29
السبت, فبراير

كيف نتصل بالمركبات الفضائية!

اتصالات وشبكات
Typography
  • Smaller Small Medium Big Bigger
  • Default Helvetica Segoe Georgia Times
يتم تبادل المعطيات مع المركبات الفضائية عبر موجات الراديو، تماماً كما تقوم باستقبال برنامجك الإذاعي المفضل على الراديو في سيارتك، كلُّ مركبةٍ فضائية تحوي مُرسِلاً ومُستقبِلاً لموجات الراديو تسمح باستقبال المعلومات والأوامر التي تتحكم بالمركبة الفضائية من المحطات الأرضية الخاصة بناسا والتي تحوي أجهزة إرسالٍ و استقبال.

ماهو الـDSN أو Nasa Deep Space Network:
هو شبكةٌ عملاقةٌ من الهوائيات المُرسِلة والمُستقبِلة التي تسمح للناس على الأرض بالتواصل مع الأقمار الاصطناعية والمَركَبات الفضائية، كما تشكّلُ نظامَ رصدٍ لاستكشاف الكون والنظام الشمسي.


Image: http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/zoom-messages.html
الصورة لصحنٍ لاقطٍ عملاق تابعٍ لناسا، لاحظ حجم الصحن الكبير بالمقارنة مح حجم السيارات المحيطة به.

تتألف شبكة DSN من ثلاث محطات اتصالاتٍ تتوزع حول العالم، كلٌّ منها في ثُلُثٍ من أثلاث الكرة الأرضية؛ الأول في كاليفورنيا في صحراء Mojave تحديداً، والثاني في مدريد في إسبانيا، والثالث في أستراليا بالقرب من كانبيرا، وتتوضعُ بحيث تكون الزاوية فيما بينها 120 درجة. هذا التموضع يسمح لها بتحديدِ ومتابعة المركبة الفضائية جاعلاً منها أكبرَ وأدقَّ نظامِ اتصالاتٍ في العالم.


Image: http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/zoom-messages.html

توزُّعُ محطات الاتصالات بحيث تفصل بين كلٍ منها 120 درجة بالنسبة لمركز الأرض، يَسمح بوجود محطةٍ دوماً قادرة على إرسال واستقبال الإشارات إلى أي نقطةٍ كانت في الفضاء، على الرغم من حركة الأرض الدورانية.


Image: http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/zoom-messages.html

تسمحُ شبكة اتصالات DSN الخاصة بناسا بما يلي:
1- استقبال البيانات من المحطات الفضائية.
2- تعقُّب مواقع المحطات الفضائية.
3- جمع المعلومات العلمية.
4- الاعتماد على متغيرات الإشارة الراديوية كتأثير دوبلر هنا للقيام ببعض القياسات.

كم تستغرق الإشارة حتى تصل إلى المركبات الفضائية؟
تتوقف إجابة هذا السؤال على بُعد المركبة عن الأرض، وبمعرفة سرعة انتقال الإشارة وبُعد المركبة عن الارض نستطيع تحديد الوقت اللازم للإشارة. الإشارة الراديوية تُسافر بسرعة الضوء وهي تقريباً 300000 كم في الثانية، وهي سرعةٌ كبيرةٌ بالطبع، لكنْ إذا سافرنا إلى مسافاتٍ أبعدَ من القمر، إلى المريخ على سبيل المثال، فسنبدأ في مواجهة بعض المشاكل. فالمريخ يبعد عن الأرض مسافة 225 مليون كيلومتر، وهو ما يعادل 12.5 دقيقة بسرعة الضوء.
ونتيجةً لذلك، ستكون المحادثة بين من هم على المريخ ومن هم على الأرض مضطربةً بسبب ذلك التأخير. وتزداد المشكلة صعوبةً كلما ابتعدنا أكثر عن الأرض نحو طبقات الفضاء البعيدة.

هل يُمكن أن ينقطع الاتصال مع المركبات الفضائية أو يتعرض للتشويش؟
بعد إطلاق المركبة الفضائية، لا يمكن للمهندسين تعديلُ أي شيءٍ أو إصلاحُ أي شيءٍ يتحطم، إنما في بعض الأحيان حين يتعرض نظام الاتصال لمشكلةٍ ما، قد يمكنهم الالتفاف حولها وإيجاد طريقة أُخرى لتبادل المعطيات مع المركبة، يمكن أن يتعرّض الاتصال للعديد من المشاكل، فقد تُصيب أجهزة الإتصال في المركبة مشكلةً ما غيرَ متوقعة نتيجةَ عطلٍ أو اصطدامِ نيازكَ صغيرةٍ أو تعرُّضِ الإشارة لنوعٍ من التشويش بسبب مصدرٍ للطاقة أو أحد مصادر التشويش، ويزيد احتمال حدوث ذلك كلما ابتعدت المركبة عن الأرض.

