Računarske mreže

Projektni rad

DSN - Deep Space Network

Student: Marko Govedarović 200342/2010

Beograd, 18. decembar 2012

2

Deep Space Network

1.0 Šta je to DSN?

Deep Space Network (DSN) je međunarodna mreža antena koje služe za međuplanetarne

svemirske misije kao i za radio i radarska istraživanja u astronomske svrhe , a sve u cilju

istraživanja Sunčevog sistema i svemira. Ova mreža takođe podržava i misije u Zemljinoj orbiti.

Tačnije to je mreža koja omogudava komunikaciju između ljudi sa zemlje i nekog objekta u

svemiru ili Zemljinoj orbiti.

Deep Space Network se trenutno sastoji od tri komunikacione baze/stanice koje su međusobno

raspoređene pod uglom od 120 stepeni na različitim delovima sveta. Jedna se nalazi u

Goldstone-u u Kalifornijskoj Mohava pustinji (California's Mojave Deser). Slededa je

pozicionirana blizu Madrida u Španiji, a treda blizu Kanbera (Canberra) u Australiji. Ovako

strateški postavljene bazne stanice omogudavaju stalno pradenje i komunikaciju sa objektima u

svemiru, i sve to iz razloga jer se Zemlja konstantno rotira oko svoje ose. Ovo DSN svrstava u

najvedi i najprecizniji naučni telekomunikacioni sistem na svetu.

3

Slika 2. Canberra DSN

Slika 1. Goldstone DSN

4

NASA-ino naučno istraživanje Sunčevog sistema se ostvaruje uglavnom kroz upotrebu

bespilotnih autonomnih letelica. A DSN omogudava vitalni dvosmerni komunikacioni link koji

navodi i kontroliše ove planetarne istraživače. DSN takođe služi i za prikupljanje podataka kao

što su slike ili razna naučna merenja koja su letelice prikupile.

Možemo redi da DSN sistem omogudava neke od slededih stvari:

Prikupljanje telemetrijskih podataka sa letelica

Slanje komandi letelicama

Slika 3. Madrid DSN

5

Pradenje pozicije i brzine letelica

Merenje promena u radio talasima u naučne svrhe

Prikupljanje naučnih podataka

Kao i monitoring i kontrolu performansi cele mreže

2.0 Lokacije

Kao što sam gore naveo, postoje tri lokacije zemaljskih baza koje poseduju antene i koje su

raspoređene pod uglom od oko 120 stepeni jedna od druge. Svaka ova bazna stanica se sastoji

od više velikih antena. A sad du redi nešto ukratko o svakoj od ove tri bazne stanice.

2.1 Bazna stanica Goldstone, California, USA

Slika 4. Goldstone, California

6

Da bi utvrdili tačnu lokaciju izgradnje ove DSN bazne stanice u Kaliforniji, naučnici su morali da

pronađu mesto koje je zabačeno, na koje nede dodi do smetnje između komercijalnih radio i

televizijskih predajnika, kao i da je mesto udaljeno od dalekovoda. Kao optimalnu lokaciju oni

su izabrali Mohava pustinju (Mojave Desert) u Kaliforniji, blizu starog rudarskog gradida

Goldstouna (Goldstone), i tamo godine 1958. izgradili prvu antenu. Prva misija ove bazne

stanice je pradenje Pionir (Pioneer) svemirskih sondi. Nakon ove uspešne misije, Goldstone igra

vitalnu ulogu u narednim i sve češdim svemirskim, naučno-istraživačkim, misijama NASA-e.

2.1.1 Kratak istorijat Goldstone-a

Sve počinje sa izgradnjom Pionir stanice (Pioneer Station) (DSS-11) 1958. godine i antenom

prečnika 26 metara. Bududi da je to prva ovakva antena ona je bila prototip antena za DSN.

