NASA’nın Derin Uzay Ağı (Deep Space Network-DSN), dünyadaki bilim adamları ve mühendislere uzaydaki ve Mars’taki görevli araçlarla iletişim bağlantıları sağlayan uluslararası bir anten ağıdır. DSN, dünya çapında yaklaşık 120 derece aralıkla yerleştirilmiş üç derin uzay iletişim tesisinden oluşur.
Resim-1. Ağ yapısı ve antenler. Image Credit: NASA/JPL-Caltech
Bunlar Kaliforniya’nın Mojave Çölü’ndeki Goldstone’da, İspanya Madrid yakınlarında ve Avustralya Canberra yakınlarındaki tesislerdir. Bu stratejik yerleşimler, Dünya kendi ekseni üzerinde dönerken de uzay araçları ve uyduların sürekli olarak gözlemlenmesine izin verir.
DSN, Dünyadaki en büyük ve en hassas bilimsel telekomünikasyon sistemidir. DSN ayrıca güneş sistemi ve daha geniş evren hakkındaki anlayışımızı geliştiren radar ve radyo astronomi gözlemleri de sağlar. DSN, NASA’nın ajansın gezegenler arası robotik uzay görevlerinin çoğunu işleten Jet Propulsion Laboratory (JPL) tarafından işletilmektedir.
Derin Uzay Ağı’nın antenleri, Dünya’dan çok uzak konumdaki kaşif uzay araçları için vazgeçilmez bir bağlantı kaynağıdır. Ağ; uzay aracımıza komuta etmek ve Dünya’da daha önce hiç görülmemiş görüntüleri ve bilimsel bilgileri almak, evreni, güneş sistemimizi ve sonuç olarak içindeki yerimizi anlamamızı iten çok önemli bağlantıları sağlamaktadır.
DSN Antenlerinin Boyutu ve Gücü
DSN antenleri son derece büyüktür, çapları 34 metre ve 70 metredir. Bu muazzam antenler insanların milyonlarca mil ötedeki uzay aracına ulaşmasını sağlıyor. Anten büyüdükçe, sinyal güçlenir ve antenin gönderebileceği ve alabileceği enformasyon (bilgi) miktarı artar. Mars Bilim Laboratuvarı ya da bilindik adıyla Curiosity (Merak) isimli rover, seyir aşaması iken, düşük ve orta kazançlı bu ağın antenleri aracılığıyla iletişim kurmuştur.
Resim-2. Gezgin’in arka kısımda bulunan UHF bandında kullanılan anteni. Image Credit. NASA/JPL-Caltech.
Diğer yandan Curiosity (Merak) Mars yüzeyinde hareket ederken, yüksek kazançlı Ultra Yüksek Frekans (Ultra High Frequency-UHF) anteni üzerinden yörünge uydularına, uyduların sayesinde de Dünya’daki DSN ile iletişim kurmaktadır.
Meşgul (Busy) Sinyalleri Önleme
Derin Uzay Ağı (DSN), güneş sistemimiz boyunca uçan neredeyse tüm uzay araçlarıyla iletişim kurar. Birçok uzay aracı bugün, Satürn’ü, Güneş’i, asteroitleri ve kuyruklu yıldızları gözlemleyerek uzayda dolaşmaktadır. Buna ek olarak, Mars gezgini de Mars yüzeyinde hala aktif olarak çalışıyorlar. DSN antenleri, tüm bu uzay görevlerini aynı anda izlemeye çalışıyorlar. Bu nedenle gezgin DSN antenlerin ile zaman paylaşımı yapmalıdır. Dünya çapında yüzlerce müzakereciden oluşan bir ekip, sofistike bir planlama sistemi ile her görevin önceliklerinin karşılanmasını sağlıyor.
Mars’a iniş gibi kritik görev olayları sırasında, Dünyadaki birden fazla anten ve Mars Keşif Uydusu, iletişim kaybı riskini en aza indirmek için uzay aracından gelen sinyalleri izler. Mars yüzeyinde iniş işlemleri aşamasında, Mars Bilim Laboratuvarı DSN’nin Çoklu Uzay Aracı (MSPA) özelliğini kullanır, bu da tek bir DSN anteninin aynı anda dört uzay aracından downlink bağlantı almasını ve röleyi kullanmasını sağlar. Mars Odyssey (ODY) ve Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) uzay aracı da bu yeteneklere sahiptir.
