Łączność z kosmosem do wymiany. Dwa satelity już wystartowały

NASA przygotowuje jedną z największych zmian w sposobie komunikowania się ze statkami kosmicznymi od dziesięcioleci. Amerykańska agencja chce stopniowo zastępować własne satelity przekaźnikowe usługami prywatnych operatorów. Pierwsze urządzenia potrzebne do kolejnej fazy testów właśnie trafiły na orbitę.

Dokładnie 20 października rakieta Falcon 9 wyniosła dwa satelity wyposażone w aparaturę do demonstracji nowych systemów łączności. NASA zamierza sprawdzić, czy dzięki nim będzie można utrzymywać bardziej ciągły kontakt z pojazdami na niskiej orbicie okołoziemskiej, szybciej odbierać dane naukowe i ograniczyć zależność od własnej, starzejącej się infrastruktury.

Przez ponad 40 lat jednym z fundamentów kosmicznej komunikacji NASA była sieć Tracking and Data Relay Satellite System, znana jako TDRSS. Tworzą ją satelity przekaźnikowe rozmieszczone na orbicie geosynchronicznej, umożliwiające wymianę informacji między stacjami naziemnymi a statkami kosmicznymi.

Rozwiązanie pozwala utrzymywać łączność nawet wtedy, gdy statek znajduje się poza zasięgiem bezpośredniego połączenia z naziemną anteną. Sygnał trafia najpierw do satelity przekaźnikowego, a dopiero stamtąd na Ziemię. W ten sposób obsługiwano między innymi Międzynarodową Stację Kosmiczną oraz liczne misje naukowe.

Utrzymywanie własnej infrastruktury jest jednak szalenie kosztowne, a potrzeby współczesnych misji po prostu rosną. Satelity wykonują coraz dokładniejsze pomiary, rejestrują ogromne ilości obrazów i wymagają możliwości szybkiego przesyłania komend. Tradycyjne rozwiązania nie zawsze nadążają za takimi wymaganiami.

NASA postanowiła więc sprawdzić, czy część zadań można przekazać komercyjnym przedsiębiorstwom. Agencja zamierza w przyszłości kupować usługi transmisji danych podobnie jak korzysta obecnie z prywatnych firm przy wynoszeniu ładunków i transporcie astronautów. Nie musi wówczas samodzielnie budować każdego satelity, który służy do przekazywania informacji.

Kolejnym etapem tego przedsięwzięcia był start misji Bandwagon-5, która odbyła się 20 października o godz. 13:04 czasu polskiego z Cape Canaveral na Florydzie. Wśród ładunków Falcona 9 znalazły się urządzenia związane z programem Communications Services Project, realizowanym przez NASA we współpracy z przedsiębiorstwami telekomunikacyjnymi.

Pierwszy to Maxwell, satelita skonstruowany przez Rocket Lab na potrzeby amerykańskiego operatora Viasat. Został wyposażony w specjalistyczne terminale pozwalające testować transmisję danych za pośrednictwem istniejących sieci satelitarnych. Jego zadaniem będzie sprawdzenie różnych sposobów przekazywania informacji pomiędzy niską orbitą okołoziemską a powierzchnią naszej planety.

Drugi eksperyment przygotowała firma SES Space and Defense. W tym przypadku aparatura komunikacyjna znalazła się na pokładzie Pelican-12, satelity obserwacyjnego należącego do Planet Labs. Zamiast budować osobny pojazd wyłącznie na potrzeby NASA, operator wykorzystał więc istniejącą platformę przeznaczoną przede wszystkim do obserwacji Ziemi. Oba eksperymenty koncentrują się na transmisji dużych ilości danych naukowych i znacznie mniejszych pakietów zawierających komendy, telemetrię oraz informacje o stanie technicznym statku.

Maxwell będzie testował łączność w pasmach Ka i L. Pierwsze umożliwia przesyłanie dużych ilości informacji, co przydaje się przy pobieraniu zdjęć i danych z instrumentów naukowych. Drugie oferuje mniejszą przepustowość, ale dobrze nadaje się do transmisji poleceń oraz podstawowych informacji dotyczących działania statku.

Viasat zamierza wykorzystać swoją sieć satelitów geostacjonarnych oraz globalną infrastrukturę stacji naziemnych. Dane z Maxwella będą przesyłane przez różne dostępne połączenia, a oprogramowanie ma autonomicznie wybierać odpowiednią trasę. Dzięki temu statek nie musiałby każdorazowo oczekiwać na pojawienie się bezpośredniego połączenia z konkretną anteną na Ziemi.

