על תקשורת רדיו, ועל התקשורת של רכב המעבדה למאדים

כיצד מתקשר רכב המאדים "קיוריוסיטי" עם כדור הארץ?

מאחר ומדובר בכוכבי לכת המרוחקים ביניהם בטווח שבין 40 מיליון ק"מ (כאשר כוכבי הלכת נמצאים באותו צד של השמש) ל- 400 מיליון  ק"מ (כאשר הם נמצאים בצדדים מנוגדים יחסית לשמש), זו בעיה לא פשוטה.
נציין שאות שידור הרדיו, עובר במהירות של כ- 300,000 ק"מ בשניה (מהירות האור בריק), ולכן יעבור מרחק זה בטווח שבין 2 ל- 22 דקות! 
כפי שניתן לראות בתמונה הבאה, מעורבים בעניין לוויינים נוספים, שסובבים סביב מאדים המשמשים תחנות ממסר (Relay) להעברת האותות.

 תמונת נאסא שנלקחה מויקיפדיה:  http://en.wikipedia.org/wiki/Curiosity_rover

כל הלוויינים הללו הם בעלי אנטנות שידור חזקות, בעוד שרכב ה”קיוריוסיטי”בעל אנטנה חלשה יחסית.
כדי להבין את אופן התקשורת, נסביר בקצרה כיצד פועלים שידורי רדיו.

מהן שידורי רדיו

שידורי רדיו הם העברת מידע ע"י אנרגיה, באמצעות גלים, ללא חיבור פיסי כלשהו בין השולח והמקבל.
כמו כל גל, לגל הרדיו יש תדר, אורך גל, משרעת ומהירות.
המהירות שבה עובר גל הרדיו היא מהירות האור. התדר שהוא מספר הפעמים (מחזורים) שגל עובר בשניה נקרא יחידת "הרץ" (Hz) על שמו של מגלה גלי הרדיו בשנת 1888 - היינריך הרץ,.
אורך הגל הוא המרחק בין שתי נקודות שיא (גובה המשרעת) של הגל והוא נמדד ביחידות אורך רגילות כמו ס"מ או מטר.

(התמונה נלקחה מאתר זה)

למידע נוסף על גלים אלקטרומגנטיים ניתן להעזר באתר שלנו
(כיצד נוצר גל אלקטרומגנטי ואיך ניתן להגדיר אותו).

להלן כל הספקטרום (טווחי הגלים) של הגלים האלקטרומגנטיים, על פי אורכי הגל והתדר:

(התמונה נלקחה מאתר זה)

כפי שניתן לראות, גלי הרדיו ("radio waves") הן מקרה פרטי של גלים אלקטרומגנטיים, שאורך הגל שלהם גדול יחסית: ממילימטר אחד (300 GHz) ועד 100 ק"מ (3 kHz).
תחומי השידור מתחלקים ל"תתי תחום" על פי החלוקה הבאה:

באמצעות שידור רדיו ניתן להעביר סוגי מידע רבים, כגון:

• קול
• תמונות
• מוסיקה
• נתוני מחשב

השידור נעשה ע"י המרת המידע למידע דיגיטלי. מידע זה "מולבש" על גל אלקטרומגמטי ע"י תהליך שנקרה "אפנון". בשיטה זו המידע גורם לגל לשנות את המשרעת שלו (שיטת AM)
או את התדר שלו (שיטת FM). מידע נוסף נמצא באתר שלנו במדור "שאל את המומחה" בתשובה לשאלה "מה זה אפנון":

ניתן לצפות בסרט הסבר על גלי רדיו כאן ובכתבה "הספקטרום האלקטרו-מגנטי - גלי רדיו": 

השידור מרכב המאדים
להלן אופן שידור האותות מרכב המאדים:
מאחר וכאמור לרכב המאדים אנטנות חלשות, שלא מאפשרות לשדר ישירות בהיקף נתונים גדול, מיושם כאן הרעיון של ממסר (Relay):

(התמונה מויקיפדיה: "ממסר רדיו")