Ona je podržavala mnoge NASA-ine misije kao što su: sve Pioneer letelice, projekat ''Echo

baloon'', Lunar Orbiter, Ranger, Surveyor, Apollo misije, Helios, Mariner, Viking i Voyager.

Nakon uspešno izvršenih misija DSS-11 antena 1981. godine prestaje sa radom, a 1985. je

postavljaju za nacionalno-istorijski spomenik kao prva antena u DSN.

Godine 1962. počinje izgradnja nove antene prečnika 26 metara, a stara antena biva

premeštena na novu lokaciju radi nove misije Venera (Venus).

1963. godine počinje izgradnja nove antene prečnika 64 metara i 1966. godine prima svoj prvi

signal iz svemira. Taj signal je bio od Mariner 4 letelice koja je imala za misiju istraživanje

Marsa. Tako ova antena dobija ime ''Mars'' a lokacija antene ''Mars'' lokacija. Ova antena

predstavlja i prvu antenu u DSN čije su ''kopije'' kasnije naprevljene na druge dve lokacije.

7

1976-1979 traje rekonstrukcija antena od 26 metara i njihova konverzija u antene od 34

metara.

1988. godine antena od 64 metara se prodiruje na radius od 70 metara. Ovo povedanje

poboljšava osetljivost i povedava sigurnost letelici Voyager 2 prilkom njenog susreta sa

planetom Neptun.

Od 1992-1996. godine se vrši izgradnja tri nove antene od po 34 metara. Ovo su prve antene sa

novim dizajnom koje koriste sistem ogledala da bi poslali dobijen signal u postolje ispod same

antene.

Slika 5. Novi dizajn antena

8

2.2 Bazna stanica Canberra, Tidbinbilla, Australia

Kanbera svemirski centar (Canberra Space Centre (CSC)) se nalazi u Tidbinbilla-i , 18 kilometara

severo-zapadno od grada Canberra. CSC je zvanično otvoren 19. Marta 1965. godine od strane

tadašnjeg premijera Australije Roberta Menzisa (Sir Robert Menzies). Ovo mesto je izolovano

od spoljašnjih šumova, zahvaljujudi poziciji na kojoj se nalazi. Ova bazna stanica ima potpisan

sporzum sa NASA-om koji ga svrstava u DSN mrežu zemaljskih antena.

2.2.1 Antene u CSC

Slika 6. Tidbinbilla, blizu grada Canbbera

9

CSC trenutno ima tri operativne antene : DSS- 34 (34 metara), DSS-43 (70 metara) i DSS 45-(34

metara). Takođe postoje i tri antene koje su bile u funkciji i koje se više ne koriste.

Deep Space Station 34 (DSS-34) je antena konstruisana 1997. godine kao antena čija je oprema

za primanje i slanje pod zemljom a ne kao vedini na samom tanjiru antene. Ovo smanjuje težinu

antene kao i lakše održavanje opreme, sa kojom se može manipulisati dok antena radi tj prati

(tracking).

Deep Space Station 43 (DSS-43) je konstruisana od 1969-1973. godine, a povedana je 1987.

DSS-43 predstavlja najvedu upravljivu paraboličnu antenu na južnoj hemisveri. Ova masivna

antena teži više od 3000 tona, i rotira se na sloju ulja tankom svega 0.17mm. Reflektujuda

površina je napravljena od 1272 aluminijumske ploče koje pokrivaju površinu od 4180 metara

kvadratnih.

Slika 7. DSS-34

10

Deep Space Station 45 (DSS-45) je konstruisana od 1984-1986. godine da bi se koristila za

misiju Voyager 2, tačnije za njegovo približavanje Uranu. Ona se okrede pomodu cirkularne

trake prečnika 19.6 metara i uz pomod 4 točka. ova antena je visoka 33 metra i ima prečnik od

34 metra.

