मुझे यकीन है कि आप में से कई लोगों ने हाल ही के बारे में सुना या पढ़ा होगा मंगल ग्रह पर दृढ़ता उतरना, और जल्द ही लाल ग्रह पहले से ही अरेबियन होप और चीनी तियानवेन -1 की प्रतीक्षा कर रहा है। मुझे आश्चर्य है कि ये सभी जांच अपने शोध के डेटा को पृथ्वी पर कैसे पहुंचाते हैं? आज अंतरिक्ष संचार पर चर्चा होगी।
अन्य ग्रहों के लिए उड़ानें हमेशा मानव जाति का सपना रही हैं। इस विषय पर बहुत सारी फीचर फिल्मों और वृत्तचित्रों की शूटिंग की गई है, जो लगभग विस्तार से बताती हैं कि उड़ान प्रक्रिया खुद कैसे होती है, चालक दल के सदस्य कैसा महसूस करते हैं या महसूस करेंगे, ऐसे माहौल में क्या किया जाना चाहिए।
हाल ही में, पूरी दुनिया ने खुशी के साथ देखा क्योंकि पर्सिवेंस रोवर लाल ग्रह की सतह पर उतरा और लैंडिंग के बाद पहली तस्वीरें लीं। हमारे पास पहले से ही रोवर से पहली तस्वीरें हैं, जो, मैं आपको याद दिलाऊंगा, 18 फरवरी, 2021 को मंगल ग्रह पर उतरा, साथ ही डिवाइस की पहली तस्वीर भी।
ये लैंडिंग के तुरंत बाद ली गई तकनीकी तस्वीरें हैं, पहियों की तस्वीरें, साथ ही लैंडिंग के दौरान रोवर की खुद की एक तस्वीर, जो रॉकेट मॉड्यूल पर लगे कैमरों द्वारा ली गई थी।
लेकिन मैंने हमेशा खुद को यह सोचते हुए पकड़ा, कि वे इतनी जल्दी पृथ्वी से कैसे जुड़ जाते हैं और फुटेज को प्रसारित करते हैं? मुझे आश्चर्य हुआ कि क्या यह सच था या विज्ञान कथा? आज मैं इस विषय पर अपने विचार साझा करने का प्रयास करूंगा।
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मंगल ग्रह कितना दूर है, और इसका क्या अर्थ है?
आपको याद दिला दूं कि मौसम के आधार पर मंगल पृथ्वी से लगभग 55 से 401 मिलियन किलोमीटर की दूरी पर है। यहां सब कुछ सूर्य के चारों ओर घूर्णन कक्षाओं के संयोग पर निर्भर करता है। और चूंकि संचार का सबसे तेज़ तरीका विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं, इसलिए लाल ग्रह को सूचना भेजने में लगने वाला समय प्रकाश की गति से निर्धारित होगा। यानी अगर हम ऐसे रोवर या प्रोब को कमांड भेजना चाहते हैं, या डेटा प्राप्त करना चाहते हैं, तो हमें थोड़ा इंतजार करना होगा।
मशीनें सिग्नल की देरी को उसी तरह प्रभावित नहीं कर सकती हैं जिस तरह से इंसान कर सकते हैं, इसलिए देरी 60ms तक हो सकती है। और इस दौरान रेडियो सिग्नल करीब 18 किलोमीटर का सफर तय करेगा। अंतरिक्ष वाहनों के मामले में, इस घटना का नकारात्मक पक्ष वास्तविक समय में उन्हें नियंत्रित करने की असंभवता है। केवल एक चीज जो बची हुई है वह है स्वायत्त संचालन के लिए संक्रमण, और यह दृढ़ता पर ही लागू होता है और शायद इससे भी अधिक इनजेनिटी हेलीकॉप्टर पर लागू होता है, जिसे अगले कुछ दर्जन दिनों में अपना 000-दिवसीय मिशन शुरू करना चाहिए। यही है, मंगल की सतह से हमें एक महत्वपूर्ण देरी के साथ एक संकेत मिलता है, लेकिन आधुनिक उपकरणों ने इसे लगभग कम कर दिया है। हां, इसने हमें पृथ्वी से उपकरणों को नियंत्रित करने के अवसर से वंचित कर दिया, लेकिन इसने ऐसे उपकरणों के और भी बड़े स्वचालन के विकास को गति दी।
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पृथ्वी और मंगल ग्रह पर काम कर रहे मिशनों के बीच सीधा संचार कैसे होता है
