Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее

Как это делается: передача информации от Урана

Мероприятия, улучшившие условия приема информации с «Вояджеров» от Сатурна, не были достаточны для полноценной работы с КА «Вояджер-2» в системе Урана на расстоянии в 1,7 раза больше и при мощности принимаемого сигнала в 2,8 раза меньше.

Потеря 4,5 дБ в мощности сигнала влекла снижение скорости передачи с 44 800 до 14 400 бит/с. Но ведь, помимо «картинки», нужно было передавать большой объем информации с остальных приборов – целых 7200 бит/с. Получалось, что на изображение остается только половина ширины канала, и кадры с камеры ISS будут проходить не за три цикла FDS (144 секунды), а за 16 (768 секунд, то есть 12,8 минут).

Отчасти потери можно было возместить за счет многоантенного приема.

На комплексе Сети дальней связи DSN в Тидбинбилле, где условия видимости во время максимального сближения с Ураном были наилучшими, организовали совместную обработку сигналов, приходящих на основную 64-метровую антенну DSS-43 и две дополнительные 34-метровые, старую DSS-42 и новую «высокоэффективную» антенну DSS-45.

Аналогичным образом в Голдстоуне были объединены 64-метровая антенна DSS-14 и две «тридцатьчетверки» – старая DSS-12 и новая DSS-15. Одна дополнительная станция добавляла 0,8 дБ к возможностям 64-метровой антенны, а две вместе – 1,2 дБ. За счет этого удавалось поднять теоретическую пропускную способность до 21 600 бит/с и передавать «картинку» за восемь циклов.

В Австралии было также осуществлено сопряжение по радиорелейной линии с 64-метровым радиотелескопом в Парксе, в 320 км от основного комплекса, который также работал на прием. Удвоение антенной площади давало прибавку уже в 3 дБ, но она была доступна только в Австралии.

Чтобы улучшить положение, были предложены две новые технологии.

Во-первых, решили «сжимать» изображения. Если передавать не полный 8-битный код яркости очередного элемента, а лишь разность уровней соседних точек в пределах строки, то объем данных типового снимка, содержащего «пустой» космос или низкоконтрастные облачные структуры, уменьшался на 60–70 % без потери информации.

Во-вторых, использовавшееся до сих пор конволюционное кодирование по Голею служебной информации и данных остальных приборов требовало передачи двух битов на каждый бит исходных данных. Это-то и приводило к увеличению потребности в пропускной способности канала с 3600 до 7200 бит/с. В июне 1982 г. было впервые опробовано и перед визитом к Урану задействовано имеющееся на борту устройство «внешнего» блочного кодирования Рида – Соломона с одним контрольным битом на пять информационных; таким образом, к необходимым 3600 бит/с добавлялось всего 600. Благодаря этому удавалось снизить до 2,4 дБ необходимое соотношение сигнал/шум и одновременно уменьшить частоту ошибок с 5 × 10^–3 до 10^–6.

Два этих решения позволяли снизить время передачи одного кадра до пяти циклов FDS, то есть до четырех минут. Проблема же состояла в том, что обеспечивающие их алгоритмы не удавалось вписать в 8192 слова памяти каждого из двух каналов компьютера FDS, ответственного за сбор и форматирование данных научных приборов.

Пришлось пойти на распараллеливание функций: объявленный основным канал FDS-B управлял работой приборов и форматированием данных с кодированием Рида – Соломона, а дублирующий FDS-A специализировался на сжатии изображений. В случае отказа основного канала во время выполнения этой программы дублер уже не мог его сразу заменить, и дело могло кончиться не только потерей ценной информации, но и гибелью аппарата.

Кроме того, была ненулевая вероятность выхода из строя одного из двух FDS еще до встречи с Ураном. Особую тревогу инженеров вызывало запоминающее устройство FDS-B, в котором в самом начале полета было потеряно 256 из 8192 слов памяти. Потеря еще 512 слов означала бы утрату данного процессора. В этом случае пришлось бы использовать резервную однопроцессорную программу без сжатия данных, компенсируя ее недостатки повышением скорости передачи до максимально возможных для австралийского комплекса 29 860 бит/с.

Еще одной нетривиальной проблемой была неточность прогноза положения Урана (а также Нептуна и его главного спутника Тритона). Модели движения этих тел, составленные на основе телескопических наблюдений с Земли, имели ошибки порядка 5000, 10 000 и 6700 км, в то время как для Сатурна они уже не превышали 800 км, а для Юпитера – 400 км. Предпринятые усилия по уточнению эфемерид за счет расширения базы наблюдений и использования подходящих методик динамического моделирования не были достаточны, так что «Вояджер-2» в значительно большей мере, чем при встрече с Юпитером и Сатурном, должен был полагаться на данные оптической навигации.