Slika 8. DSS-43

Slika 9. DSS-45

11

2.3 Bazna stanica Madrid, Španija

MDSCC što skradeno znači Madrid Deep Space Communication Center. MDSCC je počeo sa

radom 1964 godine, a naredne godine njena prva operativna antena prečnika 26 metara. Ona

je u vlasništvu NASA-e i trenutno broji 6 antena za pradenje svemirskih letelica i vozila.

Neke od antena su :

DSS-63 : napravljena 1974. god., prečnika 70 metara, težine oko 8000 tona

DSS-65 : napravljena 1987. , prečnika 34 m , teška 400 tona

DSS-54 : 1997. god, prečnika 34 m, težina 358 tona

DSS-55 : 2003. god, prečnika 34 metra, težine 358 tona

Slika 10. DSN blizu Madrida, Španija

12

2.4 Tehničke karakteristike i oprema

2.4.1 Transmiteri (predajnici)

Put koji je potreban radio talasima da bi dosli od nekog rovera, stanice ili letelice do zemlje je

isti kao i put potreban u suprotnom smeru. Međutim antene na tim svemirskim putnicima su

sofisticiranije i manje zbog njihove same konstrukcije. Njihovi prečnici nikako ne prevazilaze 3

metara. Oni su takođe resiveri sa jako malim šumom (verz low noise receivers). Sve ove

karakteristike su tu zbog same težine, kao i iskorišdenosti energije, jer svi znamo da nije ni lako

a ni jeftino poslati bilo šta mnogo teško, kao i energetski zahtevno, na put u svemir.

Da bi kompenzovali ove nedostatke mi koristimo dve kombinovane strategije, prvo je da

koristimo transmitere velikih energija (high-power

transmiters) koji rade do nekih 20 kW, a druga strategija je

da se koriste transmisije sa sporim prenosom informacija.

Uzevši karakteristike pozadinskog šuma, povedanjem

vremena potrebno svakom paketu informacije, smanjuje se

šum u zavisnosti od iskorišdenog filtera.

Slika 11. Transmiter (predajnik)

13

2.4.2 Resiveri (primaoci)

Jedan od problema prijema signala jeste njihova mala snaga od 20kW koja je slična kao kudni

frižider, a i ne samo to nego se i signal smanjuje sa kvadratom rastojanja između prijemnika i

predajnika.

Primer: kada bespilotna letelica koje šalje neki signal a nalazi se u blizini Saturna, mikrotalasni

snop koji šalje prostirade se u prečniku od 1000 Zemljinih prečnika. Dakle energija koja se

detektuje na antenama na zemlji je jako mala i to je jako mali deo energije koju je emitovalo

vozilo, plus šum koji je prouzrokovan prilikom prenosa signala.

Slika 12. Primer prostiranja energije

14

Koncept šuma : hajde da uzmemo temperaturni šum. Otpornici sadrže nepoznat broj slobodnih

elektrona. Uz prisustvo termalnog kretanja slobodni elektroni se kredu haotično

prouzrokovajudi nasumična sudaranja sa atomima i tako prenose energiju. Što povedava šum

samim haotičnim kretanjem elektrona.

Znajudi da su uređaji koji se koriste u primo-predaji jako osetljivi na temperaturne promene,

uveden je novi koncept efektivne temperature šuma.

U lancu osluškivanja od nekog svemirkog uređaja, smanjuje se doprinos šuma u svakom od

elemenata, počev od antene preko RF prijemnika, trenutno se postiže efektivna temperatura

sistema na temperaturama ispod 20 stepeni Kelvina (-253,15 stepena Celzijusa).

Ključnu ulogu u ovoj mreži igra reciver i njegove komponente, koga čine pojačavač lociran na

fokalnom delu antene, kao i resiver koji se nalazi u kontrolnoj sobi zajedno sa ostalom

elektronikom.

