גולשים בחלל: על אינטרנט בין כוכבי

בעתיד, כאשר פעילות האדם תתרחב לעבר הירח ומאדים, ומספר החלליות סביב גופים אלה יגדל לאין שיעור ביחס למצב הקיים היום, יהיה צורך במערכת תקשורת לוויינית לטווח ארוך שתתפרש על מרחביה של מערכת השמש. איך מערכת כזו תפעל?

טל ענבר, “גליליאו”

תקשורת יומיומית שאנו רגילים אליה זה קרוב ליובל שנים אינה מטרידה אותנו, אלא כאשר מתרחשת תקלה שבעטיה איננו קולטים לפתע שידורי טלוויזיה בלוויין, או שאיכות האינטרנט הלווייני במקום כלשהו נפגמת קמעה; עובר זמן קצר בדרך כלל עד לתיקון התקלה, והחיים שבים למסלולם הרגיל.

ואולם תקלות תקשורת עם חלליות מחקר הנמצאות בקצות מערכת השמש שלנו עלולות להמיט חורבן על משימות חלל שנמשכות שנים ושעולות מאות מיליוני דולרים, ואף יותר מכך. בעתיד, כאשר פעילות האדם תתרחב לעבר הירח ומאדים, ומספר החלליות סביב גופים אלה יגדל לאין שיעור ביחס למצב הקיים היום, יהיה צורך במערכת תקשורת לוויינית לטווח ארוך. במאמר זה נסקור מקצת מההיבטים הקשורים בבניית רשת תקשורת חללית שתתפרש על מרחביה של מערכת השמש שלנו.

רשת החלל העמוק (Deep Space Network)

התקשורת בין חלליות מחקר ובין כדור הארץ היא תקשורת נקודה לנקודה, כלומר החללית נמצאת בקו ראייה אל כדור הארץ ומשדרת למקום אחד ידוע ומחושב מראש. בעת כתיבת שורות אלה, למשל, נמצאת חללית בדרך אל פלוטו, וכן מתבצעת תקשורת יומיומית עם חלליות הממוקמות סביב שבתאי, מאדים, ועם כמה חלליות מחקר נוספות שחלקן יצאו ממערכת השמש דוגמת וויאג'ר.

בשל המרחק הגדול שבו פועלות חלליות מחקר בלתי מאוישות החוקרות את כוכבי הלכת, ובשל בעיות ההספק הנדרש לשידורי רדיו מהחלליות (המוגבלות תמיד בגודל התאים הסולאריים שלהן או בעוצמת היחידה הגרעינית המספקת חשמל לחלק מהן), הוקמה על פני כדור הארץ מערכת של אנטנות גדולות מאוד, המאפשרות תקשורת עם החלליות השונות.

מערכת זו מכונה רשת חלל עמוק (DSN) והיא מופעלת בעבור סוכנות החלל האמריקנית נאס”א על-ידי מעבדת ההנעה הסילונית JPL. המערך מתבסס על אנטנות ענק הניתנות לכוונון והמותקנות בקליפורניה, בספרד ובאוסטרליה, כשהמרחק הזוויתי בין כל תחנה ותחנה מאפשר קשר רציף עם החלליות למרות סיבוב כדור הארץ סביב צירו.

לווייני תקשורת סביב פלנטות

בשלב זה של חקר מערכת השמש באמצעות חלליות אין עדיין לוויינים המקיפים פלנטות ומשמשים כלווייני תקשורת ייעודיים שעיקר תפקידם כלווייני תקשורת למאדים, הירח ופלנטות אחרות. עם זאת כבר היום חלליות ממדינות שונות יודעות “לדבר” ביניהן, וכך למשל רובוטים שמפעילה ארה”ב, המשוטטים על פניו של מאדים, יכולים להעביר מידע באמצעות חללית של סוכנות החלל האירופית המקיפה את מאדים.

התואם בין פרוטוקולי התקשורת הוא פרי שיתוף פעולה ודיונים ארוכים בין סוכנויות החלל. עם הגדלת נפח התקשורת שתועבר ממאדים לכדור הארץ יהיה צורך בתחנות ממסר חלליות ייעודיות, דוגמת לווייני תקשורת במסלול מרסטציונרי – היינו סביב מאדים – או כמה לווייני תקשורת שירחפו בחגורת האסטרואידים בין מסלולו של מאדים לזה של צדק.

מהארץ לחלל: מודל האינטרנט

האינטרנט במהותו הוא מבוזר – אין מוקד יחיד שבו נשמר כלל המידע ושממנו מנוהלת התקשורת. מודל מבוזר זה עומד בשנים האחרונות במוקד התכנון של סוכנויות חלל שונות ובראשן נאס”א, בבואן לאפיין את ארכיטקטורת התקשורת במערכת השמש לשנים הבאות.

אינטרנט פלנטרי חייב להיות עמיד להפרעות שונות (דוגמת סערות על פני השמש), להפסקות שידור (לדוגמה בעת שחללית נמצאת מאחורי פלנטה) ולאפשר למשימה להימשך למרות תנאים אלה. יש להתחשב כמובן גם בעיכוב בתקשורת הנגרם עקב המרחק – כך למשל העיכוב בתקשורת בין כדור הארץ לחללית הנמצאת סביב מאדים יכול לנוע בין 3.5 דקות ל-20 דקות.

שוני מהותי באינטרנט פלנטרי לעומת האינטרנט על כדור הארץ נעוץ בעובדה שלא יתקיים קשר רציף בין שני משתמשי קצה – הדבר צריך להילקח בחשבון, וכך למשל חבילות מידע העוברות מחללית ללוויין ממסר צריכות להישאר בלוויין אם אין לו קשר ישיר עם הלוויין הבא או עם כדור הארץ, ולהמתין עד שיימצא ערוץ תקשורת – ישיר או עקיף – ואז המידע יועבר.

