[Antfield] เราสื่อสารกับยานสำรวจอวกาศห้วงลึก (Deep Space Probe) ได้อย่างไร? 📡😉 พอดีมีคนถามไว้ในโพสก่อนว่าเราติดต่อกับยาน วอยเอจเจอร์ที่อยู่ไกลลิบจากโลกได้อย่างไร โอเคงั้นเรามาดูกันว่าเขาทำได้ยังไง

สำรวจ
ลงทุน
คำถาม

มีบัญชีอยู่แล้ว?หรือ

Antfield

•

9 พ.ย. 2019 เวลา 17:11 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี

เราสื่อสารกับยานสำรวจอวกาศห้วงลึก (Deep Space Probe) ได้อย่างไร? 📡😉

จานรับ-ส่งสัญญาณวิทยุขนาดยักษ์นี้คือส่วนหนึ่งคำตอบ

พอดีมีคนถามไว้ในโพสก่อนว่าเราติดต่อกับยาน วอยเอจเจอร์ที่อยู่ไกลลิบจากโลกได้อย่างไร

โอเคงั้นเรามาดูกันว่าเขาทำได้ยังไง

ปัจจุบันยานวอยเอจเจอร์ทั้ง 2 ลำนั้นอยู่ห่างไกลจากโลกมากโดยวอยเอจเจอร์ 1 นั้นอยู่ห่างกว่า 22,000 ล้านกิโลเมตร (148AU) ส่วนวอยเอจเจอร์ 2 อยู่ห่าง 18,200 ล้านกิโลเมตร (122AU)

ข้อมูลของยานสำรวจทั้งสอง

สามารถเข้าไปดูสถานะของยานวอยเอจเจอร์ทั้ง 2 ลำได้ที่ Link นี้ครับ

voyager.jpl.nasa.gov

Voyager - Mission Status

แล้วเขาทำได้ยังไงด้วยเทคโนโลยีเมื่อ 40 ปีที่แล้วจึงยังสามารถสื่อสารกับยานสำรวจอวกาศที่อยู่ลึกเข้าไปในอวกาศอันแสนจะห่างไกลจากโลกได้

** มาดูที่ตัวยานกันก่อน **

ให้ลองสังเกตยานสำรวจอวกาศห้วงลึกทั้งหลายครับแล้วจะเห็นลักษณะร่วมอย่างหนึ่ง

ยานวอยเอจเจอร์, ไพโอเนียร์ และนิวฮอไรซันส์

เห็นอะไรมั้ยครับ?

ยานทุกลำมีส่วนประกอบใหญ่ที่สุดคือจานรับสัญญาณวิทยุ ซึ่งทำหน้าที่รวบรวมสัญญาณที่ถูกส่งมาจากโลกนั่นเอง

ส่วนประกอบของจานรับสัญญาณของยานวอยเอจเจอร์

โดยจานรับสัญญาณของยานวอยเอจเจอร์นี้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.7 เมตร มีตัวส่งสัญญาณกลับโลก 3 ชุด ประกอบด้วย

- Low Gain S-Band ใช้ในการส่งสัญญาณวงกว้างระยะสั้น

- High Gain X-Band ใช้ในการส่งสัญญาณแบบบีบลำสัญญาณเพื่อส่งระยะไกล

- High Gain S-Band

ผ่านช่องสัญญาณความถี่ 2 ช่องคือ S และ X Band ที่ความถี่ 2.3 จิกะเฮิรตซ์ (GHz) และ 8.4 จิกะเฮิรตซ์ส่วนสัญญาณที่ส่งมาจากโลกจะถูกส่งมาที่ช่องความถี่ 2.1 จิกะเฮิรตซ์

** เสาส่งสัญญาณ Low Gain- High Gain ต่างกันอย่างไร **

เสาส่งสัญญาณ Low Gain นั้นจะแผ่สัญญาณเป็นวงกว้างครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ใช้ในดาวเทียมที่โคจรรอบโลก เพื่อให้ง่ายต่อการรับสัญญาณในทุกพื้นที่บนพื้นโลก แต่แน่นอนว่าระยะส่งก็จะสั้น

วงการกระจายสัญญาณของเสาส่งแบบ Low Gain

แต่กับการสื่อสารกับยานสำรวจอวกาศห้วงลึกจะใช้เสาส่งสัญญาณแบบ High Gain เพื่อบีบลำสัญญาณให้เล็กเหมือนยิงเลเซอร์กลับมายังโลก

การส่งสัญญาณผ่านเสา High Gain ของยาน วอยเอจเจอร์ ด้วยกำลังส่ง 20 วัตต์

และนี่ก็คือข้อมูลฝั่งยานสำรวจ แล้วบนโลกเขามีการส่งและรับสัญญาณกับยานสำรวจได้ยังไง?