Slika 13. Pozicija pojačavača

15

Pojačavač je dizajniran tako da pojača slab primljeni signal, što više može, bez da i sam doda

skoro nikakav šum. On pojačava signal između 100 000 i 700 000 puta, nakon čega se taj

pojačani signal šalje u prijemnike. Ovaj pojačavač takođe nazivaju MASER ("Microwave

Amplification by Stimulated Emission of Radiation ").

MASER je napravljen od sintetičkog kristala rubina (aluminijum-oksid sa nečisstodama od

hroma), lociran je unutar jakog magnetnog polja i ohlađen tečnim helijumom do skoro

apsolutne nule. Ovaj proces zahteva napredne tehnike kriogenike da bi se dostigla temperatura

od -2‚69 stepena Celzijusovih.

Slika 14. Pojačavač

16

Doplerov efekat:

Problem nastao zbog jako slabog signala mogude je postidi jako velikim antenama i jako

snažnim pojačavačima. Međutim nekada ni sve to nije dovoljno, u tim slučajevima se koriste

signali dobijeni na više prijemnika istovremeno od strane iste letelice.

Međutim tu nastaje novi problem ili fenomen koji nastaje pri komunikaciji sa letelicom u

pokretu, koji je poznat u svetu fizičara, i on se zove Doplerov (Doppler) efekat. To znači da se

zbog kretanja određenom brzinom tog svemirskog objekta koji šalje signal, unutar njegovog

transmitera javljaju varijacije frekvencije.

Ali moramo uzeti u obzir da se i resiver kao i transmiter kredu nekim brzinama, tako da u tom

slučaju se moraju uzeti obe brzine u obzir.

Ovo drugim rečima znači da se frekvencija signala povedava pri približavanju prijemnika i

predajnika, a odaljavanjem se ta frekvencija smanjuje. Navedimo jedan primer: uzmimo

posmatrača koji se nalazi na železničkoj stanici, i voz koji prolazi kroz stanicu bez stajanja, kako

se voz približava stanici zvuk njegove sirene de biti sve jači, a nakon prolaska stanice de biti sve

slabiji.

Da bi se kompenzovao Doplerov pomeraj u komunikaciji, JPL (Jet Propulsion Laboratory), je još

ranih 60-ih dizajnirao resiver sa uređajem zvanim ''Phased Locked Loop'' ili skradeno PLL koji je

postao standard u eletronskoj industriji.

Zahvaljujudi ovim uređajima omogudena je neprekidna komunikacija sa letelicama. PLL takođe

određuje brzinu kao i međusobno kretanje između prijemnika i predajnika.

17

2.4.3 Sistem kodovanja

Signali u bilo kom vidu komunikacije moraju da zadovoljavaju neke kriterijume, a pogotovo

vozila za svemirska istraživanja. Zato se koriste određeni mehanizmi kodovanja prilikom

komunikacije vozila sa zemaljskom bazom. Poruke poslate sadrže redudantne elemente koji

pokazuju, gde su se i u kom stadijumu komunikacije javile greške.

Imajudi na umu da se prilikom komunikacija javljaju razne vrste šuma koji su prirodni i

nasumični, jako često se javljaju greške. Postoje mnogi načini enkodovanja pomodu

matematičih metoda i raznih algoritama. U prvu grupu spadaju algoritmi za detekciju grešaka ali

ne i za preciziranje na kom mestu se ta greška desila. Dok u drugu grupu spadaju mnogo

modnije metode kodovanja, one koje mogu da otkriju mesto na kom se našla greška kao i da tu

grešku isprave. Ovakvi kompleksni sistemi kodovanja se koriste u modernim i novijim misijama

ali su jako komplikovani i zahtevaju posebnu opremu.

Ako postoji potreba za još jačim metodama za otklanjanje grešaka onda se koristi kombinacija

dveju gore navedenih metoda, prvo se koristi prva metoda a zatim se prosleđuje u drugu.

