Šta je kosmička telemetrija? Radi se o slanju podataka na Zemlju i u upotrebi je od II svetskog rata kada je korišćena za snimanje parametara leta raketa i satelita. Pročitaj da saznaš nešto više o tome i kako sistem radi.
Kovanica telemetrija nastala je od starogrčkih reči tele (τῆλε) „daleko“ i metron (μέτρεω) „merenje“. Radi se o slanju informacija o značajnim mernim parametrima (naponu struje, pritisku, temperaturi, vibracijama, itd.) kontrolisanih i upravljivih objekata metodama i sredstvima telemehanike. Mada se sâm termin u većini slučajeva odnosi na mehanizam bežičnog slanja informacija (npr. korišćenjem radio- ili infracrvenih sistema), on u sebe uključuje i podatke slate pomoću drugih sistema masovnih komunikacija, kao što su telefonske ili računarske mreže, kroz optička vlakna ili druge vrste provodnika.
Uvod
U opštem smislu, telemetrija predstavlja deo komunikacionog sistema za prenošenje različitih podataka. Naprimer, višestruki uređaji za daljinska seizmička merenja mogu da šalju informacije o podrhtavanjima tla ili zemljotresima ka centralnoj nadzornoj stanici radi analiziranja. Kosmička telemetrija je automatski sistem specijalno razvijen za letilice u kosmosu sa ciljem slanja informacija o stanju sopstvenih podsistema ili određenih naučnih podataka na Zemlju.
Podaci iz kosmosa
Kosmičke letilice, brodovi, sateliti i sonde, šalju podatke u Nasu ili Esu, ili u druge kosmičke centre, posredstvom telemetrije. Raporti mogu da sadrže informacije o zdravlju letilice, ali i fotografije, spekrtograme ili neke druge merne podatke. Informacije mogu biti slate na Zemlju prema unapred isprogramiranom rasporedu, kada se određeni događaji odvijaju, ili da se snimaju u brodsku memoriju a onda po komandi sa Zemlje pošalju kada kada se steknu uslovi.
Neke letilice putuju jako duboko u kosmos ali nastavljaju da šalju informacije o svom putovanju sve dok misija traje. “Voyager 1” je dobar primer za to, mada se trenutno nalazi 130 AJ (19,6 mld. km) daleko od Zemlje i 37 godina daleko od započinjanja svoje primarne misije. Njegova telemetrija (i tekelomande u suprotnom pravcu – naredbe za kontrolu rada sonde) nastavlja da radi i šalje podatke na Zemlju iako je sonda lansirana još 1977. godine. Radio-signal sa “Voyagerovog” sistema telemetrije putuje brzinom svetlosti i trenutno mu treba 18 sati da stigne do antena DSN na Zemlji.
Ali telemetrija nije ograničena samo na sonde u dubokom kosmosu, nego i sonde sa ljudskom posadom i bespilotne letilice svih tipova koriste telemetriju za slanje podataka nazad na Zemlju. Često se tokom kosmičkih misija stvari dešavaju prebrzo i u takvom obimu da čovek jednostavno nije u stanju da ih prati i šalje na Zemlju radi obrade. Zato računar prikuplja kritične informacije pridobijene od raznih senzora i šalje ih u real-timeu zemaljskim računarima koji imaju više kapaciteta i vremena za obradu i analizu.
Sa podacima koji struje ka računarima brzinom koji ni čovek ni grupa njih ne bi mogla da razume, procesori su u stanju da uoče anomalije i upozori zadužene kontrolore ili grupe naučnika da preduzmu odgovarajuće korake. Kontrolori mogu da izdaju komandu za ispravku problema ili da upozore astronaute da preduzmu odgovarajuće akcije.
Kako sve to radi?
Na Zemlji postoji mnogo mogućih metoda telemetrije ali u kosmosu, telemetrija je (trenutno) ograničena na radio-signale. Slično kao što mobilni telefoni primaju mejlove ili posećuju web-stranice, kontrolne stanice na Zemlji primaju radio-signale iz kosmosa. Postoje različite metode dešifrovanja uhvaćenih informacija i one su se vremenom menjale. U početku su signali bili vrlo prosti ali su s vremenom postali jako složeni, kako su se povećavali i kapaciteti i potrebe za informacijama.
