавать на 33 Вт: я подозреваю, что это довольно оптимистично, и это действительно 5-10 Вт, но оптимизм облегчает его прослушивание.

Наконец, я предположу, что Скотт Тилли просто смог услышать MRO: другими словами, антенна 0,6 м — это то, что вам нужно, чтобы ее услышать, и что$P_r$в котором он может обнаруживать вещи, такой же, как и у любого другого: другими словами, его приемник так же хорош, как и любой другой.

Таким образом, мы можем переставить (*), чтобы получить это

$$\begin{aligned} P_t d^2 D^2 &= \frac{16 P_r r^2 \lambda^2}{\eta_r \eta_t}\\ &= K \end{aligned}$$

где$K$постоянна, так как все ее компоненты по предположению. Итак, зная, что Скотт Тилли мог просто слышать MRO, мы знаем, что

$$K = 100 \times 3^2 \times 0.6^2\,\mathrm{Wm^4}$$

И, таким образом, мы знаем, что иметь возможность просто слышать Настойчивость на поверхности

$$\begin{aligned} D^2 &= \frac{100}{33}\times \left(\frac{3}{0.3}\right)^2 \times 0.6^2\,\mathrm{m^2}\\ D &= \sqrt{300}\times 0.6\,\mathrm{m} \end{aligned}$$

или

$$D\approx 10.4\,\mathrm{m}$$

И это число, которое мы ищем: чтобы иметь возможность слышать Perseverance на поверхности, вам нужна антенна примерно 10,4 м или 34 фута в диаметре, вам нужен хороший приемник X-диапазона, прикрепленный к ее задней части, и вам нужно чтобы направить его на Марс.

Это далеко за пределами того, что есть у любителей, мягко говоря (возможно, если бы Билл Гейтс, или Илон Маск, или кто-то другой заинтересовался этой темой, они могли бы себе это позволить). По стандартам радиотелескопа он не такой уж большой, но почти каждый, у кого есть радиотелескоп, использует его для астрономии, а не для прослушивания космических аппаратов на Марсе, так что у них обоих не будет приемника X-диапазона, привязанного к его задней части, и не будет наводить его на Марс.

кто слушает

У DSN, очевидно, есть подходящие средства для прослушивания сигналов от транспортных средств на Марсе. Но мы ищем людей, которые не являются DSN.

Что ж, есть люди с астрономическими радиотелескопами, у которых есть приемник Х-диапазона, привязанный к их телескопам, и которые наводят его на Марс. Например, когда InSight прибыл на Марс, его сигналы EDL наблюдались как в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, так и в лаборатории Макса Планка в Эффельсберге, Германия . Хотя эти люди не являются DSN, они, возможно, все еще считаются DSN.

Мы также можем предположить, что по крайней мере у китайцев есть системы, способные слышать транспортные средства на поверхности, поскольку они собираются поставить их туда. Но, насколько мне известно, они не объявили, слышали ли они сигналы от текущих транспортных средств на поверхности: однако можно с уверенностью предположить, что они слышали.

Кто еще слушает?

Есть ли еще кто-нибудь с достаточно большой тарелкой, мотивированный слушать? Что ж, оказывается, есть: в Корнуолле есть люди, которые завладели каким-то вышедшим из употребления оборудованием спутниковой связи с наземной станции, ранее принадлежавшей государственной телекоммуникационной компании. И они находятся в процессе перепрофилирования этого оборудования, включая их самую большую тарелку «Мерлин», в качестве частного узла DSN, к задней части которого действительно будет привязано оборудование X-диапазона, а также, возможно, в качестве узла в очень большие массивы радиоастрономических интерферометров.

Эти люди — goonhilly.org (корнуоллские топонимы просто замечательные), а перепрофилированный «Мерлин» теперь называется GHY-6 , и это 32-метровая тарелка.

А 15 февраля 2021 года они выпустили пресс-релиз , в котором, в частности, говорится:

Гунхилли работал с ЕКА в течение последних нескольких недель, используя Mars Express — космический корабль в активной миссии на Марс — в качестве испытательного корабля для проверки своей антенны GHY-6. В настоящее время они следят за тенью Mars Express, когда он вращается вокруг красной планеты. В то время как теневое отслеживание Mars Express на этом предоперационном этапе, Гунхилли также получил сигналы от другой глобальной миссии — миссии «Надежда» космического агентства ОАЭ.

Приняв сигналы 9 февраля, Гунхилли смог сообщить, что миссия космического агентства ОАЭ «Надежда» успешно вышла на орбиту Марса. В знаменательный для марсианских миссий месяц за Хоуп последовала марсианская миссия CNSA Tianwen-1 10 февраля. Есть надежда, что Tianwen-1, спутник с ровером, приземлится на Марсе в мае.

Всего через неделю после того, как эти две миссии вышли на орбиту Марса, 18 февраля, марсоход NASA JPL Perseverance должен приземлиться на поверхность Марса, а антенна GHY-6 будет направлена ​​на Марс во время попытки посадки. Хотя это и не официальный нисходящий канал, Goonhilly сможет получать и, возможно, декодировать сигналы от марсохода, если НАСА потребуется поддержка до и во время посадки. Это будет первый раз, когда Великобритания будет принимать сообщения напрямую с поверхности Марса .

[Мой акцент]. Как видите, этот пресс-релиз был до посадки. На момент написания они еще не выпустили еще один пресс-релиз, но я говорил с ними напрямую, и они подтвердили, что да, они получали сигналы от Perseverance как во время EDL, так и с тех пор, с поверхности. Я спросил:

Привет, вы не знаете, слышал ли GHY-6 сигналы напрямую от Настойчивости по пути вниз?

На что они ответили

Мы действительно это сделали - на пути вниз И с поверхности, пару дней спустя - в настоящее время мы сопоставляем все данные и собираемся собрать инфографику, чтобы опубликовать ее в социальных сетях.

(Ранее я не включал этот обмен, так как не хотел красть их славу, но с тех пор они подтвердили, что сообщать об этом можно.)

Итак, резюмируя: очень трудно услышать сигналы от транспортных средств на поверхности Марса, но люди, кроме DSN, определенно это сделали: среди них, по крайней мере, Гунхилли.

Обновление : вот сообщение в блоге от Goonhilly с некоторой информацией, включая спектрограммы во время EDL (я думаю, не на поверхности).

---

Обратите внимание, что этот ответ возник как черновик для другого вопроса, который был закрыт: я надеюсь, что я отредактировал его в лучшую форму, но он все еще может сохранять некоторые следы своего предыдущего существования.