בממסר משתמשים ב"צד שלישי" המגשר בין הצדדים. במקרה שלנו הלוויינים מגשרים בין רכב המאדים וכדור הארץ.
מעשית, רכב המאדים משדר כ- 8 דקות ביום כי זה הזמן בו הוא מסוגל "לראות" את הלוויינים החגים מעליו. זה נעשה באמצעות אנטנות מסוג תא"ג UHF, Ultra High Frequency)) שהתדר שלהן הוא בין 300 ל- 3000 GHz. תקשורת מסוג זה אופיינית לשידורי רדיו, טלויזיה וטלפונים סלולריים, ומתאפשרת רק אם אין גורם מפריע בדרכם של גלי הרדיו ולכן אפקטיבית במרחקים קצרים יחסית.
השידור הנקלט בשלושת הלוויינים מועבר לכדור הארץ באמצעות האנטנות החזקות שלהם,
בשיטת פס  X-Band) X ) שהוא טווח של אזור המיקרו גלים בספקטרום האלקטרו-מגנטי, שאורך הגל שלהם קצר מ- UHF, והם בעלי טווח גדול. התדר לשיטה זו הוא בין 8 ל- 12 GHz שזה בתת-התחום: "תדר סופר גבוה". תדר זה לא צפוי כמעט להפרעות שידור.
על הלויין MRO שהוזכר כאן, יש אנטנה בקוטר 3 מטר ומשדר רדיו בעוצמה של 100 ואט, שמסוגל לשדר לכדור הארץ באופן ישיר לאנטנות בקוטר 34 עד 70 מטר הנמצאות במרכז הקליטה:
רשת חלל עמוק (Deep Space Network), על כך יש הסבר מפורט בהמשך.

העקרונות המאפשרים שידור למרחק כה גדול הם לאו דוקא עצמת המשדר אלא בעיקר:

• אנטנות שידור גדולות במיוחד
• אנטנות שמשדרות באופן ישיר אחת לשניה
• תדר שידור שלא נתון להפרעות – אופייני לתדרים גבוהים

למרות שרוב השידור נעשה בשיטת הממסר ולא באופן ישיר, יש לרכב המאדים גם אפשרות תקשורת ישירה עם כדור הארץ בשיטת פס X  המוזכרת לעיל.
השידור מכדור הארץ אל רכב המאדים הוא ישיר, ונעשה פעם ביום לצורך הוראות הפעלה קצרות לרכב החלל. 

רשת חלל עמוק: Deep Space Network  - DSN - תחנות הקליטה על פני כדור הארץ

 DSNהיא רשת בינלאומית של אנטנות ומתקני תקשורת, המשמשת לתקשורת עם רכבי חלל ותצפיות רדיו, לצורך חקר מערכת השמש והיקום.
הטלסקופים המרכזיים ביותר של הרשת נמצאים בשלושת המרכזים הבאים:

• ארה"ב, מרכז גולדסטון, מדבר מוהאבי (Mojave Desert) בקליפורניה
• ספרד, מרכז מדריד
• אוסטרליה, מרכז קנברה
   

בכל מרכז יש 4 עד 5 אנטנות ענקיות, בקטרים שבין 26 ל-70 מטר.
כפי שניתן לראות בתרשים המציג את "שדה הראייה" של ה- DSN, זה מבט על כדור הארץ מהקוטב הצפוני, והוא מחלק את "שטח הראיה" של האנטנות ל-3 גזרות של 120 מעלות כל אחת.
המושג "מסלול גאו-סינכרוני" המופיע בתרשים, הוא מסלול הקפה במרחק כ- 36,000 ק"מ מכדור הארץ, וזה גם המסלול בו מהירות ההקפה של לויין תואמת למהירות הסיבוב של כדור הארץ סביב עצמו
(כ- 24 שעות).

המתקנים ממוקמים בעמקים שבין אזורי הרים נמוכים, להגנה מפני הפרעות רדיו.
בגלל סיבוב כדור הארץ, כל אנטנה היתה עלולה לאבד קשר עם רכב החלל המשדר אליה, אך DSN בגלל כיסוי הגזרות המלא, מאפשר תקשורת רציפה עם רכבי ותחנות חלל מרוחקות.

 
(תרגום לעברית של התמונה מויקיפדיה: "רשת חלל עמוק")

הרשת מנוהלת ע"י נאס"א, באמצעות גוף המחקר והפיתוח הנקרא: JPL
Jet Propulsion Laboratory  (המעבדה להינע סילוני).

בנוסף לאחריותו על רשת זו, אחראי גם JPL  על משימות מחקר בחלל ועל שיגור רכב החלל קיוריוסיטי שנחת על מאדים באוגוסט 2012.

להלן צילומים של שני מרכז החלל העמוק של גולדסטון בקליפורניה (התצלום השמאלי) וקנברה באוסטרליה (התצלום הימני):

Wikipedia:  Canberra Deep Space Communication Complex		Wikipedia: Goldstone Deep Space Communication Complex

גיזי בן-טובים
המחלקה להוראת מדעים
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.