2.4.4 Zemaljska komunikacija između baznih stanica

Za komunikaciju zemaljskih baza međusobno koriste se skoro svi vidovi komunikacije kao kod

interneta. Neki od vidova komunikacionih linija su zemaljski kablovi, radio linkovi , podvodni

18

kablovi... Kroz ove sisteme komunikacije se šalju telemetriski podaci i komandni linkovi sa

svemirskih letelica, kao i mailovi, televizijski signali, zvuk...

Da bi se osigurao integritet podataka, za ove stvari se koriste specijalizovani računari.

2.4.5 Antene

Za komunikaciju sa svemirskim letelicama se koriste mikrotalasni zraci, oni se mogu odbijati o

glatke povrsine kao i svetlost, a zatim se mogu fokusirati uz pomod raznih sočiva ili zakrivljenih

površina da bi im se povedao intenzitet.

Slika 15. Server soba zazemaljsku komunikaciju

19

Rezultat je sličan onome kod optičkih teleskopa, gde se kristalna ogledala zamenjuju sa

metalnim površinama koje igraju istu ulogu. Antene se koriste kao paraboličke reflektujude

površine, koje imaju tu osobinu da fokusiraju mikrotalase koje prime, u zrak koji je paralelan sa

glavnom osom. Ta tačka se zove fokus paraboloida.

Kod velikih antena se koristi još jedna reflektujuda površina kako bi poboljšala signal. Najčešde

korišden dizajn je Cassagrain čiji je drugi reflektor oblika hiperboloida koji šalje mnogo

fokusiraniji signal i koji se nalazi bliže glavnom prijemniku.

20

Antene su izrađene od aluminijumskih reflektujudih ploča, a cela struktura od čelika i betona.

Kod velikih antena prečnika 70 metara, masa iznosi impozantnih 8 500 tona od čega je 3 500

tona pokretnih delova, čiji se glavni reflektujudi tanjir sastoji od skoro 1 300 aluminijumskih

ploča različitih veličina, poređanih u 17 redova.

Da bi ove ogromne antene bile efikasne, reflektujuda površina mora da prati neke standarde,

što znači da deformacije ne smeju da pređu 1/40 talasne dužine, tačnije 0.25mm na frekvencije

do 30 GHz.

Slika 16. Detaljna slika antene

21

2.5 Bududnost i kako ja sve to vidim

Na osnovu DSN de se u bududnosti razvijati interplanetarni internet. Ved sada postoji kao

koncept i neki delovi su ved razvijeni baš zahvaljujudi tehnologijama koje koristi DSN. Međutim

on nede modi da bude kao internet kakvog mi znamo sada i imamo na zemlji, bar ne u skorije

vreme. Postoje mnoge prepreke koje treba zaobidi da bi komunikacija bila kao što je na

zemaljskom internetu. Najvedu prepreku možda predstavlja udaljenost i kašnjenje signala sa

tehničke i tehnološke strane, ali vedu prepreku čini to što nije komercijalizovano i nema ko da je

koristi. Ali sa pojavom sve više agencija iz privatnog sektora koje se bave istraživanjem svemira,

korišdenje svemira u komercijalne svrhe, od komercijalnih letova preko hotela u zemljinoj orbiti

pa do mogude kolonizacije i eksploatacije nebeskih tela, postoji mogudnost za ubrzan razvoj ove

tehnologije.

Do pre samo 3 decenije bilo nam je nezamislivo ono što sada predstavlja internet, a sada se bez

njega ne može zamisliti moderan svet. A sve je počelo sa tehnologijom i razvojem u naučne

svrhe baš kao što to predstavlja i Deep Space Network.

22

Literatura

1. http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsn/about.html

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_Space_Network

3. https://propagation.grc.nasa.gov/campaigns/goldstone/

4. http://www.gdscc.nasa.gov/

5. http://www.mdscc.org/index.php

6. http://www.cdscc.nasa.gov/

7. http://en.wikipedia.org/wiki/Interplanetary_Internet

8. www.google.com