** Deep Space Network **

กลุ่มจานรับ-ส่งสัญญาณวิทยุของ DSN

Deep Space Network (DSN) คือระบบโครงข่ายจานรับ-ส่งสัญญาณวิทยุขนาดยักษ์ที่ติดอยู่รอบโลก เพื่อใช้ในการสื่อสารกับยานสำรวจระยะไกล โดยจานรับสัญญาณใหญ่สุดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกว่า 70 เมตร

สถานี DSN ที่กระจายอยู่ทั่วโลก

DSN ของ NASA นั้นตั้งอยู่ 3 จุดกระจายเป็นมุม 120 องศารอบโลกที่ อเมริกา สเปนและออสเตรเลีย เพื่อไม่ให้พลาดการรับสัญญาณจากยานสำรวจไม่ว่าโลกจะหมุนไปอย่างไร

ห้องควบคุมปฎิบัติการณ์ที่ NASA’s Jet Propulsion Laboratory แคลิฟอเนียร์ ซึ่งเป็นศูนย์กลางของ DSN

โดยเราสามารถเข้าไปดูสถานะการเชื่อมต่อของ DSN กับยานสำรวจต่าง ๆ ได้ที่ Link ข้างล่างนี้

eyes.nasa.gov

Deep Space Network Now

The real time status of communications with our deep space explorers

ขณะที่เขียนบทความนี้ยานวอยเอจเจอร์ 2 สื่อสารผ่านจานรับสัญญาณตัวที่ 43 ของสถานี Canberra ที่ออสเตรเลีย

แสดงสถานะการติดต่อแบบ Real-time

สำหรับระยะเวลาการส่งสัญญาณนั้นกว่าจะส่งจากโลกไปถึงยานวอยเอจเจอร์ 2 ได้นั้นใช้เวลาประมาณ 16 ชั่วโมงครับ

ส่วนวิธีคิดเวลาคร่าว ๆ ถ้ายังจำกันได้ แสงใช้เวลาเดินทางจากดวงอาทิตย์มาโลก 8 นาทีครึ่ง ซึ่งเป็นการเดินทางในระยะทาง 1 AU (150 ล้านกิโลเมตร)

ตอนนี้ยานวอยเอจเจอร์ 1 อยู่ห่างจากโลก 148 AU ดังนั้นสัญญาวิทยุซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสงก็จะใช้เวลาประมาณ 148 x 8.5 = 1,258 นาที หรือเกือบ 21 ชั่วโมง ไป-กลับก็เกือบสองวัน

รู้ไหมครับว่าสัญญาณจากยานวอยเอจเจอร์ปัจจุบันนั้นเมื่อมาถึงโลกนั้นแผ่วเบาขนาดไหน?

ตามรูปครับ เศษเสี้ยวของวัตต์ ทศนิยม 18 หลัก

แต่ DSN ก็ยังสามารถรับฟังเสียงกระซิบอันแผ่วเบาจากอวกาศอันแสนไกลนี้ได้ 😯👍📡

ด้วยอุปกรณ์ในยุคปัจจุบันเราสามารถรับ-ส่งสัญญานออกไปได้ไกลหลายปีแสงตราบใดที่ยานยังมีพลังงานในการส่งสัญญาณกลับ

ข้อจำกัดของระยะการรับ-ส่งสัญญานนี้ไม่ได้อยู่ที่ความแรงของสัญญาณแต่อยู่ที่ว่ายานสำรวจจะมีพลังงานในการส่งสัญญาณกลับมาหรือเปล่า

** ระบบ Backup ข้อมูลและปรับตำแหน่งจานรับสัญญาณ **

แม้ว่ายานวอยเอจเจอร์จะเดินทางออกห่างโลกไปเรื่อย ๆ โดยหันจานรับสัญญาณกลับมายังโลกตลอดเวลาและแม้ว่า DSN จะกระจายอยู่รอบโลก แต่ก็มีบ้างบางครั้งที่จะมีช่วงขาดการติดต่อกับโลกอันเนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลก

ดังนั้นในยานวอยเอจเจอร์จึงมีระบบเก็บข้อมูลสำรองชั่วคราวด้วยเทปบันทึกข้อมูลก่อนส่งกลับมายังโลก โดยมีความจุมากถึง 64 กิโลไบต์!!! 😅

ส่วนประกอบต่าง ๆ ของยานวอยเอจเจอร์

ในส่วนการปรับแต่งตำแหน่งจานรับสัญญาณนั้นจะมีชุดปรับตำแหน่งจานเพื่อให้แน่ใจว่าเล็งตรงกลับมายังโลกพอดี แต่ของยานวอยเอจเจอร์ 1 นั้นเสียมาหลายปีแล้วจน NASA ถอดใจในการควบคุมจานรับสัญญาณ