मुझे विश्वास है कि यह प्रश्न समान मिशनों का अनुसरण करने वाले लगभग सभी के लिए रुचिकर है। तो, इसके लिए, डीप स्पेस नेटवर्क (DSN) नामक रेडियो टेलीस्कोप का एक नेटवर्क बनाया गया, जो SCaN (स्पेस कम्युनिकेशन एंड नेविगेशन) नामक एक और भी बड़ी संरचना का हिस्सा है।
यह केंद्र अंतरिक्ष में अंतरिक्ष यान और अंतरिक्ष यात्रियों के साथ संचार करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पृथ्वी पर सभी ट्रांसमीटर और रिसीवर को जोड़ता है। DSN को NASA की जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
रेडियो टेलीस्कोप, जिनमें से सबसे बड़े व्यास 70 मीटर तक हैं, स्पेन में मैड्रिड, ऑस्ट्रेलिया में कैनबरा और संयुक्त राज्य अमेरिका में मोजावे रेगिस्तान में गोल्डस्टोन के पास स्थित हैं। पृथ्वी की सतह पर विभिन्न बिंदुओं पर यह व्यवस्था संचार रुकावटों के जोखिम को कम करती है और सिग्नल रिसेप्शन और ट्रांसमिशन की गति को बढ़ाना संभव बनाती है।
यह दिलचस्प है कि चीन ने अन्य नेटवर्क से स्वतंत्र होने के लिए अपना खुद का रेडियो टेलीस्कोप बनाया, जिसका आकार भी लगभग 70 मीटर है, जिसके साथ वह तियानवेन -1 के साथ संचार करता है। अन्य बातों के अलावा, ग्रह की पहली तस्वीरें इसी कक्षा से ली गई थीं।
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आउटपुट और प्राप्त सिग्नल पावर के बीच बहुत बड़ा अंतर है
अब आइए इन ट्रांसमीटरों की तकनीकी क्षमताओं पर चलते हैं। यहां कई दिलचस्प चीजें भी हैं। इसलिए हम जानते हैं कि इन एंटेना पर लगे ट्रांसमीटर और अंतरिक्ष की वस्तुओं के उद्देश्य से एक्स-बैंड में 20 kW (8 से लगभग 12 GHz की आवृत्ति) से 400 kW तक की शक्ति होती है (लेकिन यह याद रखना चाहिए कि 100 से अधिक की शक्ति का उपयोग) एस-बैंड में kW को वायु संरचना और यातायात प्रबंधन के आधार पर समायोजन की आवश्यकता होती है (आवृत्ति लगभग 2 से 4 GHz, यानी होम वाई-फाई या कुछ मोबाइल नेटवर्क के समान)। तुलना करके, सबसे मजबूत 5G बेस स्टेशन ट्रांसमीटरों की शक्ति 120 वाट है, लेकिन यह आमतौर पर बहुत कम है और बीम अंतरिक्ष यान के प्रसारण के मामले में अलग तरह से बनता है।
सिग्नल प्राप्त करते समय, डीएसएन नेटवर्क के सबसे बड़े एंटेना 10-18 डब्ल्यू की शक्ति के साथ एक बीम को पकड़ने में सक्षम होते हैं। इस तरह की शक्ति, उदाहरण के लिए, वोयाजर 2 से संकेत है। मंगल ग्रह से संकेत भी लगभग इसी क्रम के हैं, जांच की दूरी और सीमित ऊर्जा संसाधनों को देखते हुए।
मार्स रिकोनिसेंस ऑर्बिटर (एमआरओ) में प्रत्येक एक्स-बैंड के लिए दो 100-वाट सिग्नल बूस्टर हैं, यदि मुख्य में से एक विफल हो जाता है तो एक बैक-अप के साथ। इसमें केए बैंड (26-40 गीगाहर्ट्ज़ रेंज में फ़्रीक्वेंसी) में काम करने वाला एक प्रायोगिक ट्रांसमीटर भी है जो 35 वाट पर प्रसारित होता है, लेकिन केवल परीक्षण उद्देश्यों के लिए।
डीएसएन पेज स्पष्ट रूप से दिखाता है कि वर्तमान में किसको या किससे डेटा भेजा या प्राप्त किया जा रहा है। अन्य बातों के अलावा, मिशन को इंगित करने वाले शॉर्टकट पर क्लिक करने के बाद, हम अतिरिक्त डेटा देख सकते हैं। दृढ़ता रोवर को संक्षेप में M20 कहा जाता है, और डेटा मुख्य रूप से MRO से आता है।
