Antenna Arraying: Συνδυασμός πολλών κατόπτρων

Του Περικλή Παντολέων

Τι θα λέγατε, εάν μαθαίνατε ότι δύο «πιάτα» μπορούν να αποτελέσουν στην πράξη ένα μεγαλύτερο; Στο δίκτυο Deep Space Network της NASA, το παραπάνω γεγονός αποτελεί μία …κοινή πρακτική!

To δίκτυο Deep Space αποτελείται από 3 τηλεπικοινωνιακές εγκαταστάσεις με απόσταση 120 μοιρών μεταξύ τους, στο Goldstone της Καλιφόρνιας, στη Μαδρίτη και στη Καμπέρα της Αυστραλίας. Αυτή η μελετημένη τοποθέτηση επιτρέπει τη συνεχή επαφή με τα διάφορα διαστημικά οχήματα, καθώς η Γη περιστρέφεται.

Οι διάμετροι κεραιών που χρησιμοποιεί το υπάρχον δίκτυο είναι 70 μέτρα, 34 μέτρα, 26 μέτρα και η «μικρότερη» είναι 11 μέτρα!

Στο Goldstone, υπάρχει επίσης ακόμη ένα 34μετρο «πιάτο», το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως για έρευνα και ανάπτυξη.

Τα τρία συστήματα ελέγχονται και παρακολουθούνται από το ΝΟCT-Network Operations Control Team στο JPL.

Οι 26μετρες κεραίες είναι σχεδιασμένες για επικοινωνία σε κοντινότερες αποστάσεις, όπου τα σήματα είναι ισχυρά και δεν απαιτούν μεγαλύτερες διαμέτρους και υπερευαίσθητους δέκτες, όπως απαιτούν οι επικοινωνίες για αποστάσεις, πολύ «βαθιά» στο διάστημα (deep space).

H κύρια δυσκολία των επικοινωνιών μεταξύ σημείων που απέχουν ακόμη και περισσότερο από 2 δισ. χιλιόμετρα είναι η επιδείνωση του σήματος, διανύοντας τέτοιου μεγέθους αποστάσεις. Σε αυτές τις εφαρμογές, απαιτούνται πολύ μεγάλες διάμετροι κατόπτρων, π.χ. 70 μέτρων, ενώ τα διάφορα διαστημικά οχήματα παραμένουν ορατά από έναν σταθμό εδάφους, για 10 με 12 ώρες περίπου. Τα συγκεκριμένα μεγάλα κάτοπτρα είναι σχεδιασμένα να σαρώνουν με ακρίβεια χιλιοστών της μοίρας ανά δευτερόλεπτο, ώστε να παραμένουν σε ακριβή σκόπευση των διαστημικών σκαφών, καθώς η Γη περιστρέφεται με ρυθμό 0.004 μοιρών ανά δευτερόλεπτο.

Ωστόσο, η χρήση τόσο μεγάλων διαμέτρων, δεν είναι πάντα 100% αποτελεσματική, γι’αυτό εδώ και αρκετά χρόνια σχεδιάζεται κι αναπτύσεται μία τεχνική συνδυασμού πολλών κατόπτρων, προκειμένου τα κάτοπτρα των 70 μέτρων, να αποσυρθούν.

H μέθοδος

Η τεχνική Antenna Arraying συνδυάζει τα σήματα που λαμβάνονται από πολλές κεραίες σε διαφορετικές τοποθεσίες και το αποτέλεσμα είναι όμοιο με τη λήψη από μία μεγαλύτερη κεραία. Ο σκοπός αυτής της μεθόδου είναι η βελτίωση της λήψης αδύναμων σημάτων από διαστημικά οχήματα που πραγματοποιούν διαπλανητικά ταξίδια τεραστίων αποστάσεων. Όταν το σήμα τους φθάνει στη Γη, απλώνεται σε μεγάλη ακτίνα κι έτσι το κάτοπτρο λήψης λαμβάνει μόνο ένα μικρό ποσοστό. Με τη μέθοδο arraying, μπορεί να λαμβάνεται μεγαλύτερο ποσοστό σήματος, με αποτέλεσμα τον υψηλότερο ρυθμό δεδομένων.

Το Deep Space Network (DSN) χρησιμοποιεί την εν λόγω τεχνική από τις αρχές του 1970, ενώ το 1977 άρχισε να επεκτείνει τη χρήση της μεθόδου σε όλο το δίκτυο.