آلية التواصل مع الأرض:
تمتلك المركبة الفضائية نوعين من الهوائيات، الأول هوائيٌّ منخفضُ الربح (أي لا تقل كفاءة استقباله وإرساله للإشارة بتغير اتجاهه، ولا تقتصر قدرته على الإرسال والاستقبال في اتجاهات معينة) والذي يقوم بإرسال إشاراتٍ بسيطة إلى الأرض، حيث يمكن لمستقبلاتٍ صغيرة استقبالُها، يقوم هذا الهوائي منخفضُ الربح بإذاعة إشاراتٍ بشكلٍ مستمر، تحمل إحدى المعاني التالية وفقاً للرمز الذي تقوم المركبة ببثه:
- كل شيء على ما يرام.
- أمرٌ لتتبع المركبة.
- تتبُّعُ المركبة قبل وقت معين.
- إنذارٌ بوقوع مشكلةٍ كبيرة.

بينما يتم إرسال البيانات الأعقد والأكثر أهمية عبر الهوائي الثاني عالي الربح مما يساعد على إرسال إشارةٍ ذات نوعيةٍ أفضل، حيث تكون المحطة الأرضية متأكدةً بأن هناك رسائلَ محددةً ستصلُ إلى الأرض في وقتٍ محدد، وغالباً ما تكون البيانات علميَّةً ومهمة، لذلك تُرسَل من خلال هذا الهوائي.

ماهي الإشارة الكهرومغناطيسية؟
الطيف الكهرومغناطيسي، الأشعة الكهرومغناطيسية، أو الأمواج الكهرومغناطيسية كلها تحمل نفس المعنى الفيزيائي، وحين التحدث عن جزءٍ خاص من هذا الطيف الكهرومغناطيسي مثل الضوء المرئي والمايكروويف وأشعة إكس وأشعة جاما وموجات التلفزيون والراديو فجميعها عبارة عن أشعة تُعرف باسم الأشعة الكهرومغناطيسية Electromagnetic Radiation ولها جميعاً نفس الخصائص ولكنها تختلف في الطول الموجي Wavelength أوالتردد Frequency.

لكلِّ موجةٍ طولٌ معين، والطول الموجي يعني المسافة بين نقطتين متماثلتين في موجتين متتاليتين، حيث نستطيع حسابَ طولٍ موجةٍ معينة بأخذِ المسافة بين قاعَي موجتين متتابعتين، قمتَي موجتين متتابعتين، بدايتَي موجتين متتابعتين، نهايتَي موجتين متتابعتين أو بين أي نقطتين متشابهتين تقعان على موجتين متتابعتين. و في جميع الأحوال والقياسات السابقة ستكون النتيجة واحدة، وتكون المسافة متماثلة، وهذه المسافة هي ما يُطلق عليه بالطول الموجي. كثيرٌ من ظواهر الكون حولنا عبارةٌ عن أمواجٍ منها ما هو مرئي ومنها ما هو غير مرئي ومنها ما هو مسموع ومنها ما هو غير مسموع، فالصوت عبارةٌ عن أمواج، والضوء ذو طبيعة مزدوجة: ماديةٍ مَوجيّة.

يُقاس طول الموجات بوحدات قياس المسافة، والمتر هو وحدة قياس المسافة، فيمكن مثلاً قياسُ طول موجة تتكوّن في بحرٍ أو محيط بوحدة المتر، ولكنْ هناك موجاتٌ قصيرة الموجة لا نستطيع قياسها بالمتر وإنّما نقيسها بالميليمتر، أمّا الأمواج فائقة الصغر في طول موجاتها مثل أمواج الطيف الكهرومغناطيسي فيتم قياس طول الموجة بالنانومتر.
هناك علاقةٌ عكسية بين طول الموجة والتردّد، فعند تساوي سرعتَي موجتين مثلاً فكلما زاد طول الموجة قلّ التردد، و كلما قصر طول الموجة زاد التردد.

كيف يتم حمل البيانات على أمواج الراديو؟
يوجد طريقتان لذلك، إما باستخدام التعديل الترددي FM (frequency modulation) أو التعديل المَطالي (AM (amplitude modulation.
يعتمد التعديل المطالي على تغيير مطال الإشارة لتحميل البيانات عليها كما في الشكل التالي، يوجد مطالاتٌ معينة تُشير إلى 1 ومطالات أخرى تشير إلى 0:


Image: http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/zoom-messages.html

بينما يكون تحميل البيانات في التعديل الترددي عن طريق تغيير التردد فى نطاقٍ صغير أعلى أو أسفل التردد الأساسي، حيث يشير التردد العالي إلى قيمة والتردد المنخفض إلى قيمةٍ أُخرى، كما في الشكل التالي:


Image: http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/communications/zoom-messages.html

تسعى الدراسات الحالية إلى محاولة تطوير عمليات الاتصال الفضائية للحصول على سرعةٍ أعلى وعرض حزمةٍ أفضل مما يساهم في التقليل من المشاكل التي يسببها البطء في السرعات الحالية.

المصدر:
هنا