הדבר מצריך מאגרי זיכרון גדולים בלווייני הממסר שירכיבו את האינטרנט הפלנטרי וכן לוגיקת הפעלה שונה מהמקובל בתקשורת מחשבים מבוזרת על פני כדור הארץ. השיטה דומה לעיקרון המצוי בשימוש בלווייני תקשורת נמוכי מסלול סביב כדור הארץ, המכונה Store and forward (הדבר דומה לשחקן כדורסל שאינו יכול לנסות לקלוע לסל ממיקומו הנוכחי על המגרש, המוסר את הכדור לשחקן אחר שיכול לעשות כן, או הממוקם במקום בו הוא מצדו יעביר את הכדור לשחקן אחר שינסה לקלוע). מצב זה מבטיח שהמידע המועבר לא ילך לאיבוד אם יש הפרעות תקשורת, והמחיר שמשולם הוא רק עיכוב בקבלתו.

אינטרנט פלנטרי יהיה מורכב מכמה לוויינים הנמצאים במסלולים ובמיקומים שונים במרחבי מערכת השמש, שכל אחד מהם יוכל לקבל מידע ולהעבירו לכל אחד ממרכיבי הרשת החללית שאליו יהיה לו קו ראייה. בתקשורת החללית המתבצעת כיום, כל מהלך של תקשורת עם חללית מחייב מעורבות של אדם ותכנון מדוקדק ביותר שיבטיח את יצירת הקשר, את איכותו ואת פרק הזמן שבו תתקיים התקשורת עם החללית. כאשר יפעל האינטרנט הפלנטרי חלק ניכר מהפעולות הנדרשות ליצירת תקשורת יתבצע אוטומטית ללא מעורבות אדם, ובזמינות גדולה הרבה יותר מאשר בתקשורת של נקודה לנקודה.

אינטרנט חללי יאפשר קיומן של משימות חלל חדשניות, היכולות לכלול נחיתה במקביל של כמה חלליות בכמה אתרי נחיתה, שילוב בין חלליות במסלולים שונים סביב פלנטה, מחקר באמצעות מערכות רחיפה שונות (כטב”ם, כלי טיס בלתי מאויש, או בלון בהקשר של מאדים). יתרה מכך, אינטרנט חללי יוכל לשרת באמינות גבוהה יותר משימות מאוישות על פני הירח ובעתיד הרחוק יותר – על פני מאדים ובאזור האסטרואידים.

אינטרנט חללי חייב להתחשב גם בעיוותים של האותות עצמם, הנובעים משידורם מעל גבי פלטפורמה הנעה במהירות רבה. אפקט דופלר חייב להילקח בחשבון בעת עיבוד האותות והפצתם הלאה. בעבר פרט זה כמעט נשכח בעת משימת החללית הוֹיְגנס, ששוגרה מהחללית קאסיני אל ירחו של שבתאי, טיטאן. רק ערנותו של טכנאי צעיר הסבה את תשומת הלב לבעיה, וחלק ממערך התקשורת של החללית תוכנת מחדש מבעוד מועד.

איזה רוחב פס תקבלו על מאדים?

מיני-רשתות ייפרשו בעתיד סביב מוקדי פעילות אנושית – בעיקר סביב הירח וסביב מאדים. כמה לווייני תקשורת במגוון מסלולים מתאימים יוכלו לתמוך בפעילות מחקרית רובוטית נייחת וניידת על פני השטח, וכן בכלים שינועו סביב הירח או מאדים במסלולים נמוכים יותר.

העקרונות של אינטרנט פלנטרי יהיו ישימים גם ברשתות האזוריות סביב מאדים או הירח. אינטרנט פלנטרי אינו חיוני רק לשם תמיכה בפעילות של חלליות מחקר והעברת נתונים מהן ואליהן. בעת פעילות אנושית על הירח או על מאדים יהיה צורך בניטור שוטף של מצבם הבריאותי של האסטרונאוטים – ודבר זה יעשה בקלות על-ידי רשת תקשורת מקומית.

כמו כן, שומה על לווייני התקשורת שירכיבו את רשתות התקשורת החלליות לעבד את המידע כבר בלוויין, ולא רק להעביר מידע גולמי לכדור הארץ – דבר זה מודגם בימינו בלווייני תקשורת שונים ומכונה בקיצור On Board Processing. עיבוד במחשבי הלוויין עשוי לייעל מאוד את התהליך.

ראשית, עיבוד מידע על הלוויין מאפשר דחיסת הנתונים בצורה טובה יותר ושימוש במגוון תדרי רדיו, חיסכון בחשמל בחללית עצמה ושימוש באלומות תקשורת בתצורה חסכונית יותר. יתר על כן, במשימות שונות יש לחללית X זמן שידור לכדור הארץ. ככל שייעשה יותר עיבוד בחללית עצמה, המידע שיגיע לכדור הארץ יהיה מועיל יותר ורב יותר.

כמו כן, עיבוד מידע על הלוויינים עצמם יוריד לכדור הארץ מידע מעובד שאפשר לעבוד עליו מיד. שנית, מידע גולמי מאוכסן בשרתים, מעובד ואת רובו לא רואים החוקרים ולא יראו – שכן פרויקטי המחקר תחומים בזמן וחלק ניכר מהעלות הוא של האנשים על הקרקע. לכן רצוי להימנע ככל שאפשר מהתהליך הרגיל של שליחת מידע גולמי ועיבודו בזמן שהוא בכדור הארץ. שלישית, באופן פעולה כזה אפשר להבחין בדפוסי שינוי, דבר המשרת לוויינים מטאורולוגיים, למשל.