Το 1980 έγινε έντονη χρήση του συστήματος στα τρία τηλεπικοινωνιακά κέντρα του DSN. Όταν το Voyager πετούσε κοντά στον πλανήτη «Ουρανό», το DSN συνδύαζε 4 ανεξάρτητα σήματα σε ένα, ενώ ο αριθμός των σημάτων έχει φθάσει και τα 27, από ισάριθμα «πιάτα» στο Νέο Μεξικό, με την τεχνική «Very Large Array».

Η τεχνική Arraying χρησιμοποιήθηκε επίσης στην αποστολή του Galileo στον Δία, κατά το χρονικό διάστημα 1996/1997, με σκοπό να αυξήσει τη ροή δεδομένων. Συγκεκριμένα, συνδυάστηκαν 5 «πιάτα» από τρεις περιοχές (Goldstone, Camberra, Parkes) και δύο ηπείρους. Το αποτέλεσμα ήταν ο τριπλασιασμός της ροής δεδομένων, σε σύγκριση με την απόδοση του ενός 70μετρου κατόπτρου, καθιστώντας την αποστολή Galileo ιδιαιτέρως επιτυχή.

Η τεχνική Arraying παρέχει επίσης ευελιξία και στη διαχείριση των κεραιών. Για παράδειγμα, ένα σύνολο από 34μετρα «πιάτα» μπορεί να αποδώσει όπως ακριβώς το ένα 70μετρο, στην περίπτωση που το τελευταίο χρειάζεται συντήρηση με ταυτόχρονη διακοπή της λειτουργίας του.

Full Spectrum Arraying

Στη συνέχεια ακολούθησε μία εξελιγμένη μορφή δεύτερης γενιάς της εν λόγω τεχνικής, που ονομάστηκε «Full–spectrum arraying». Η εξελιγμένη τεχνική εφαρμόστηκε για πρώτη φορά, για την υποστήριξη της αποστολής Galileo το 1996, ενώ μπορεί να συνδυάσει μέχρι και 8 κάτοπτρα. H μέθοδος αυτή πραγματοποιεί τον συνδυασμό των σημάτων σε πραγματικό χρόνο, σε υψηλότερους ρυθμούς, ενώ διορθώνει τόσο τις σχετικές καθυστερήσεις των σημάτων, όσο και τις μετατοπίσεις Doppler που υφίστανται οι συχνότητές τους, λόγω της κίνησης των  διαστημικών οχημάτων. Τo φαινόμενο Doppler εμφανίζεται όταν υπάρχει σχετική κίνηση πομπού και δέκτη, ενώ ένα πολύ καθημερινό παράδειγμα είναι ο ήχος ενός αυτοκινήτου που μας πλησιάζει με μεγάλη ταχύτητα. Καθώς το αυτοκίνητο μάς πλησιάζει, η συχνότητα του ήχου που ακούμε, αυξάνεται διαρκώς, ενώ όταν μας προσπεράσει και αρχίσει να απομακρύνεται (με μεγάλη ταχύτητα), τότε η συχνότητα του ήχου αρχίζει πάλι να μειώνεται σταδιακά. Στην περίπτωση αυτή, ο πομπός είναι το αυτοκίνητο (ως ηχητική πηγή) και ο δέκτης το ανθρώπινο αυτί. Ο ήχος διαδίδεται με αυξομειώσεις της ατμοσφαιρικής πίεσης και αυτές γίνονται αντιληπτές από το αυτί. Όταν η ηχητική πηγή κινείται, τότε δύο διαδοχικές αυξήσεις της ατμοσφαιρικής πίεσης συμβαίνουν σε κοντινότερη απόσταση από την κανονική, λόγω της μετατόπισης της ηχητικής πηγής όταν μας πλησιάζει, έτσι το αυτί ακούει μία αύξηση της συχνότητας, ενώ η συχνότητα αυτή καθαυτή δεν έχει αλλάξει.

Το ίδιο ακριβώς ισχύει και στα ραδιοκύματα, αλλά και στο φως. Όταν μία φωτεινή πηγή τρέχει με μεγάλη ταχύτητα κι εμείς την παρακολουθούμε ακίνητοι, τότε όταν μας πλησιάζει, το χρώμα της θα τείνει προς το ιώδες, ενώ όταν απομακρύνεται, το χρώμα της θα τείνει προς το κόκκινο.