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अंतरिक्ष में जितना अधिक होगा, सिग्नल उतना ही धीमा होगा
DSN अन्य जांचों के साथ भी संचार करता है, लेकिन आप जानते हैं कि वे पृथ्वी से जितने दूर होंगे, डेटा दर उतनी ही धीमी होगी। बहुत कुछ किसी दिए गए अंतरिक्ष यान पर ट्रांसमीटर की शक्ति पर भी निर्भर करता है। वायेजर 1, पृथ्वी से सबसे दूर, 160 बीपीएस पर डेटा प्रसारित करता है, जो 1950 के पहले मोडेम की तुलना में थोड़ा तेज है। वेबसाइट खोलने के लिए root-nation.com इतनी दूर से इस पाठ के साथ, आपको एक दिन से अधिक प्रतीक्षा करनी होगी।
बदले में, पृथ्वी से जांच तक पहुंचने वाला संकेत बहुत मजबूत है, लेकिन वोयाजर 1 का एंटीना केवल 3,7 मीटर व्यास का है, जो निश्चित रूप से सिग्नल रिसेप्शन को 70-मीटर एंटीना की तुलना में बहुत कमजोर बनाता है।
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अपने मिशन के दौरान मंगल ग्रह की जांच या रोवर कितना डेटा संचारित करता है?
मंगल मिशन आमतौर पर दो आधार वर्ष और एक विस्तारित मिशन की अवधि लेता है, और एक दशक से अधिक समय तक चल सकता है। जांच और उपकरण जो दृश्य अवलोकन करते हैं, उन्हें सबसे अधिक बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है क्योंकि तस्वीरें कम से कम मेगाबाइट डेटा होती हैं। सिग्नल में अन्य मापों, वातावरण के मापदंडों, चुंबकीय क्षेत्र, तापमान आदि की विशेषता वाले बहुत अधिक संख्यात्मक डेटा हो सकते हैं। इसलिए, अंतरिक्ष जांच के पक्ष में समय सही है। वे बहुत तेजी से प्रसारित नहीं होते हैं, लेकिन वे इसे वर्षों तक लगातार करते हैं।
मंगल टोही ऑर्बिटर (एमआरओ), जो 2005 से मंगल की तस्वीरें खींच रहा है, पहले ही ग्रह के चारों ओर 50 से अधिक परिक्रमा कर चुका है और 000 से अधिक तस्वीरें ग्रह की सतह के 90% (000 तक) को कवर करती हैं। इसके अलावा, यह मार्स रोवर्स से प्रसारण और छवियों को प्रसारित करता है। उदाहरण के लिए, क्यूरियोसिटी ने पहले ही लगभग एक मिलियन कच्ची तस्वीरें ली हैं (उनमें से सभी उन तस्वीरों में नहीं बदलीं जिनकी हम प्रशंसा करते हैं)। एमआरओ से पृथ्वी पर एकत्र किए गए डेटा की मात्रा 99 पेटाबाइट्स (2017 की शुरुआत तक अनुमानित डेटा) के करीब पहुंच रही है।
हालांकि, एमआरओ एक फोटो- और डेटा-उन्मुख मिशन है। तुलनात्मक रूप से, कैसिनी जांच, जो कई वर्षों से शनि और उसके चंद्रमाओं का अध्ययन कर रही है, ने केवल 635 जीबी डेटा वापस पृथ्वी पर भेजा, जिसमें 453 तस्वीरें शामिल थीं। बदले में, रोवर Opportunity, जिसने 15 वर्षों तक मंगल की परिक्रमा की, ने 2018 तक 225 से अधिक तस्वीरें वापस पृथ्वी पर भेजीं (हमेशा के लिए इससे संपर्क टूटने के कुछ ही समय बाद)।
मंगल ग्रह पर भेजे जाने वाले डेटा की मात्रा बहुत कम है। चूंकि ये मुख्य रूप से उनके निष्पादन के आदेश और पुष्टिकरण हैं, या सॉफ़्टवेयर फ़िक्सेस (जो सबसे महत्वपूर्ण हैं), उन्हें ट्रांसमिट करने के लिए बहुत शक्तिशाली ट्रांसमीटरों की भी आवश्यकता नहीं होती है।
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एक प्रोब या रोवर पृथ्वी से "बात" कैसे करता है?
