7 أشياء تحتاج إلى معرفتها عن الاتصالات الفضائية

قد يبدو الاتصال بالفضاء أمرًا سهلاً للغاية كما جسدت لنا أفلام الخيال العلمي والبرامج التلفزيونية، حيث يقوم رواد الفضاء على الكواكب البعيدة بإجراء محادثات فيديو مع أحبائهم على الأرض بجودة فائقة الوضوح ودون أي تأخير.

ولكن، هل تتطابق قدرة اتصالات هذه الأفلام والبرامج مع الواقع؟ بالطبع لا، فهذا ليس صحيحًا على الإطلاق.

ورغم صعوبة مهمة الاتصال من وإلى الفضاء، إلا أن “ناسا” ولحسن الحظ تتمتع بالخبرة لإيصال البيانات الفضائية إلى الأرض.

لذا؛ يجب التنويه وتسليط الضوء على بعض تحديات الاتصالات الفضائية إلى جانب التقنيات والقدرات التي تستخدمها “ناسا” للتغلب على مثل هذه التحديات.

1- الأساسيات
تعتمد الاتصالات الفضائية على شيئين بسيطين، جهاز إرسال وآخر استقبال، حيث يقوم المرسل بتشفير الرسالة وتعديلها على الموجات الكهرومغناطيسية، مما يغير خصائص الموجة لتمثيل البيانات، ثم تتدفق هذه الموجات عبر الفضاء، بينما يقوم جهاز الاستقبال بتجميع الموجات الكهرومغناطيسية ويزيل تشكيلها ويفك تشفير رسالة المرسل.

وتشبه هذه المهمة المعقدة المتمثلة في الاتصال بالفضاء في جوهرها الاتصالات اللاسلكية في منازلنا اليوم، ولكن على نطاق هائل ومسافات لا تصدق، على سبيل المثال، جهاز توجيه الــ Wi-Fi والأجهزة المتصلة بالشبكة حول المنزل، حيث يستقبل كل جهاز إشارات من جهاز التوجيه الذي ينقل البيانات من الإنترنت.

2- الشبكات الأرضية
يحتوي الاتصال من الفضاء على أكثر من توجيه هوائي من داخل المركبة الفضائية إلى الأرض، ولدى وكالة “ناسا” شبكة واسعة من الهوائيات حول العالم، وفي جميع القارات السبع، لتلقي الإرسال من المركبات الفضائية، ويخطط مهندسو الشبكات بعناية للاتصالات بين المحطات الأرضية والبعثات، لضمانة أن الهوائيات جاهزة لتلقي البيانات أثناء مرور المركبات الفضائية.

كما تحتوي هوائيات المحطة الأرضية على هوائيات صغيرة عالية التردد توفر اتصالات احتياطية إلى كل من المحطة الفضائية، والهوائي الضخم الذي يبلغ طوله 230 قدمًا ليتمكن من التواصل مع المهام البعيدة مثل المركبة الفضائية “فوييجر” والتي تبعد أكثر من 11 مليار ميل.

3- الرحلات الفضائية
بالإضافة إلى الاتصالات المباشرة بالأرض، تعتمد العديد من بعثات “ناسا” على أقمار صناعية من أجل إيصال بياناتها إلى الأرض، على سبيل المثال، تتواصل المحطة الفضائية TDRS من خلال أقمار التتبع وترحيل البيانات، بحيث تنقل هذه البيانات إلى المحطات الأرضية في “نيو مكسيكو” و “غوام”، ومن المقرر أن ترسل مركبة Mars 2020 Perseverance التي تم إطلاقها مؤخرًا البيانات عبر المدارات حول المريخ، والتي سترسل البيانات إلى الأرض.

وتقدم المحطات الفضائية أيضًا مزايا فريدة من حيث توافر الاتصالات، على سبيل المثال، يوفر وضع المحطة TDRS في ثلاث مناطق مختلفة فوق الأرض تغطية عالمية واتصالات شبه مستمرة بين مهمات المدار الأرضي المنخفض والأرض، ويمكن لمستخدمي TDRS ترحيل البيانات على مدار 24 ساعة في اليوم ، وسبعة أيام في الأسبوع بدلاً من انتظار المرور فوق محطة أرضية.