Wyobraźmy sobie satelitę wykonującego np. zdjęcia obszaru dotkniętego powodzią. Samo zarejestrowanie obrazów to dopiero początek, ponieważ informacje trzeba jeszcze przesłać do centrum, w którym zostaną przeanalizowane. Im dłuższe oczekiwanie na transmisję, tym później można wykorzystać uzyskane dane.

Niedawno pisaliśmy już o satelicie wyposażonym w komputer Nvidii, który analizuje obrazy bezpośrednio na orbicie, aby ograniczyć ilość informacji wysyłanych na Ziemię. NASA próbuje usprawnić drugą część tego procesu. Chce zwiększyć dostępność połączeń, dzięki którym wyniki obserwacji będą mogły szybciej trafiać do odbiorców.

Viasat zaplanował testy orbitalne na około 5 miesięcy, do marca 2027 r. W tym czasie operator zamierza sprawdzić nie tylko przekazywanie danych, ale również działanie systemów umożliwiających bieżące śledzenie i kontrolowanie statku.

SES Space and Defense wykorzysta natomiast nieco inną konfigurację. Pelican-12 będzie komunikował się z satelitami należącymi do istniejącej infrastruktury operatora, w tym z systemem O3b mPOWER znajdującym się na średniej orbicie okołoziemskiej.

Satelity tej konstelacji mogą odbierać duże ilości danych od urządzeń znajdujących się bliżej Ziemi, a następnie przekazywać je do stacji naziemnych. Równolegle SES będzie korzystać z satelitów geosynchronicznych do wymiany mniejszych pakietów danych potrzebnych do nadzorowania pracy statku.

Na pokładzie Pelican-12 znajduje się programowalny system radiowy i specjalnie zaprojektowana antena. Rozwiązanie ma umożliwiać komunikację między urządzeniami poruszającymi się po różnych orbitach bez konieczności oczekiwania na przelot nad odpowiednią stacją naziemną.

Nie oznacza to, że satelita nigdy nie utraci połączenia. Ostateczna dostępność usługi zależy od zasięgu sieci, konfiguracji terminali i wyników prób. Celem programu jest jednak zapewnienie znacznie bardziej elastycznej infrastruktury, w której dane można kierować różnymi drogami.

Dla NASA ważna będzie także możliwość wykorzystania już działających sieci operatorów. Zamiast projektować kolejne własne przekaźniki, agencja mogłaby korzystać z infrastruktury rozwijanej równolegle dla klientów komercyjnych i instytucjonalnych.

Cały program Communications Services Project rozpoczął się tak naprawdę już kilka lat temu. W 2022 r. NASA przeznaczyła 278,5 mln dol. na umowy z przedsiębiorstwami rozwijającymi komercyjne usługi łączności kosmicznej. Kwota ta dotyczy jednak całego przedsięwzięcia.

Wśród partnerów agencji znajdują się również SpaceX, Amazon i Telesat. Poszczególne firmy sprawdzają różne rozwiązania, od klasycznej transmisji radiowej po szybkie połączenia optyczne wykorzystujące lasery.

To drugi kierunek rozwoju kosmicznej komunikacji. Jak pisaliśmy wcześniej, brytyjskim badaczom udało się pobrać wiele gigabitów danych podczas zaledwie 90-sekundowego przelotu satelity nad laserową stacją naziemną. Takie rozwiązanie zapewnia dużą przepustowość, ale wymaga precyzyjnego kierowania wiązki i sprzyjających warunków transmisji.

Przeczytaj także:

W przypadku komunikacji optycznej między orbitą a Ziemią problemem mogą być również zjawiska zachodzące w atmosferze. Polscy naukowcy z Torunia i Warszawy badali już, jak turbulencje powietrza wpływają na jakość i bezpieczeństwo kosmicznej transmisji optycznej. Właśnie dlatego przyszła infrastruktura może łączyć kilka technologii, zamiast opierać się na jednym rodzaju połączeń.

NASA prowadzi również eksperymenty z przesyłaniem danych na znacznie większe odległości. Wcześniej opisywaliśmy testy komunikacji laserowej realizowanej przez sondę Psyche, które mają pomóc w rozwijaniu łączności z odległymi misjami międzyplanetarnymi. Obecny program dotyczy jednak przede wszystkim statków działających w pobliżu Ziemi.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: NASA