हम पहले से ही जानते हैं कि पृथ्वी पर मंगल ग्रह से डेटा कैसे प्राप्त होता है, लेकिन लाल ग्रह पर उपकरणों से संचार कैसे शुरू होता है? पृथ्वी के साथ संचार करने और बड़ी मात्रा में डेटा भेजने के लिए कक्षा में मौजूद प्रोब में अधिक अनुकूल परिस्थितियां होती हैं। इस तरह के संचार के लिए, सबसे अधिक बार उल्लेखित एक्स-बैंड का उपयोग किया जाता है। क्यूरियोसिटी की तरह, दृढ़ता रोवर संचार के लिए इस बैंड पर संचालित दो ट्रांसमीटर (कम और उच्च शक्ति) का उपयोग करता है।
उनकी मदद से, रोवर स्वतंत्र रूप से घर "कॉल" कर सकता है, लेकिन शक्तिशाली ट्रांसमीटर से डेटा ट्रांसफर दर अधिकतम 800 बीपीएस है जब सिग्नल 70-मीटर एंटीना द्वारा प्राप्त होता है, या 160 बीपीएस जब यह 34-मीटर होता है एंटीना एक कम-शक्ति ट्रांसमीटर केवल एक अंतिम उपाय है क्योंकि इसमें संचारण के लिए केवल 10-बिट चैनल और डेटा प्राप्त करने के लिए 30-बिट चैनल है।
इसलिए, आज क्यूरियोसिटी और पर्सरेंस रोवर्स आमतौर पर सबसे पहले यूएचएफ रेंज में मंगल की कक्षा में अपने "बेस स्टेशन" से जुड़ते हैं - ऐसे प्रोब जिनमें बहुत बड़े ट्रांसमिटिंग एंटेना होते हैं। इसके लिए MRO, MAVEN (मार्स एटमॉस्फेरिक एंड वोलेटाइल इवोल्यूशन), मार्स ओडिसी और यूरोपियन मार्स एक्सप्रेस और TGO (ट्रेस गैस ऑर्बिटर) का इस्तेमाल किया जाता है। वे MRN (मार्स रिले नेटवर्क) नामक एक नेटवर्क बनाते हैं।
इस तरह के रिले नेटवर्क की स्थापना से पहले, वाइकिंग 1 और 2 जैसे अंतरिक्ष यान को साथी कक्षाओं पर निर्भर रहना पड़ता था। पृथ्वी के साथ सीधे संचार के लिए, 20 डब्ल्यू ट्रांसमीटर और एस-बैंड का उपयोग किया गया था, संचार आज के रोवर्स के समान 381 मेगाहर्ट्ज (यूएचएफ बैंड) की आवृत्ति पर किया गया था।
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मंगल-पृथ्वी संचार की अधिकतम गति कितनी है?
यहां कई बारीकियां हैं। तो, Perserance पहले रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर स्क्रीन के बगल में रोवर के पीछे स्थित एक एंटीना का उपयोग करके 400 मेगाहर्ट्ज पर परिक्रमा जांच के लिए चित्र और अन्य डेटा भेजता है। सतह से लाल ग्रह की कक्षा तक संचार लाइन की बैंडविड्थ 2 Mbit/s तक है। मंगल की कक्षा के साथ संबंध की दक्षता पृथ्वी से इसकी दूरी पर निर्भर करती है, और यह, जैसा कि आप जानते हैं, व्यापक रूप से भिन्न होता है।
अधिकतम कनेक्शन गति 500 केबीपीएस से भिन्न होती है जब मंगल पृथ्वी से सबसे दूर 3 एमबीपीएस से अधिक होता है जब मंगल हमारे ग्रह के सबसे निकट होता है। आमतौर पर 34m DSN एंटेना का उपयोग दिन में लगभग 8 घंटे के लिए किया जाता है। हालांकि, इसका मतलब यह नहीं है कि ट्रांसमिशन हमेशा अधिकतम गति पर होता है जिसे डीएसएन एंटेना के डेटा से देखा जा सकता है।
ग्रह की कक्षा में मौजूद जांचों को दरकिनार करते हुए, पृथ्वी और मंगल की सतह पर मौजूद उपकरणों के बीच सीधा संबंध स्थापित करने का एक अवसर भी है। लेकिन ऐसे कनेक्शन केवल आपातकालीन स्थितियों में या केवल साधारण नियंत्रण आदेश भेजने के लिए किए जा सकते हैं। इस तरह की सीमाएं इस तथ्य के कारण हैं कि ग्रह की कक्षा से मंगल ग्रह तक सिग्नल की बैंडविड्थ पृथ्वी से मंगल की सतह तक सीधे संचरण की तुलना में 3-4 गुना अधिक है। एक्स बैंड में काम करने वाले एंटेना का उपयोग पृथ्वी और रोवर दोनों पर ऐसे संचार के लिए किया जाता है।