Kapacitet informacija telemetrijskih sistema naziva se širinom propusnog opsega (engl. bandwidth) i predstavlja količinu informacija koju je sistem sposoban da pošalje na Zemlju u real-timeu. Neki od prvih telemetrijskih sistema bili su u stanju da pošalju samo dve ili tri informacije. Moderni telemetrijski sistemi su u mogućnosti da pošalju odjednom ogromnu količinu podataka. Poboljšanja u kompresiji podataka, otkrivanje i popravljanje grešaka, kao i brzini prenosa takođe su doprinela povećanju propusnog opsega.
Jednom od prvih telemetrija mogla je da se između ostalog prenese još samo brzina kucanja srca putnika.
Prenos podataka
Kosmička telemetrija prenosi informacije u obliku radio-signala. Senzori na letilici prikupljaju analogne podatke – fotografije Marsa, naprimer – i šalju ih na Zemlju. Rani kosmički telemetrijski sistemi koristili su za slanje podatakapozicionu modulaciju (Pulse-position_modulation, PPM) i širinsku modulaciju[1] (Pulse-width modulation, PWM). Savremena telemetrija se oslanja na kodiranu modulaciju (Pulse-code modulation, PCM). Postoje različiti načini upotrebe tih komunikacionih metoda, ali opšti princip svakog od njih bazira se na tome šta je kosmička telemetrija i na koji način ona radi.
Poziciona i daljinska modulacija
 |
|
 |
|
 |
|
PPM kodira analogne informacije na osnovu impulsa unutar određenog vremenskog okvira.
Kao vrlo prost primer, možemo da uzmemo da okvir iznosi jednu sekundu a da impuls poslat u prvoj polovini sekunde predstavlja binarni 1, a poslat u drugoj polovini 0. Impuls može da počne – unutar okvira od 1 sekunde – u, recimo, 2/10 sekunde i da se završi u 4/10 sekunde, ili da u okviru druge polovine vremenskog okvira započne u 7/10 sekunde a završi se u 9/10 sekunde.
Očigledno je da je ovo loš primer jer bi trebalo puni osam sekundi da se pošalje samo jedan bit podatka. U praksi, prenos podataka ide mnogo brže. Prednost PPM slanja podataka leži u tome što je potrebno samo meriti vremensko zaostajanje između impulsa da bi se pročitao podatak.
Danas se PPM koristi u fiber-optičkoj komunikaciji, deep-space komunikaciji, i kod radio kontrolisanim (R/C) sistemima.
PWM varira u dužini impulsa podatka da bi predstavio delove nekog podatka unutra određenog vremenskog okvira. Impuls koji traje 1/10 sekunde može da predstavlja nulu, dok impuls koji traje duplo duže može da predstavlja 2. Prednost PWM nad PPM je mogućnost da kodira više informacija u datom vremenskom okviru.
PWM i PPM se koriste za prenos podataka u kosmičkoj telemetriji još od četrdesetih godina prošlog veka pa sve do početka pedesetih, a u određenom stepenu i kasnije. Savremenije tehnologije koriste impulsnu kodiranu modulaciju (PCM). Prenošenje informacija tom metodom kasnije je našao primenu u muzičkoj i video industriju zabave, tako da su danas svi kompaktni diskovi (CD-ovi), digitalni video-diskovi (DVD-evi) i slični mediji upravo tako kodirani. Postoje brojni metodi korišćenja PCM, ali osnovni princip je uvek isti.
PCM je kodirani binarni signal jedinica i nula i koristi se za slanje i analognih i digitalnih informacija. Preciznost analogne informacije poslate preko PCM zavisi od “dubine bita” (bit-depth[2]) i “odnosa uzoraka” (sampling-rate[3]. Bit-depth predstavlja broj bita koji je upotrebljen za prezentovanje vrednosti, a sample-rate određuje koliko često se uzima uzorak informacije.
Uzmimo za primer jednu fotografiju snimljenu digitalnom kamerom. Pri velikoj rezoluciji veličina fajla je velika zbog velikog broja piksela (sample-rate) i boja (bit-depth). Pri maloj rezoluciji sa malo boja, sample-rate i bit-depth su niski te je nizak i kvalitet slike a manja je i veličina fajla.
