Navigatori moraju redovno da dobijaju slike sa “New Horizonsa” da bi mogli precizno da određuju položaj Plutona i njegovih satelita, kao i svoj sopstveni. Poslednjim slikama za optičku navigaciju trebaće najmanje dve nedelje da budu kompletno poslate na Zemlju. Dve nedelje! Zašto tako dugo? To nije tako puno podataka: samo 10 LORRI-jevih fotografija u punoj rezoluciji dnevno.
Ukratko, odgovor je sledeći: zato što je Pluton daleko – jako daleko, više od 30 puta udaljeniji od Sunca od Zemlje – te je “Horizonsov” radio-signal vrlo slab. Slab signal znači malu brzinu prenosa podataka: u ovom trenutku, “New Horizons” može da prenese najviše 1 kilobit u sekundi[1]. (Komunikacija sa aparatom se tipično meri u bitima, ne u bajtima; 1 KB je svega 125 kilobita.) Čak i pri toj maloj brzini prenosa podataka, samo su vrlo veliki 70-metarski tanjiri mreže DSN kadri da uhvate slabačke signale sa “New Horizonsa”.
DSS-43, tanjir prečnika 70 metara u Tidbinbilli, 20 km od Kambere (Australija). Antena teži preko 3.000 tona a rotira na filmu ulja debelom 0,17 mm. Ukupna površina tanjira iznosi 4.180 m2.
Koliko podataka sadrži jedna LORRI-jeva slika? (LORRI, skraćenica od Long Range Reconnaissance Imager, predstavlja “New Horizonsovu” kameru najsnažnije rezolucije.) LORRI-jev CCD detektor koji se nalazi u fokusnoj ravni ima 1.024 kvadratnih piksela. Kao sve moderne kamere, kada kamera očitava svoj detektor, ona svaki piksel digitalizuje u 12-bitni broj. Dvanaest miliona[2] je strahovito mnogo bita, ali srećom LORRI-jeve slike imaju sposobnost da ne gube kavlitet prilikom kompresije, naročito sada kada sadrže uglavnom puno crnih površina; mogu da budu “zipovane” na oko 2,5 Megabita, bez gubitka ikakvih detalja. Mogu da budu još i manje ako bi se primenila tzv. lossy JPEG kompresija[3], ali za optičku navigaciju potrebna je preciznost; slike moraju da budu poslate bez gubitka kvaliteta.
Pređimo malo na matematiku. 2,5 Megabita, pri brzini od 1 kilobita u sekundi, zahteva 42 minuta za slanje jedne LORRI-jeve fotografije na Zemlju. Većina komunikacionih sesija traje kraće od osam sati. To znači, jedanaest fotografija po komunikacionoj sesiji. I to ako pretpostavimo da “New Horizons” šalje samo LORRI-jeve podatke, što nije slučaj; postoje i drugi naučni instrumenti kao i podaci o tehničkom stanju letilice. Deep Space Network(DSN) poseduje samo tri 70-metarska tanjira, i za njihovo vreme vlada velika konkurencija; “New Horizons” ima sreću da ima obezbeđenu jednu komunikacionu sesiju dnevno. A kada NH okrene svoj tanjir ka Zemlji, ne može da bude okrenut negde drugde[4], pa ni prema Plutonu. Uvek mora da odabere između ili komunikacije ili prikupljanja podataka.
Sve ovo znači da za svo vreme dok “New Horizons” aktivno prikuplja naučne podatke, on mora da formira svojevrsno skladište podataka, koji će biti poslati u nekoj narednoj komunikacionoj sesiji. “New Horizonsov” tim želi da uđe u fazu bliskog prolaska pored Plutona sa što praznijim memorijskim skladištima podataka, spremnim da prime nove podatke. Ali kako to postići?
Postoji jedan lep trik pomoću kojeg je moguće skoro duplirati brzinu prenosa “Horizonsovih” podataka. “New Horizonsov” radio-sistem uključuje dve 12-vatne elektronske vakuumske cevi sa putujućim talasima, TWTA (Traveling-Wave Tube Amplifiers), montirana na “busu” ispod tanjira antene. (Nasini tehničari to izgovaraju kao “tvitas”, kao što Bostonci izgovaraju reč Twitters.) TWTA ima zadatak da pojačava radio-signale (na X-band talasnoj dužini) pre nego što ovi budu poslati ka Zemlji preko 2,1-metarskog tanjira glavne usmerene (HGA) antene “New Horizonsa”. Za svaki slučaj postoje dve TWTA: ako jedna “omane”, miisija će i dalje moći da šalje podatke na Zemlju. Ali obe TWTA nisu potpuno identične! Jedan šalje radio-signal sa levom kružnom polarizacijom a drugi sa desnom[5].