Gezginin downlink bağlantı oturumları (gezici Dünya’ya bilgi gönderdiğinde) genellikle yajkalşık 15 dakika sürer. Her gün röle başına iki downlink bağlantı seansı (ODY ile MRO arasında), gece boyunca iki seans ve öğleden sonrasında iki seans ile tamamlanır. Multiple Spacecraft Per Aperture (MSPA), bir seferde yalnızca bir uzay aracının uplink bağlantıya sahip olmasına izin verir ve Curiosity ‘nin komutları, Mars günün (SOL) aktiviteleri için talimatlar sağlamak üzere her SOL’da yaklaşık 30 dakika boyunca komut verir.
Navigasyon
DSN, mühendislerin seyir sırasında uzay aracında navigasyonuna nasıl yardımcı olur?
Seyir sırasında DSN antenleri, uzay aracından, navigatörlere uzay aracının nerede bulunduğunu bildiren sinyalleri alır. Mühendisler uzay aracını çıplak gözle veya teleskopla fiziksel olarak göremezler ve uzay aracının herhangi bir zamanda nerede olduğunu bilmek için radyo izlemeye (radio tracking) konusuna güvenirler. “Marco-Polo” oyunu gibi DSN de uzaydan gelen sinyalleri dinler ve uzay aracının sinyalinin nereden geldiğini tespit edebilir. Bu navigasyon servisine “izleme kapsamı” denir ve Doppler, değişen ve Delta Diferansiyel Tek Yönlü Aralık “Delta-Differential One-Way Ranging-Delta DOR” sistemini içerir.
Doppler Verisi
Bir uzay aracının seyir hızını hesaplamak için, mühendisler Dünya ve uzay aracı arasındaki görüş hattı boyunca Doppler verilerini kullanırlar.
Çoğu insan, bir araba kornası ya da tren düdüğünün onlara doğru geldiğinde veya onlardan uzaklaştığında sesinin değiştiğini bilir. Bu olayın sebebi; ses çıkaran kaynağın hareketli olmasından dolayı yaydığı ses dalgalarının birbirlerine yaklaşması veya uzaklaşması ile sesin frekansının değişmesidir.
Hareketli bir kaynaktan yayılan elektromanyetik radyasyon (örneğin ışık dalgaları veya radyo sinyalleri) için de bu olay gözlemlenir. Frekans kaymasının veya “Doppler kaymasının” boyutu, ışık kaynağının gözlemciye göre ne kadar hızlı hareket ettiğine bağlıdır. Gökbilimciler sık sık bize görünen bir nesneden gelen ışığın spektrumun maviye (daha yüksek frekanslara) ve uzaklaşmakta olan bir nesneden gelen ışığın kırmızıya (düşük frekanslar) kaydığını göstermişlerdir.
Doppler Effect Video: Ses kaynağı hareketli olduğunda, gözlemciden uzaklaşıyor ise sesin frekansı düşerken, gözlemciye doğru yaklaşırken sesin frekansı yükselir. Bunun sebebi dalgaların birbirine yaklaşması ya da uzaklaşmasıdır.
Gezgin, radyo sinyalleri ile Dünya’daki kontrolörler ile yukarıda çalışma mantığında anlatıldığı şekilde iletişim kurar. Yer kontrolörleri uzay aracından yayılan sinyalin frekansını bilir. Ancak, uzay aracı bizden uzaklaştığından, bu frekans değişmiştir. Bu nedenle, mühendisler (veya daha doğrusu bilgisayarlar) Doppler kaymasını elde etmek için alınan frekansı yayılan frekansla karşılaştırır. Bu durumda ortaya çıkan Doppler kaymasına neden olacak hareketli aracın hızını bulmak kolaydır.
Ranging
Ranging, uzay aracına bir kod gönderir, uzay aracının bu kodu almasını ve hemen uzay aracının kendi antenine geri göndermesini ve son olarak bu kodu Dünya’nın geri almasını sağlar.
Kodu gönderme ve kodu alma arasında geçen süreden, uzay aracındaki sinyali döndürme gecikmesi çıkarılır ise, bulunan süre uzay aracına iletilen ışık hızındaki veri aktarım süresinin iki katıdır. Böylece, ikiye bölünen ve ışık hızıyla çarpılan zaman, Derim Uzay Ağı (DSN) istasyonunu ile uzay aracı arasındaki mesafeyi verir. Uzay aracı 200 milyar metre uzakta olsa bile, bu mesafe yaklaşık beş ila on metre arasında fark ile yüksek doğrulukta bulunabilmektedir.
