Kommunikation i rymden

Vilka färder är på gång i solsystemet just nu och vilka avstånd rör det sig om? För att visa de ofantliga avstånden kan man börja med en relativt skalenlig bild av solsystemet med de mest intressanta färderna inlagda.

Klicka på bilden och förstora den ordentligt för att få se alla siffror. Avstånden i solsystemet är överväldigande och i princip ogripbara. Man kan notera att avstånden i det inre solsystemet innanför Mars bana är löjligt små i förhållande till det hela och är relativt lätta att överbrygga med radio. Notera också att de allra yttersta delarna av systemet, nämligen Kuiperbältet och heliopausen, inte gjorts skalenliga. Notera vidare att Plutos och 2014MU:s banor i förenklande syfte inte gjorts så kraftigt elliptiska som de i själva verket är. Avståndet till Pluto är ett medelavstånd.

Här tar vi upp några av de mera remarkabla färderna genom tiderna, nuvarande såväl som historiska. Ett litet urval av de farkoster som kommunicerat eller just nu kommunicerar tvärs genom hela solsystemet.

Voyager 1 och 2

• Sändes upp: 1977

• Nuvarande avstånd: 19 resp 16 miljarder kilometer

• Sändareffekt: 20 watt

• Frekvens: 8,3 GHz

• Kapacitet: 16 bps, minskande

Den mest imponerade av alla kommunikationslänkar som för närvarande finns är länkarna till Voyager 1 och 2. Det var mer än 25 år sedan kamerorna stängdes av, efter att man gjort det där sista panoramat av hela solsystemet. Numera är det alldeles svart där ute, åtminstone för Voyagers kameror och det radioaktiva kraftverket har tappat i uteffekt så man tvingats stänga flera instrument för att ha kraft till radiolänken.

Den mest imponerande bild som för närvarande finns, alla kategorier, är en sammanfogad serie av bilder tagna av Voyager 1 i februari 1990, från en punkt 32 grader ovanför ekliptikan. Farkosten hade då hunnit utanför solsystemet och vände sig om och tog några sista bilder innan kamerorna stängdes av för att det inte finns något mer att fotografera. NASA kallar bilden för Family Portrait eller Portrait of the Planets.

För Voyagers kameror var planeterna några pixel i storlek. Bilden på Vintergatan är givetvis tagen från Jorden. Den har jag lagt in i efterhand, men det ser likadant ut där Voyager befinner sig nu. Bilden visar att vi är insignifikanta i det stora hela. Kan din hjärna ens förstå avståndet 6 400 000 000 kilometer (avståndet 1990)?

Systemets radiofrekvens är inte stabil på 8,3 gigahertz. Jorden rör sig från eller mot Voyager med cirka 108 000 kilometer i timmen, beroende på var Jorden är på sin bana runt Solen. Den hastigheten är 1/10 000 av ljushastigheten vilket inför ett dopplerskift på +/– 833 kilohertz, alltså betydligt mer än bandbredden på 140 hertz. NASA måste välja rätt frekvens med nio siffrors noggrannhet.

Marsbilarna Spirit och Opportunity

• Sändes upp: juni resp juli 2003

• Landade: januari 2004

• Medelavstånd: 225 miljoner kilometer

• Sändareffekt: 12 watt

• Frekvens nedlänk: 8,4 GHz

• Kapacitet: 3,5 – 12 kbps

Marsbilarna Spirit och Opportunity (varav bara Opportunity ännu lever efter 11 år) har egen riktantenn (den bruna ”pannkakan” i bilden) och kan kommunicera direkt med Jorden med 12 watts sändareffekt. Under ett tidsfönster på tre timmar kan man hinna överföra 60 megabit, om man har tur.

Satelliterna Mars Express (ESA), Mars Orbiter Mission (ISRO), MAVEN (NASA), Mars Odyssey (NASA) och Mars Reconnaissance Orbiter (NASA) är huvudsakligen fotosatelliter avsedda för vetenskapliga ändamål, som att undersöka planetens atmosfär och magnetfält.

Även om marsbilarna kan använda de befintliga satelliterna för kommunikation mot Jorden har det inte varit huvudsyftet med satelliterna, utan snarare ett litet påhäng. En ”kludge som ingalunda är färdigutvecklad”, som jag fick det beskrivet av JPL. Upplänken från Mars till satelliterna runt Mars ligger på cirka 250 kbps.

Venera 13

• Sändes upp: 1981

• Landade: 1982

• Medelavstånd: 41 miljoner kilometer

• Sändareffekt från reläsändaren: 100 watt

• Frekvenser: 920 MHz, 5,80 GHz, 8,4 GHz

• Kapacitet: 3,072 kbps FSK-modulation

Venera 13 var en av Sovjetunionens lyckade venuslandare. Den överlevde 127 minuter i den täta venusatmosfären och är en av de få sonder som lyckats ta en bild av venusytan och överföra den till Jorden.

Venera sände inte direkt till Jorden utan via en reläsändare i sin transportfarkost (cruise stage), som den lämnade kvar i en bana som passerade Venus. Länken till Jorden hade flera olika frekvenser för olika typer av data, som telekommandon, telemetri och bilder, medan upplänken från Venera till reläsändaren tycks ha varit omkring 300 MHz. När transportfarkosten passerat den radiostråle som Venera sände rakt upp (se spiralantennen på bilden ovan) var förbindelsen med Venera bruten för alltid. Det är inte känt om det var den höga yttemperaturen på 460 grader, det höga trycket på 53 bar eller helt enkelt transportfarkostens passage som gjorde att man tappade kontakten med Venera.

New Horizons

• Sändes upp: 2006

• Avstånd: 4,8 miljarder kilometer

• Sändareffekt: 12 watt

• Frekvens: X-bandet

• Kapacitet: 1 kbps, minskande

New Horizons sköts upp i januari 2006 och har alltså pinnat på i ungefär nio år. Sonden går så fort att den inte hade tid att stanna, utan for förbi grannskapet kring Pluto och alla dess månar på en timme, men den lät kameraslutarna rassla under hela passagen. Den var förbi själva Pluto på bara tio minuter. Sedan bar det av vidare ut i Kuiperbältet, mot nya, frysta världar.

Sonden kom aldrig närmare Pluto än 12 500 kilometer, en sträcka något mindre än Jordens diameter, men det räckte för att passera innanför alla de fem månarnas banor. Det är bra siktat av Nasa – en nål i en höstack är intet mot detta.

New Horizons har en databuffert på 8 gigabyte. Vid Pluto blir kapaciteten på datalänken en kbps. Kamerorna tar bilder på 1 024 x 1 024 pixel med 12 bitars upplösning (1,57 MB), så databufferten rymmer cirka 5 000 bilder. På ett år kan man få över 3,9 gigabyte, inklusive kontrollinformation, och hela överföringen beräknas ta 16 månader. Varje bild skickas två gånger, en gång i hårdkomprimerat format där små detaljer försvinner och en gång okomprimerat. Det är det senare formatet som tar den långa tiden.

Dataöverföringen slår därmed alla rekord. Om avståndet är 4 750 000 000 kilometer och kapaciteten 1 kbps blir det 4,75 petabitmeter per sekund. SUNET har kört fortare, nämligen 124 petabitmeter per sekund, men det var på Jorden, över bara 6 miljondelar av sträckan. En baggis.