लेकिन संचार में रुकावटें भी आती हैं, जिन्हें हम आज प्रभावित नहीं कर सकते। इनका कारण सूर्य है। सूर्य स्वयं अपने पास से गुजरने वाले प्रोब से डेटा के प्रसारण में हस्तक्षेप कर सकता है, क्योंकि लाल ग्रह समय-समय पर हमसे छिपता रहता है। और चूंकि हमारे पास अभी तक सौर मंडल में एक अच्छी तरह से विकसित संचार नेटवर्क नहीं है, इसलिए मंगल ग्रह को हर दो साल में सौर डिस्क को पार करने में लगभग 10 दिन लगते हैं। यह इस अवधि के दौरान है कि रोवर्स और प्रोब के साथ संचार पूरी तरह से अनुपस्थित है।
कभी-कभी कोई दूसरा रास्ता नहीं होता है, आपको कड़ी मेहनत करनी पड़ती है और डेटा के लिए दिनों या महीनों तक इंतजार करना पड़ता है
सौभाग्य से, मंगल मिशनों के मामले में, वैज्ञानिकों को अब तक ऐसी कोई समस्या नहीं हुई है। लेकिन अगर आप में से किसी को 1990 के दशक की गैलीलियो जांच याद है, तो आप जानते हैं कि उस समय जमीनी नियंत्रण को लेकर बड़ी समस्याएं थीं। जांच के ट्रांसमिट एंटीना को केवल आंशिक रूप से तैनात किया गया था, इसलिए यह 134 केबीपीएस के इच्छित बैंडविड्थ को प्राप्त करने में असमर्थ था। जांच के साथ संपर्क न खोने के लिए वैज्ञानिकों को नई डेटा संपीड़न विधियों का विकास करना पड़ा। वे दूसरे लो-गेन एंटेना के प्रदर्शन को 8-16 बीपीएस (हां, बिट्स प्रति सेकेंड) से बढ़ाकर 160 बीपीएस और फिर लगभग 1 केबीटी/एस तक बढ़ाने में सक्षम थे। यह अभी भी बहुत कम था, लेकिन यह मिशन को बचाने के लिए पर्याप्त निकला।
दूसरी ओर, बहुत दूर के अंतरिक्ष यान को बहुत शक्तिशाली संचारण एंटेना और शक्ति स्रोतों से सुसज्जित किया जाना चाहिए क्योंकि संचरण में लंबा समय लगता है। न्यू होराइजन्स जांच से, जिसके ट्रांसमिटिंग एंटेना में 12 डब्ल्यू की शक्ति है, प्लूटो के पास इसके उड़ने के बाद, वैज्ञानिकों ने प्रेषित डेटा के एक पूरे सेट के लिए महीनों तक इंतजार किया।
क्या यह समस्या हल हो सकती है? हां, यह संभव है, लेकिन इसके लिए हमें पूरे सौर मंडल में संचार नेटवर्क बनाने की जरूरत है, लेकिन इसके लिए बहुत समय और निश्चित रूप से भारी वित्तीय निवेश की आवश्यकता होती है।
हम आगे क्या उम्मीद कर सकते हैं?
मुझे यकीन है कि मंगल की सतह और उससे आगे बहुत सारी रोचक जानकारी हमारी प्रतीक्षा कर रही है। मानवता पृथ्वी से बाहर निकलने और दूर के ग्रहों और अन्य सौर प्रणालियों का पता लगाने के लिए उत्सुक है। शायद, कुछ दशकों में, मेरा यह लेख केवल मंगल ग्रह पर या कहीं अल्फा सेंटौरी में स्कूली बच्चों को मुस्कुराएगा। हो सकता है कि तब मानवता अन्य ग्रहों के लिए उतनी ही आसानी और सरलता से उड़ान भरेगी, जितनी अब हम कीव से न्यूयॉर्क के लिए हैं। मुझे एक बात का यकीन है, अंतरिक्ष की खोज करने की मानवता की इच्छा को रोकना असंभव है!
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