شبکه ارتباطی میانسیارهای ناسا چگونه کار میکند؟
فضاپیماهای زیادی در چند دهه اخیر به نقاط مختلف منظومه شمسی سفر کردهاند. فضاپیماهایی که برخی از آنها میلیاردها کیلومتر از زمین فاصله دارند و برقراری ارتباط با آنها کار آسانی نیست. فرآیندی که به کمک بزرگ‌ترین و حساس‌ترین سیستم ارتباط از راه دور علمی دنیا، یعنی شبکه اعماق فضا یا Deep Space Network، انجام می‌شود.
شبکه اعماق فضا که با عنوان DSN نیز شناخته می‌شود آرایه‌ای از چند آنتن رادیویی بسیار بزرگ است که وظیفه آن برقراری ارتباط با فضاپیماهاست. از برخی از ماهواره‌ها در مدار زمین گرفته تا فضاپیماهای ویجر (Voyager) که در مرزهای منظومه شمسی قرار دارند. این سیستم ارتباطی را آزمایشگاه پیشران جت یا JPL ناسا مدیریت میکند.
شبکه اعماق فضا به گونه‌ای طراحی شده که امکان برقراری ارتباط با فضاپیماها به صورت پیوسته و همیشگی وجود داشته باشد. برای رسیدن به این هدف آنتن‌های رادیویی شبکه اعماق فضا در نقاط مختلف دنیا قرار گرفته‌اند. شبکه اعماق فضا از سه سایت تشکیل شده که یکی از آنها در ایالت کالیفرنیای آمریکا، دیگری در نزدیکی مادرید در اسپانیا و مورد آخر در کشور استرالیا واقع شده است. این سه مرکز فاصله تقریبا یکسانی از یک‌دیگر دارند. به این گونه که اختلاف طول جغرافیایی هر کدام از سایت‌ها با دو سایت دیگر حدود ۱۲۰ درجه است. چینش خاص سایت‌های شبکه اعماق فضا برقراری ارتباط پیوسته و دائمی با فضاپیماهای مختلف را امکان‌پذیر میکند. به عبارتی فضاپیمای مورد نظر همیشه حداقل در یکی از سایت‌ها بالاتر از افق قرار دارد.
چند آنتن رادیویی در هر کدام از سایت‌های DSN وجود دارد. هر کدام از سایت‌ها یک آنتن ۷۰ متری، حداقل دو آنتن ۳۴ متری و یک آنتن ۲۶ متری را در خود جای داده که اهداف مشخصی برای هر کدام از آنها تعیین شده است.
آنتن رادیویی ۷۰ متری سایت شبکه اعماق فضا در استرالیا.
Credit: NASA/Canberra Deep Space Communication Complex
سابقه طراحی چنین سیستمی به زمان ارسال اولین ماهواره آمریکایی به مدار زمین باز می‌گردد. در سال ۱۹۵۸ و در زمانی که JPL زیر نظر ارتش آمریکا اداره می‌شد برای اولین بار از سیستمی مشابه DSN استفاده شد. در آن زمان JPL برای برقراری ارتباط با ماهواره اکسپلورر ۱ سه ایستگاه رادیویی در نیجریه، سنگاپور و کالیفرنیا مستقر کرد. چند ماه بعد ناسا به شکل رسمی افتتاح شد و مدیریت JPL نیز به این سازمان تازه تاسیس واگذار شد. مدتی بعد ناسا ایده شبکه اعماق فضا را مطرح کرد تا مسئولیت برقراری ارتباط با تمام ماموریت‌های اعماق فضا را بر عهده بگیرد.
شبکه اعماق فضا کارکردهای مختلفی دارد. ناسا علاوه بر دریافت اطلاعات فضاپیماها با کمک این سیستم دستورات لازم را نیز با استفاده از امواج رادیویی به فضاپیماهای خود ارسال میکند. علاوه بر این دنبال کردن ماموریت‌ها و سنجش موقعیت و سرعت آنها یکی دیگر از کارکردهای شبکه اعماق فضاست.
با وجود استفاده از آنتن‌های غول‌پیکر در DSN دریافت داده‌های فضاپیماهایی که در نقاط دوردست منظومه شمسی قرار دارند فرآیندی بسیار زمان‌بر است. با توجه به محدودیت‌های ماموریت‌های فضایی امکان قرار دادن آنتن‌های بزرگ و قدرتمند در فضاپیماها وجود ندارد. محدودیت سرعت نور یکی دیگر از دلایل زمان بر شدن فرآیند ارسال داده‌هاست. دانلود تمام داده‌های فضاپیمای افق‌های نو یا New Horizons که به ملاقات سیاره کوتوله پلوتو رفت بیش از یک سال طول کشید. با توجه به محدودیت سرعت نور و فاصله بسیار زیاد فضاپیمای افق‌های نو از زمین هر سیگنال ارسالی از این فضاپیما حدود چهار ساعت و نیم در راه رسیدن به زمین بود و سرعت انتقال داده نیز تنها بین یک تا دو کیلوبایت بر ثانیه بود!
یکی از تصاویر فضاپیمای افق‌های نو از سیاره کوتوله پلوتو.
Credit: NASA
اما کارکردهای شبکه اعماق فضا تنها به برقراری ارتباط با فضاپیماها محدود نمی‌شود. دانشمندان در برخی از ماموریت‌های فضایی با رد و بدل کردن سیگنال‌های رادیویی بین آنتن‌های شبکه اعماق فضا و فضاپیماها آزمایش‌های علمی خاصی را نیز انجام می‌دهند. تغییرات سیگنال رادیویی در مسیر می‌تواند اطلاعات زیادی را از نواحی دوردست منظومه شمسی در اختیار دانشمندان قرار دهد. کاوش حلقه‌های زحل، بررسی ساختار درونی سیارات و قمرهای‌شان و آزمایش نظریه نسبیت مثال‌هایی از پژوهش‌های انجام‌شده با کمک DSN هستند.
علاوه بر این آنتن‌های این سیستم توانایی انجام رصدهای دقیق علمی در طیف رادیوئی و نقشه‌برداری راداری از سیارک‌هایی که از نزدیکی زمین گذر می‌کنند را نیز دارند.
شبکه اعماق فضا نقشی مهم و حیاتی در انجام ماموریت‌های فضایی و دریافت داده‌های فضاپیماها دارد. سیستمی بزرگ و پیچیده که به نوعی تلفن از راه دور سیاره ما برای برقراری ارتباط با مسافرانی است که به دوردست‌های منظومه شمسی سفر کردهاند.
منبع: NASA