Delta DOR
Delta DOR, ranging’e benzer, ancak aynı zamanda atarca (kuasar) gibi kaynaktan uzayda doğal olarak oluşan bir radyo kaynağından üçüncü bir sinyal alır ve bu ek kaynak, bilim adamlarının ve mühendislerin uzay aracının daha doğru bir şekilde konum elde etmelerine yardımcı olur.
Kuasarlar birkaç milyar ışıkyılı uzaklıkta yani birkaç milyar yıl geçmişteler. Kuasarlar, bir uzay aracı için birkaç on dakika içinde yapılan aynı ölçümler arasında bir kalibrasyon sağlamak üzere gökyüzünde son derece iyi bilinen konumlar olarak kullanılır. Bu şekildeki bir hesap, ekipmandan kaynaklanan birçok hatadan kurtulmayı sağlar.
DSN’nin giriş, iniş ve yüzeye oturma sırasında aldığı özel sinyal tonları
Mars gezgini iniş aşamasında Mars atmosferine girişi, inişi ve yüzeye oturması aşamaları sırasında mühendisler, süreçteki adımların etkinleştirildiğini belirten 128 farklı tonu dinledi. Bu sırada bir ses paraşütün konuşlandırıldığını, diğeri ise hava yastıklarının şiştiğini göstermişti. Bu sesler bir dizi temel, özel radyo tonuydu.
Gezgin; atmosfere giriş, iniş ve yüzeye oturma süreci sırasında X-bandında radyo yayını iletti. Bu yayınların dinlenmesi süreçteki ilk olayların onaylanması için gerekliydi. Sinyal gücü kısıtlamaları nedeniyle, bu iletimler, tam telemetri yerine semafor kodlarıyla karşılaştırılabilen basit tonlardı.
Derin Uzay Ağı (DNS) doğrudan Dünya’ya-aktarım sinyallerini dinledi. Bununla birlikte Dünya, uzay aracının görüşünden çıktı, Mars ufkunun altına iniş boyunca iletişim yarı yolda kaldı. X-bandı tonları iniş ve inişteki son adımları doğrulamak için mevcut değildi. Daha sonra Odyssey üzerinden bent-pipe rölesi çalışmaya başlamıştı.
İletişim
Gezici Mars yörüngesindeki uzay aracıyla nasıl iletişim kurabilir?
Gezgin; sadece doğrudan DSN istasyonlarına mesaj göndermekle kalmaz, aynı zamanda Mars’ın yörüngesindeki diğer uzay araçlarına up-link (uyduya veri gönderme) ile bilgileri iletebilir. Gerekirse Mars Keşif Orbiti’ni ve Mars Odyssey uzay aracını Dünya’ya mesaj ileten haberciler olarak kullanır.
İlgili uzay aracı esas olarak UHF antenleri üzerinden iletişim kurar. Mars Keşif Orbiter, Mars Bilim Laboratuvarı’nı Mars’a doğru güvenli bir şekilde yönlendirmeye yardımcı olan bir Electra-UHF faydalı yükü taşımaktadır. Mars Keşif Orbiti’ndeki Ka-Band paketi, Gezgin ile iletişim kurmak için olası bir başka pipe-line görevi görebilir.
Yörüngesel uzay aracı kullanmanın faydası şudur: Yörüngedeki araç Mars üzerindeki Gezgine Dünya’daki Derin Uzay Ağı (DSN) antenlerinden daha yakındır. Aynı zamanda yörüngedeki araçların Dünya iletişimi için sahip oldukları görüş alanları, Mars yüzeyindeki Gezgin’lerden daha geniştir.
X-band Radio Dalgaları
Gezgin radyo dalgaları aracılığıyla yörüngeler ve Derin Uzay Ağı (DSN) ile iletişim kurar. FM istasyonları için kullanılan radyo dalgalarından çok daha yüksek frekansta radyo dalgaları olan X-bandı aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurarlar.
Gezgin’e giden ve Gezgin’den gelen radyo dalgaları; yörüngelerdeki uydulara UHF antenleri kullanılarak iletilir. Bunlar uzun mesafe, düşük ve yüksek kazançlı kısa mesafe antenleri ile karşılaştırılır ise bilindik telsizler arasındaki haberleşmeye benzetilebilir.
Mars’ta aktif olan üç yörünge uydularının tümü Gezgin’in atmosfere girişi, inişi ve yüzeye oturuşu sırasında Gezgin ile iletişim kurabilecekleri konumdaydı. Ancak sadece Odyssey bilgiyi hemen iletebildi.
Diğer iki yörünge uydusu, Gezgin’den verilerini kaydetti, bünyesinde tuttu ve saatler sonra Dünya’ya gönderdi. Mars Reconnaisance uydusu, uzay aracının atmosfere girişi, inişi ve yüzeye oturuşu sırasında paraşütüyle ilgili görüntülerini dahi yakalamıştı.