Pošto šalju signale sa različitim polarizacijama, obe TWTA mogu jednovremeno da šalju isti podatak preko tanjira antene. Na Zemlji, specijalni hardverski uređaj na Deep Space Networku uspeva da odvojeno prima dva različito polarizovana signala a onda ih kombinuje da bi dobio jači signal. Jači signal znači da “New Horizons” može da šalje podatke većom brzinom, otprilike 1,9 puta brže nego jednim TWT-om.
Ovaj režim rada sa dva TWTA razvijen je tek nakon lansiranja; isproban je u početnim fazama misije i pokazao se dobro. Ali radio-transmiteri (predajniici) zahtevaju puno struje – više nego sonda može da obezbedi. “New Horizonsov” nuklearni izvor energije slabi[6] još od kada je izvedeno lansiranje pre više od 9 godina, i više nema dovoljno snage da napaja oba TWTA u isto vreme i napaja ostale brodske podsisteme. Ako želi da udvostruči brzinu slanja podataka i obezbedi manju količinu podataka u skladištu, brodski računar mora da isključi nešto od opreme.
Mada je relativno velika u poređenju sa sondom, tanjir glavne antene NH ima samo 2,1 m u prečniku. Preko nje se vrši komunikacija sa 70-metarskom antenom koja se nalazi 6 milijardi km daleko, što je veliki izazov za tako malu sondu.
 |
 |
Hardver, nazvan TWTA, izrađen je u kalifornijskoj kompaniji “L-3 Communications electron Technologies” pod nadzorom kompanije “Glenn Advanced Capabilities”. Ovo je ključni deo primarnog komunikacionog sistema za slanje podataka na Zemlju.
Pretpostavlja se da će za prenos glavnih podataka sa Plutona (biće ga oko 5 GB posle kompresije) biti potrebno 172 dana ako prijemne 70-metarske antene budu slobodne 8 sati dnevno. Ali ako bude dovoljno struje, i ako se budu koristile obe TWTA, vreme slanja podataka će se svesti na manje od 88 dana!
Neverovatno je ali istinito da kosmička sonda može sebi da dozvoli da isključi sistem za navođenje i kontrolu leta i tako sačuvanu energiju upotrebi za napajanje drugog predajnika. Ali kako ostati striktno nanišanjen ka Zemlji ako se sistem za navođenje isključi? Odgovor je u pretvaranju “New Horizonsa” iz letilice čija je orijentacija fiksirana, u letilicu koja spinuje (okreće se oko ose). Spinujuća letilica ima neverovatno stabilno nišanjenje. To je doduše košta dragocenog hidrazina da bi ubrzala ili usporila spinovanje, te ne želi često da se prebacuje sa troosne na spinujuću stabilizaciju[7]. A nemoguće je snimati kamerama sa spinujuće letilice (bar to ne mogu “Horizonsove” kamere). Ali isplati se potrošiti malo hidrazina i prestati sa snimanjem slika nekoliko puta ako će se tako omogućiti slanje svih podataka na Zemlju pre nego što započne najvažnija faza misije – let kroz Plutonov sistem.
To je glavni razlog zbog koga će “New Horizons” provesti dva dugačka perioda tokom prilaska Plutonu bez fotografisanja, sa spinujućom letilicom i njenom glavnom antenom okrenutom ka Zemlji. Dva spin-perioda su planirana odmah posle manevara korigovanja trajektorije, paljenja motora koja će precizno doterati putanju NH. Prvi takav period će trajati od 10. marta do 4. aprila, a drugi od 15. maja do 27. maja. Za sve ljubitelje fotografija, u koje spadam i ja, biće malo frustrirajuće da znamo da Pluton iz dana u dan postaje sve veći a da mi to nećemo moći da pratimo. Ali uteha je će u oba ova događaja NH potpuno isprazniiti skladišta svoje memorije, šaljući sve što ima na Zemlju, praveći tako mesta za nove i bolje podatke. Ipak, dok letilica spinuje, svi instrumenti koji se bave česticama, SWAP, PEPSSI i SDC, i dalje će raditi svoj posao.
Veruje se da će “New Horizons” moći da koristi komunikacioni režim sa dve TWTA i nakon “fly-bya”, predpostavljajući, naravno, da će oba predajnika nastaviti da funkcionišu. Ipak, proteći će više od godinu dana da se svi nauči podaci pošalju na Zemlju; podataka će biti mnogo a slavina je mala. Treba znati da korišćenje ovakvog režima neće moći da traje večno. Ubrzo će kapacitet nuklearnog izvora struje toliko opasti da čak ni spinovanje neće moći da uštedi dovoljno struje za jednovremeni rad oba predajnika, te ćemo biti primorani da se oslonimo samo na jedan predajnik. Proletanje pored nekog budućeg objekta Kajperovog pojasa skoro sigurno će biti ispraćeno slanjem podataka preko samo jednog predajnika. “New Horizons” predstavlja lekciju iz strpljenja.