Poslati fotografiju Jupiterovih prstenova visoke rezolucije na Zemlju upotrebom kodirane modulacije zahteva puno podataka. S druge strane, raport o temperaturi brodskih akumulatora zahteva samo nekoliko bitova, zajedno sa pripremom za slanje. Pored sposobnosti da pošalje vrlo brzo puno podataka, velika prednost PMC je u mogućnosti da je informacije šifruju.
Istorija
Istorija slanja informacija žicom počinje u XIX veku. Jedna od prvih linija uspostavljena je 1845. između Zimskog dvorca ruskog imperatora i vojnog štaba, a 1874. francuski inženjeri su organizovali sistem senzora koji je u real-timeu slao podatke o vremenu i dubini snega na Mont Blancu u Pariz. Već 1906. uspostavljena je u Rusiji čitava linija seizmičkih stanica koje su telemetrijski bile vezane sa opservatorijom Pulkovo. Prilikom gradnje Panamskog kanala (završen 1913-14) masovno su korišćeni telemetrijski sistemi za nadzor klizišta i nivoa vode.
Bežična telemetrija istovremeno je razvijana i korišćena u radio-sondama i u Francuskoj (Robert Bjuro) i u Rusiji (Pavel Molčanov). Nemačke rakete iz II sv. rata “Fau-2” koristile su sistem nazvan “Messina-1” za slanje brojnih primitivnih radio-signala o parametrima rakete, ali sistem je bio nepouzdan, pa je čak i Verner fon Braun jednom izjavio da mu je bilo korisnije da raketu prati dvogledom. Kako SSSR tako i SAD su uskoro zamenili sistem “Messina” mnogo savršenijom opremom, zasnovanom na impulsno-pozicionoj modulaciji.
Kod prvih sovjetskih telemetrijskih sistema (raketnih i kosmičkih), razrađivanjih krajem svetskog rata, korišćena je kako impulsno-poziciona modulacija (npr. telemetrijski sistem “Трал-T”, proizveden u biroima Moskovskog institutu za energetiju za sonde „Луна“ za istraživanje Meseca) tako i impulsno-širinska modulacija (npr. sistem „RTS-5“ razrađivan u НИИ-885[4]). Vrlo slične sisteme su razvijali i Amerikanci, ali su se ubrzo prebacili na sisteme impulsno-kodiranu modulaciju (npr. u kosmičkim sondama za istraživanje Marsa, „Mariner 4“). Kasniji sovjetski međuplanetni aparati su koristili naprednije radiosisteme, koji su za telemetriju koristili PCM u decimetarskom dijapazonu i PWM u santimetarskom dijapazonu.
Samo još ovo: sećam se da je lov na telemetrijske podatke tokom testiranja sovjetskih raketa bio od životne važnosti za Britance i Amerikance. Radi toga, Ameri su napravili prislušne stanice u Iranu. Na kraju su Sovjeti morali da objave svetu podatke o špijunskim delatnostima SAD u vezi sakupljanja i dešifrovanja informacija sa njihovih raketa. Zauzvrat, Sovjeti su sa bodova u Kardiganskom zalivu prisluškivalitelemetriju sa britanskih raketa.
[1] O uređajima koji su to prvi koristili – sovjetskim kosmičkim kamerama – pisao sam nekoliko godina ranije.
[2] Računar beleži informacije kao nizove jedinica i nula. Bit depth govori sa koliko cifara je neka informacija zabeležena. Recimo, ako kamera koristi dubinu jedan, onda imamo samo jednu cifru da zabeleži koliko je crn neki deo slike. Jedine mogućnosti su 1 i 0, i samo ta dva tona mogu biti predstavljena crno i belo. Ako je dubina 2, onda imamo 4 vrednosti: 00,01,10 i 11, tj. 4 tona. Ako imamo dubinu 8, onda imamo 256 vrednosti, itd. Govorimo o 8-bitnoj dubini, slede 12-bitna (4000 tonova), 14-bitna (16.000), itd, sa sve većim brojem kombinacija.
[3] Recimo, to je broj frejmova kamere svake sekunde: čto ih ima viče, bolja je reprodukcija slike.
[4] Glavni institut za sisteme daljinskog automatskog upravljanja balističkim raketama. Posle rata tu su radili naučnici zarobljeni u Nemačkoj.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