4- عرض النطاق الترددي
تقوم وكالة “ناسا” بترميز البيانات على نطاقات مختلفة من الترددات الكهرومغناطيسية التي يكون لها قدرات مختلفة، حيث يمكن لعرض النطاق الترددي العالي أن يحمل المزيد من البيانات في الثانية، مما يسمح للمركبة الفضائية بإرسال بيانات الوصلة الهابطة بسرعة أكبر.

وعلى الرغم من أن وكالة “ناسا” تعتمد حاليًا وبشكل أساسي على موجات الراديو للاتصالات، إلا أن الوكالة تطور طرقًا للتواصل عبر أشعة الليزر والأشعة تحت الحمراء، ويطلق على هذا النوع من الإرسال اسم “الاتصالات الضوئية”، والتي من شأنها أن توفر للبعثات معدلات بيانات أعلى من أي وقت مضى.

ومن المقرر أن تقدم “ناسا” عرضًا توضيحيًا عن اتصالات الليزر LCRD التابع لها في القريب توضح خلاله فوائد الاتصالات الضوئية، وذلك من خلال نقلها البيانات بين المحطات الأرضية في “كاليفورنيا” و “هاواي” عبر الروابط البصرية، واختبار قدراتها، وستقوم الوكالة أيضًا بتزويد المحطة الفضائية بمحطة ضوئية يمكنها نقل البيانات إلى الأرض عبر LCRD.

5- معدلات البيانات
لا شك أن عرض النطاق الترددي العالي يعني معدلات بيانات أعلى للبعثات، وكانت “ناسا” قد سبق وأرسلت أجهزة مع بعثة “أبولو” لتصوير القمر بفيديوهات بالأبيض والأسود، ومن المقرر أن ترسل محطة بصرية في مهمتها القادمة Artemis II لتصوير فيديوهات بدقة 4K فائقة الوضوح من مدار حول القمر.

ورغم ذلك فإن النطاق الترددي ليس القيد الوحيد على معدلات البيانات، فهناك العديد من العوامل الأخرى التي يمكن أن تؤثر على معدلات البيانات كالمسافة بين المرسل والمستقبل، وحجم الهوائيات أو المحطات الضوئية التي يستخدمونها، والطاقة المتاحة لكل من الطرفين، لذا، يجب على مهندسي الاتصالات في “ناسا” موازنة هذه المتغيرات من أجل زيادة معدلات البيانات إلى الحد الأقصى.

6- وقت الاستجابة
الاتصالات لا تحدث على الفور، إنها مقيدة بحدود السرعة العالمية للضوء، والتي تبلغ حوالي 186000 ميل في الثانية، وبالنسبة للمركبة الفضائية القريبة من الأرض، فإن هذا التأخير الزمني، أو زمن انتقال الاتصالات يكاد يكون ضئيلًا.

ومع ذلك، يمكن أن يمثل وقت الاستجابة البعيد عن الأرض تحديًا، على سبيل المثال، في أقرب اقتراب للمريخ على بعد حوالي 35 مليون ميل يكون التأخير حوالي أربع دقائق، وعندما تكون الكواكب في أقصى مسافة لها حوالي 250 مليون ميل يكون التأخير حوالي 24 دقيقة، بالطبع، هذا يعني أن رواد الفضاء سيحتاجون إلى الانتظار ما بين أربع و 24 دقيقة حتى تصل رسائلهم إلى مركز التحكم في المهمة، وأربعة إلى 24 دقيقة أخرى لتلقي الرد.

وبينما تستعد “ناسا” لإرسال رواد فضاء إلى الكوكب الأحمر، يطور مهندسو الاتصالات طُرقًا لهم للبقاء على اتصال مع الأرض مع الأخذ في الاعتبار أن التأخير سيكون جزءًا من المحادثة.

7- التدخل
من المتوقع أن تتدهور جودة البيانات مع انتقال إرسال الاتصالات عبر مسافات طويلة أو عبر الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تشويه الرسالة، كما يمكن للإشعاعات من بعثات أخرى، أو الشمس، أو الأجرام السماوية الأخرى أن تتداخل أيضًا مع جودة الإرسال.

لذلك؛ تستخدم وكالة “ناسا” طُرق اكتشاف الأخطاء وتصحيحها للتأكد من أن مراكز عمليات البعثات تتلقى بيانات دقيقة، وتتضمن هذه الطرق تصحيح خطأ خوارزميات الكمبيوتر التي تفسر عمليات الإرسال المزعجة على أنها بيانات قابلة للاستخدام.

المصدر:

nasa.gov: Space Communications: 7 Things You Need to Know