แต่ก็เกิดปิ๊งไอเดียในการใช้เครื่องยนต์ไฮดราซีนในการปรับจานให้กลับมาตรงตำแหน่งได้อีกครั้งในปี 2017 (ปรับขยับมันทั้งยานเลยไม่ใช่เฉพาะแค่จาน)

** การรับ-ส่งสัญญาณของจานรับ-ส่งสัญญาณภาคพื้นดิน **

DSN ของ ESA

นอกจาก DSN ของ NASA แล้วปัจจุบันยังมีของ ESA (องค์การอวกาศยุโรป) ประเทศจีนและญี่ปุ่นด้วย

เส้นทางเดินของสัญญาณจากยานสำรวจจนมาถึงตัวรับสัญญาณที่มีการแยกช่องสัญญาณของข้อมูล

เมื่อสัญญาณจากยานสำรวจเข้ามาสู่จานรับก็จะเดินทางเข้าสู่ชุดอุปกรณ์รับและแปลงสัญญาณโดยจะมีการแยกช่องสัญญาณเพื่อกรองข้อมูลแยกส่วนการควบคุมยานและข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่เราต้องการ

แยกช่องสัญญาณเพื่อความสะดวกในการรับและประมวลผลข้อมูล

ในส่วนการส่งสัญญาณกลับนั้นจะใช้อุปกรณ์ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นสัญญาณวิทยุความเข้มสูงโดยจะแปลงจากกำลังไฟฟ้า 100 กิโลวัตต์ไปเป็นสัญญาณวิทยุกำลัง 21 กิโลวัตต์

หน้าตาของเครื่องส่งสัญญาณและหลักการทำงานโดยสัญญาณขาเข้าจะถูกส่งเข้าไปขยายกำลังส่งด้วยลำอิเลคตรอนพลังงานสูง ก่อนจะได้เป็นสัญญาณขาออกพลังงานสูงเพื่อส่งไปหายานสำรวจที่อยู่ไกลโพ้น

หลังจากแปลงเป็นสัญญาณวิทยุแล้วก็จะถูกส่งกลับออกไปทางเดียวกับที่รับสัญญาณเข้ามา

ส่งสัญญาณกลับไปยังยานสำรวจในอวกาศผ่านเส้นทางเดียวกันกับสัญญาณขารับ

ทั้งนี้ระบบ DSN ของ ESA ยังใช้ในการระบุตำแหน่งของยานสำรวจและดาวเทียมได้อย่างแม่นยำในระดับที่คลาดเคลื่อนไม่เกิน 100 เมตร

ด้วยการยิงสัญญาณไปยังดาวเทียมและวัดมุมเทียบกับสัญญาณที่ยิงออกไปแนวในแนวตั้งฉากกับพื้นโลกก็จะสามารถระบุตำแหน่งของดาวเทียมได้อย่างแม่นยำ

** อนาคตของการรับ-ส่งข้อมูล **

ข้อมูลกว่า 300 เทราบิตต์ที่เราได้มาจากภารกิจสำรวจดางอังคาร

NASA คาดหวังว่าระบบ DSN จะสามารถเพิ่มการรับ-ส่งข้อมูลเพิ่มจากปัจจุบัน 10 เท่าได้ภายในทศวรรษหน้า

ESA เองก็มีแนวคิดในการเพิ่มอัตราการรับ-ส่งข้อมูลโดยการเพิ่มความถี่สัญญาณไปใช้ในช่วงคลื่นอินฟราเรดแทน

Optical Communication การสื่อสารโดยใช้ความถี่ช่วงที่เข้าไปใกล้กับความถี่แสงที่เรามองเห็น

แต่ทั้งนี้การใช้คลื่นช่วงอินฟราเรดก็มีความท้าทายสูงเนื่องจากการบีมสัญญาณจะต้องแคบมาก ๆ ต้องมีความแม่นยำในการส่งสัญญาณสูง แต่ถ้าทำได้ก็จะแลกมากับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นมากด้วย 😯👍📡

ก็คร่าว ๆ กับหลักการสื่อสารระหว่างสถานีภาคพื้นและยานสำรวจอวกาศอันไกลโพ้น

คราวหน้าจะมากับอีกเรื่องที่มีคนถามไว้ เกี่ยวกับการใช้แรงดึงดูดของดาวเพื่อช่วยเร่งความเร็วยานสำรวจ 😉

แถมท้ายด้วยคลิปวีดีโออธิบายเรื่องการสื่อสารกับยานสำรวจอวกาศ 😊