Resim-3. Gezgin genel yapısı ve haberleşme antenleri. Image Credit: NASA/JPL-Caltech
Gezgin’nin seyir aşamasında Dünya ile iletişim kurmak için kullanılan iki anten vardı. Düşük kazançlı (UHF) anten çok yönlüdür ve uzay aracı Dünya’nın yakınındayken kullanılmıştır. Çok yönlü radyo yayını her yöne yayıldığı için, düşük kazançlı antenin iletişim bağlantısını sağlamak için Dünya’ya yönlendirilmesine gerek yoktu.
Orta kazançlı antenin (LGA) iletişim için Dünya’ya doğru yönlendirilmesi gerekiyordu. Ancak uzay aracı Dünya’dan daha uzakta olduğunda iletişim kurmak için daha fazla güce sahip olması gerekiyordu. Orta kazançlı anten bir projektör gibi davranıyordu ve enerjiyi Dünya’ya ulaşmak için daha yoğun bir ışına yönlendirebiliyordu. Tıpkı bir projektörün, normal bir ampulün lambadan çıkardığından daha fazla odaklanmış ışığı bir alana yönlendirdiği gibi, orta kazançlı anten de uzay aracındaki verileri düşük kazançlı antenden daha yoğun bir ışına yönlendirebilir.
Gezici doğrudan Dünya’ya (Mars yüzeyinden) konuştuğunda, yüksek kazançlı anteni (HGA) aracılığıyla mesaj gönderir. Yüksek kazançlı anten, belirli bir yönde bir radyo sinyali gönderebilir ve yönlendirilebilir, böylece anten kendisini doğrudan Dünya üzerindeki herhangi bir antene yönlendirmek için hareket edebilir.
Yönlendirilebilir bir antene sahip olmanın yararı, Gezgin’in Dünya ile iletişim kurmak için konumunu değiştirmek zorunda olmamasıdır. Bireyle konuşmak için tüm vücudunuzu çevirmek yerine boynunuzu çevirmek gibi de ifade edilebilir, Gezgin de sadece HGA anteni hareket ettirerek enerji tasarrufu sağlayabilir.
Veri Hızları / Getirileri
Dünya’ya doğrudan veri hızı saniyede yaklaşık 500 bit ile saniyede 32.000 bit arasında değişir (standart bir ev modeminin kabaca yarısı kadar hızlı). Mars Keşif Orbiter aracının veri hızı, iletişim sırasında otomatik ve sürekli olarak seçilir ve saniyede 2 milyon bit kadar yüksek olabilir. Mars Odyssey yörüngesine giden veri hızı saniyede seçilebilir 128.000 veya 256.000 bittir (ev modeminden 4-8 kat daha hızlı).
Bir Mars uydusu Gezgin’in üzerinden geçer ve bir Mars günü (SOL)’da bir seferde yaklaşık 8 dakika Gezgin ile iletişim zaman aralığında bulunur. Bu süre zarfında, 100 ila 250 MegaBit arasında bir veri bir yörüngeye iletilebilir.
Aynı kapasitedeki 250 MegaBitin doğrudan Dünya’ya iletilmesi 20 saate kadar sürebilir. Gezgin ise, Dünya ile iletişim için çok daha uzun süre uygun konumda olabilse de, kendisinin güç sınırlamaları veya diğer planlanan etkinliklerle çatışma nedeniyle günde sadece birkaç saat doğrudan Dünya’ya mesaj iletebilir.
Bilindiği üzere Mars gezegeni de kendi ekseni üzerinde dönüyor, bu yüzden Mars da sık sık Dünya’ya “sırtını dönüyor”. Gezgin, Dünya görüş alanından çıktıktan sonra sanki gece olmuşçasına gibi kendini kapatır. Güneş Dünya’yı Mars’tan görünür hale getirecek şekilde çıktığında, Dünya Güneş’e arkasını dönmüş olur. Yörüngedeki uydular ise Dünya’yı 16 saatte bir görebilir ve Gezgin’e göre çok daha fazla bilgiyi doğrudan Dünya’ya iletme imkanına sahiptirler. Bunun sebebi biraz da Gezgin’den çok daha güçlü ve büyük antenleri olmasındandır.
Son olarak yakın zamanda Mars yolculuğuna başlayacak olan Mars 2020 Perseverance Rover‘in (Azim) de aynı haberleşme sistemi ve ağını kullanacağını belirtelim.
