Марсианская атмосферная пыль существенно усложняет лазерную связь между поверхностью и орбитой. Моделирование выявило прямую зависимость прохождения сигнала от региона планеты, сезона и уровня концентрации пыли в атмосфере.
Важной проблемой будущих миссий на Марс, особенно пилотируемых, будет обеспечение быстрой и надежной связи с Землей.
Сообщением от нашей планеты до Красной планеты или обратно требуется от четырех до двадцати четырех минут. Пропускная способность существующих радиоканалов ограничена. В настоящее время для связи используют сеть дальней космической связи NASA Deep Space Network. В будущем планируют использовать передовые лазерные системы, способные передавать данные значительно быстрее.
Главное препятствие для оптических лазерных сигналов — марсианская пыль. Тонкий слой мелкодисперсной пыли покрывает Марс и легко поднимается ветром, образуя пылевые бури. Бури иногда достигают планетарных масштабов, охватывая всю планету на недели или даже месяцы.
В эти времена солнечный свет почти не проникает к поверхности, видимость стремится к нулю. Частицы пыли, гораздо тоньше человеческого волоса, могут подниматься на высоту до 60 километров. Любая система связи должна функционировать стабильно в таких трудных условиях, поэтому необходимо тщательно оценить воздействие пыли на оптические сигналы.
Группа учёных из нидерландского учреждения прикладных научных исследований. оценилаАвторы исследовали влияние марсианской атмосферы на оптическую связь с наземными станциями. arXiv.
Учёные обратились к климатическим данным из базы Mars Climate Database (MCD) для создания карт ослабления солнечного света пылью в атмосфере, как при обычных условиях, так и при усиленной запыленности («теплый» сценарий). База MCD содержит сведения о марсианской атмосфере, добытые по результатам наблюдений за более чем десятью марсианскими годами с орбитальных аппаратов и марсоходов.
Ученые в своей работе рассчитали влияние частиц пыли на лазерный сигнал с длиной волны 1,55 микрометров. Проведенный анализ касался так называемой оптической толщины пыли, являющейся мерой степени светового затухания из-за пыли.
Данные MCD дают оптическую толщину для вертикального столба атмосферы при длине волны 0,67 микрометра. Исследователи сравнили эти значения с длиной волны 1,55 микрометра и выяснили, что оптическая толщина будет примерно в 1,1 раза выше. Затем разработали модель расчета оптической толщины вдоль наклонных траекторий — под разными углами к поверхности, так как спутник не всегда находится над наземной станцией.
Учёные определили энергетический баланс канала связи для моделируемой системы. В расчёт были включены мощность передатчика (200 милливатт), расходимость луча (380 микрорадиан) и диаметр приемной антенны (800 миллиметров), сопоставимые с параметрами наземной оптической станции TNO.
Специалисты установили предельный угол наклона трассы связи (углом считается разница между вертикалью и направлением к спутнику), при котором запас мощности сигнала превышает пороговое значение на три децибела. Вычисления охватили всю поверхность Марса и разные месяцы, включая периоды чистых сезонов и повышенной запыленности.
Изучали два варианта загрязнения пылью из модели MCD: обычный год без крупных пылевых бурь и сценарий «теплый», где повышенная запыленность равна максимуму наблюдений, увеличенному на 50%. Сценарий глобальной пылевой бури не принимался во внимание, поскольку при нем оптическая толщина настолько велика, что связь практически недоступна повсеместно.
Моделирование выявило сильную взаимосвязь возможности лазерного соединения с концентрацией пыли и позиционированием наземной станции. В климатическом сценарии связь почти повсеместна, но максимальный угол наклона трассы изменяется. В «теплом» сценарии, особенно зимой в северных равнинных зонах и постоянно в Равнине Эллады, концентрация пыли может быть настолько высокой, что связь нарушается даже при спутнике прямо над станцией.
Полярные регионы и возвышенности, например плато Фарсида, остаются относительно чистыми. Это позволяет поддерживать связь при больших углах наклона. Анализ мест посадки показал: на площадке аппарата Phoenix (высокие северные широты) связь возможна почти круглый год даже в «теплом» сценарии. В то же время на площадке марсохода Curiosity (около экватора), а особенно на Равнине Эллады, проблемы с закрытием канала связи из-за пыли чаще возникают, особенно в «теплом» сценарии. Так, на Равнине Эллады связь невозможна 260 дней из 360 марсианских дней при «теплом» сценарии.
Лазерная связь, будучи перспективной для Марса, подвержена влиянию погоды и географической локации. Расположение наземной станции имеет решающее значение: высокогорные или полярные регионы предпочтительнее равнинных зон, где накапливается пыль. Даже в сравнительно чистых районах связь может быть прервана во время глобальной пылевой бури.
Для надежного и непрерывного контакта со Землей, важного для будущих пилотируемых миссий, нужно разрабатывать гибридные системы связи, объединяющие лазерные и радиочастотные каналы. Необходимо также продумывать архитектуру сети с ретрансляторами на большой высоте или орбите.