Το εν λόγω πρόβλημα, στις επικοινωνίες μεταξύ διαστημικών οχημάτων και Γης, αποτελεί «πονοκέφαλο» για τους τηλεπικοινωνιακούς μηχανικούς, γεγονός που οι επιστήμονες πρέπει να λαμβάνουν διαρκώς υπόψη και να φροντίζουν για τη διόρθωσή του.

Οι προσπάθειες και οι δοκιμές

Κατά τη διάρκεια όλων αυτών των χρόνων, το Deep Space Network ερεύνησε τον συνδυασμό πολύ μεγάλου αρισθμού 12μετρων “πιάτων”, ώστε τελικά να μπορέσουν να αντικαταστήσουν τα μεγάλα κάτοπτρα των 34 και 70 μέτρων. Η αιτιολογία γι’αυτήν την έρευνα βασίστηκε στο γεγονός ότι η κατασκευή κατόπτρων 12 μέτρων θα ήταν πολύ πιο φτηνή από αυτή των 70 μέτρων, ενώ, επιπρόσπθετα, η χρήση πολλών κεραιών, αντί μίας μεγάλης, παρέχει μεγαλύτερη ασφάλεια έναντι των βλαβών που μπορούν αν συμβούν σε μία κρίσιμη στιγμή, με ιδιαίτερα επιζήμια αποτελέσματα.

Για παράδειγμα, σε περίπτωση απώλειας μίας εκ των πολυάριθμων 12μετρων κεραιών, η επίπτωση στον συνολικό λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N), θα ήταν πολύ πιο μικρή.

Ακόμη ένα μεγάλο πλεονέκτημα της χρήσης πολυάριθμων μικρότερων κεραιών είναι ότι μπορούν να ομαδοποιηθούν κατά περίπτωση, ώστε να εξυπηρετούν διαφορετικές αποστολές συγχρόνως, ανάλογα με τις ανάγκες.

Από την άλλη πλευρά, ο εξοπλισμός hardware επεξεργασίας σημάτων που απαιτείται για τον συνδυασμό πολυάριθμων κεραιών, είναι πολύ περισσότερος, αλλά με δεδομένη τη διαρκή πρόοδο στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, είναι εφικτός ο λειτουργικός συνδυασμός 400 κατόπτρων (!) σε μία επιφάνεια ενός τετραγωνικού χιλιομέτρου.

Επίσης, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε τρία εξάμετρα κάτοπτρα, ώστε να εξεταστεί η απόδοση του συστήματος και να σχηματιστούν μοντέλα κόστους. Τ

Η μέθοδος Antenna Arraying αρχικά εφαρμόστηκε στις περιπτώσεις της λήψης σημάτων από διαστημικά οχήματα, αλλά μπορεί επίσης να φανεί χρήσιμη και στη ραδιοαστρονομία, καθώς και στις εμπορικές δορυφορικές επικοινωνίες.

Μέχρι το 2025: Σχέδιο DAEP

Οι τελευταίες εξελίξεις στη χρήση συστοιχίας κατόπτρων, είναι λιγότερο εντυπωσιακές, ωστόσο παραμένουν αισιόδοξες. Για τα κάτοπτρα των 70 μέτρων, έχει αποφασιστεί η αντικατάστασή τους με συστοιχίες (arrays) των 4 κατόπτρων διαμέτρου 34 μέτρων μέχρι το 2025. Μία τέτοια συστοιχία είναι πιο εύκολο να συντηρείται, ενώ μπορεί να αποφέρει τα ίδια ή και καλύτερα αποτελέσματα, όπως αυτά των κατόπτρων 70 μ.
Για το σύστημα λήψης, θα χρησιμοποιηθούν 4 κάτοπτρα 34μ, ενώ για το σύστημα εκπομπής ένα κάτοπτρο 34 μ και ισχύος 80 kW!
Το συγκεκριμένο σχέδιο, έχει ονομαστεί DAEP (Deep Space Network Aperture Enhancement Project), ενώ το πρώτο βήμα του DAEP, είναι η προσθήκη 3 ακόμη 34μετρων κατόπτρων στο Canberra της Αυστραλίας μέχρι το 2018.

Όλα τα συστήματα, θα αναβαθμιστούν προκειμένου να διαθέτουν δυνατότητες X-band uplink, καθώς και  X & Ka-band στο downlink.