[1] Dok je proletao pored Jupitera, ta brzina je bila 38 kbita/s. Jupiter se nalazi na udaljenosti od 5,2 AJ a Pluton na oko 40 AJ. Snaga radio-signala opada sa kvadratom udaljenosti: ako se udaljenost poveća 3 puta, snaga signala pada 9 puta.
[2] 1.0242×12 =̃ 12.500.000.
[3] Tip kompresione tehnike koji nikada ne može 100% da se vrati u originalni kvalitet.
[4] Tanjiri komunikacionih antena su po pravilu fiksirani za „bus“ letilice, te po pravilu letilice moraju čitave da se okrenu da bi što preciznije nanišanile svoje HGA antene ka Zemlji. Slične međuplanetne sonde, poput „Voyagera“, imale su pokretnu skan-platformu na kojoj su bile kamere i spektrometri, pa su mogle u isto vreme da se zajedno sa antenom okreću ka Zemlji ali i da nezavisno od toga upravljaju svoje instrumente u pravcu u kome žele. Da bi imao što manje pokretnih delova koji bi mogli da se tokom dugog putovanja pokvare (a i da bi uštedeli pare!), konstruktori NH su izbacili pokretnu platformu i svi instrumenti i antene su fiksirane. Da bi ijedan instrument bio okrenut u nekom specifičnom pravcu, potrebno je uključiti reakcione točkove ili trastere i okrenuti čitavu letilicu u željenom pravcu.
[5]Ovo je jedan od težih pojmova za objašnjavanje. Polarizacija radio-talasa se definiše kao orjentacija električnog polja radio-talasa u prostoru. Ovaj pojam nije u relaciji sa pojmovima ugla zračenja i usmerenosti antena već se odnosi na samu strukturu radio-talasa, odn. na način njegovog prostiranja kroz prostor.
Naime, kada antena emiruje radio talas, njegovo elektično polje zauzima određen položaj u prostoru. Ovaj položaj se naziva polarizacijom, a zavisi od konstrukcije antene.
Polarizacija može biti linearna i kružna (circular polarization). Kod linearne polarizacije, električno polje radio talasa zauzima jednu ravan, najčešće vodoravnu (horizontal polarisation) ili uspravnu (vertical polarisation). Kod ciklične polarizacije, ugao ravni radio-talasa se menja kako radio-talas putuje kroz prostor i tako pravi zamišljene krugove zavisno od smera promene ugla; kružna polarizacija može biti leva ili desna.
Da plastično objasnim: ako zamislimo radio-talas kao sinusoidu, kako ga najčešće i prikazujemo, to je u stvari prikaz linearne polarizacije. Ako se sinusoida menja po uspravnoj osi to je uspravna polarizacija. Ako se menja po vodoravnoj, onda je to vodoravna polarizacija. Ciklicna polarizacija izgleda kao spirala.
Polarizacija radio-talasa je veoma bitna karakteristika, jer polarizacija prijemne antene i radio-talasa moraju da se poklapaju da bi se dobio najbolji učinak antene.
Ako polarizacija nije odgovarajuća dolazi do slabljenja primljenog signala. Zbog toga je potrebno, prilikom planiranja i podešavanja bežične veze, obratiti pažnju i na polarizaciju signala.
[6] Struju obezbeđuje raspad 10,9 kg plutonijumovog oksida. Na početku, raspad je obezbeđivao oko 290 W, ali danas je to spalo na manje od 230 W. Skoro sav plutonijum uvezen je iz Rusije.
[7] Elem, za kontrolu položaja (orijentacije) letilice, postoje dva osnovna načina: stabilizacija u 3 ose i stabilizacija spinovanjem. Prvi način uključuje upotrebu malih trastera ili reakcionih točkova. Metod sa trasterima je doveo do toga da su „Voyageri“ od 1977. do 2006. potrošili samo malo više od polovine od svojih 100 kg goriva. Drugi način koristi žiroskopski efekat da bi stabilizovao letilicu. Koristile su ga sonde „Pioneer“, „Galileo“ itd. Najveći period dosadašnjeg leta NH je proveo tako stabilizovan.
Kako „New Horizons“ sprovodi kampanju optičke navigacije na putu ka Plutonu?
’New Horizons’ započinje prve korake faze približavanja Plutonup
Počinje godina Plutona i „Novih Horizonata“
'New Horizons': nišanjenje Plutona uz pomoć ALMA
'New Horizons' pred presecanjem Neptunove orbite
