Mars Relay Network forbinder Jorden med NASAs robotudforskere

En stramt koreograferet dans mellem NASAs Deep Space Network og Mars orbitere vil holde agenturets Perseverance i kontakt med Jorden under landing og videre.

Når NASAs Mars 2020 Perseverance-rover lander med Ingenuity Mars Helicopter på den røde planet den 18. februar, de vil ikke være alene. Fra kredsløb, to robot-venner vil spille en særlig rolle i begivenheden ved at tjekke ind på missionens vitale tegn fra det øjeblik, Perseverance kommer ind i atmosfæren til længe efter, at den gør sine første spor på Mars-overfladen.

NASA's Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) og Mars Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) orbiter er en del af Mars Relay Network, en konstellation af rumfartøjer, der fungerer som en livline til de nuværende overflademissioner på Mars - NASAs Curiosity-rover og InSight-lander.

Mens nogle kommandoer og telemetri kan sendes direkte til og fra Jorden, for det meste, de enorme mængder videnskabelige data indsamlet af rovere og landere kan ikke, fordi det ville tage for lang tid. De fleste data, der rejser tilbage til Jorden, skal først sendes til Mars-kredsløbene ovenover, som derefter transmitterer dataene titusinder af miles gennem det interplanetariske rum til radioantenner på Jorden, inklusive antennerne til NASAs ærværdige Deep Space Network (DSN).

"Det er en enorm bestræbelse at opretholde kommunikationen med vores rumfartøj i hele solsystemet, men Mars overflademissioner tager denne forpligtelse til et andet niveau, " sagde Bradford Arnold, DSN-projektleder ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. "Siden Mars Global Surveyor (MGS) ankom i kredsløb i 1997, en jævn strøm af orbitere er blevet tilføjet, bære relæradioer og antenner, som giver højeffektiv kommunikation mellem overfladelandere og Jorden. Mens koreografien af ​​dette relæskema nu er noget almindeligt for aktiver på plads, det er stadig ekstremt udfordrende at koordinere alle kommunikationsforbindelser i den meget korte tid under en landers ankomst."

Denne dans vil sikre, at verden kan se Perseverances indtræden, nedstigning, og landing – en rystende sekvens af begivenheder, der begynder, når roverens interplanetariske krydstogt slutter.

Over horisonten

Når udholdenhed kommer ind i Mars-atmosfæren inde i dens beskyttende aeroskal, roveren vil skifte mellem flere af sine indbyggede antenner for at forblive i kontakt med Jorden. Nogle af disse antenner bruger kraftige X-båndstransmissioner, der kan sende små mængder data direkte til DSN. Andre bruger ultrahøje frekvenser (eller UHF) til at kommunikere med MRO og MAVEN.

Administreret af JPL for NASA's Space Communications and Navigation-program (SCaN), DSN består af flere parabolske radioantenner på jordstationer i det sydlige Californien, nær Madrid, Spanien, og uden for Canberra, Australien. Denne konfiguration gør det muligt for missionscontrollere at kommunikere med rumfartøjer i hele solsystemet til enhver tid under Jordens daglige rotation. Under Perseverances landing, Madrids antenner vil blive trænet på Mars, tage føringen, når du modtager data. Goldstone-komplekset nær Barstow, Californien, vil også lytte med som backup.

Siden landingen af ​​NASAs Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity i 2004, videnskabelige data er rutinemæssigt blevet videregivet via Mars-kredsløbene til DSN, begyndende med MGS og derefter NASAs veteran Odyssey orbiter, som har kredset om Mars siden 2001.

Fordi de sidste to minutter af Perseverances nedstigning og landing for det meste vil være uden for Mars' horisont fra Jordens perspektiv, "direkte til jorden" X-båndskommunikation vil være umulig, og roveren vil kommunikere med Jorden udelukkende via MRO og MAVEN, når den lander.

I kredsløb siden 2006, MRO blev designet som en videnskabsmission og til at fungere som et kommunikationsrelæ for landende overflademissioner. Men den fik en opgradering for at forberede Perseverances landing.

"I det seneste år har softwaren til MRO-rumfartøjet og dets UHF-radio er blevet opdateret for at tillade næsten øjeblikkelig returnering af data indsamlet under EDL. MRO vil fange telemetrien transmitteret af Perseverance og bruge dens 3-meter [10-fod] parabol til at sende den straks til Jorden, sagde Roy Gladden, leder af Mars Relay Network hos JPL. "Vi kalder dette et 'bøjet rør' "som giver os mulighed for at få besked fra Perseverance, selvom Mars blokerer vores udsyn fra Jorden."

Første ord fra Jezero

Mens MRO videresender Perseverances landing i næsten realtid, ingeniører i mission control håber på at bekræfte landing - og modtage det første billede - kort efter kl. 12:55. PST (15:55 EST). På grund af den afstand signalet skal rejse fra Mars til Jorden, rumfartøjet vil være landet (kendt som "rumfartøjsbegivenhedstid") 11 minutter og 22 sekunder tidligere.

Senere, omkring klokken 16.27. PST (19:27 EST), Odyssey vil flyve over landingsstedet og kommunikere med roveren for at bekræfte dens helbred. Næste stafet-session derefter vil være omkring klokken 18.36. PST (9:36 p.m. EST) af ESA's (European Space Agency's) Trace Gas Orbiter (TGO), som også tjekker ind på Perseverances helbred og videresender eventuelle billeder, som roveren har transmitteret fra landingsstedet.

Ud over, MAVEN vil fange hele landingen med en datarig bredspektret optagelse, og vil sende informationen tilbage til Jorden flere timer efter landing. Disse data kan bruges til at udfylde enhver telemetri (ingeniørdata) fra roveren under EDL, som blev savnet af MRO under det indledende relæ, og give andre målinger af begivenheden.

Dette vennesystem hjælper med at sikre, at lidt data går tabt under Perseverances historiske landing i Jezero Crater, samtidig med at det bekræfter roverens helbred og dens præcise placering.

Videnskabsdrift

Selvfølgelig, kommunikation stopper ikke efter landing. Det er, når den komplicerede opgave med at sende kommandoer til Perseverance og modtage roverens enorme videnskabelige data-output begynder.

Under sin mission, roveren vil have alle orbiterne i Mars Relay Network til støtte - inklusive NASA's MRO, MAVEN, Odyssey, og ESA's TGO, som har spillet en nøglerolle i netværket de seneste par år. Selv ESA's Mars Express orbiter vil være tilgængelig for nødkommunikation, hvis behovet skulle opstå. Mens NASA orbiterne udelukkende kommunikerer med DSN, ESA orbiterne kommunikerer også via det europæiske rumsporingsnetværk og jordstationer i Rusland.

Selvom Mars Relay Network er udvidet til at omfatte flere rumfartøjer og flere internationale partnere, med hver ny overflademission kommer der ekstra kompleksitet, når du planlægger relæsessionerne for hver orbiter-overflyvning.

"Curiosity og InSight er tæt nok på hinanden på Mars til, at de næsten altid er synlige af kredsløbene på samme tid, når de flyver over. Vedholdenhed vil lande langt nok væk til, at den ikke samtidig kan ses af MRO, TGO, og Odyssey, men nogle gange MAVEN, som har en større bane, vil være i stand til at se alle tre køretøjer på samme tid, " tilføjede Gladden. "Da vi bruger det samme sæt af frekvenser, når vi kommunikerer med dem alle tre, vi er nødt til omhyggeligt at planlægge, hvornår hver orbiter taler med hver lander. Vi er blevet gode til det her i løbet af de sidste 18 år, da rovere og landere er kommet og gået, herunder samarbejde med ESA, og vi er glade for at se Mars Relay Network sætte nye gennemløbsrekorder, da det returnerer Perseverances enorme datasæt."

Ultimativt, denne kommunikationsbestræbelse, der forbinder Jorden og Mars, vil gøre os i stand til at se billeder i høj opløsning (og høre de første lyde) fanget af Perseverance, og videnskabsmænd vil være i stand til at fremme vores viden om den røde planets gamle geologi og fascinerende astrobiologiske potentiale.

Mere om vedholdenhed

Et nøglemål for Perseverances mission på Mars er astrobiologi, herunder søgen efter tegn på gammelt mikrobielt liv. Roveren vil karakterisere planetens geologi og tidligere klima, bane vejen for menneskelig udforskning af den røde planet, og vær den første mission til at indsamle og cache Mars rock og regolith.

Efterfølgende missioner, i øjeblikket under overvejelse af NASA i samarbejde med ESA, ville sende rumfartøjer til Mars for at indsamle disse forseglede prøver fra overfladen og returnere dem til Jorden til dybdegående analyse.

Mars 2020-missionen er en del af et større NASA-initiativ, der inkluderer missioner til Månen som en måde at forberede sig på menneskelig udforskning af den røde planet. Anklaget for at returnere astronauter til Månen i 2024, NASA vil etablere en vedvarende menneskelig tilstedeværelse på og omkring Månen i 2028 gennem NASAs Artemis-måneudforskningsplaner.