Перспективы межпланетной синхронизации времени и что будет после GPS

Тема варьирования или замедления времени в космических масштабах кажется настолько фантастической, что даже на Хабре пока разобрана преимущественно в специфическом «релятивистском» ключе – например, применительно к фильму «Интерстеллар». Но соотнесение представлений о пространстве-времени в различных точках постепенно перетекает не только в научную, но и в практическую реальность. Известно, что GPS-навигация – первая широко распространённая технология, в которой принципиальную роль играют релятивистские эффекты (кстати, вот ещё отличный пост из ЖЖ). Поэтому сегодня я хотел бы разобрать, как в настоящее время видится прокладка Интернета на Луну и Марс, и как предполагается координировать GPS-навигацию и передачу данных хотя бы в рамках внутренней части Солнечной системы.    

Хотя наши успехи по развитию пилотируемой космонавтики в начале XXI века можно назвать скромными и даже отрицательными (если считать таковыми свёртывание программ «Буран» и «Спейс-Шаттл»), мы по-прежнему систематически готовимся к освоению ближнего космоса. Например, согласно открытым источникам, NASA собирается оборудовать лунную базу к 2028 году. Если такая колония действительно будет устроена и обжита, то станет полигоном для подготовки к колонизации Марса (здесь опустим различия между Луной и Марсом – достаточно сходств, то есть, наличия реголита и запасов воды как на Марсе, так и на Луне). В герметичных отсеках лунных баз придётся учиться выращивать зелень, утилизировать отходы, а также наладить счёт времени.

Проблема со счётом времени на первый взгляд кажется тривиальной или уже решённой. На МКС действует всемирное координированное время, практически аналогичное гринвичскому (UTC + 0). «Сутки» для космонавтов на МКС «длятся» 24 часа, поэтому им удаётся координировать с наземным ЦУПом как работу, так и выходы на связь. Но такой временной режим полностью нарушает циркадные ритмы космонавтов, так как МКС совершает один оборот вокруг Земли за 90 минут, поэтому за 24-часовые земные сутки экипаж наблюдает 16 восходов и 16 закатов. Несмотря на изнурительность такого режима, космонавт, во-первых, человек подготовленный, а во-вторых — он всё равно планирует вернуться на Землю и далее жить по земному времени. Но колонист-поселенец, собирающийся провести за пределами Земли всю или почти всю жизнь, разумеется, не сможет ориентироваться на земные и суточные ритмы.    

Рассмотрим это несоответствие на примере Марса. Например, сутки на Земле длятся примерно 23 часа 56 минут, а на Марсе – 24 часа 40 минут. Но орбита Марса практически вдвое больше земной – Марс делает один оборот вокруг Солнца за 687 земных суток, а на самом Марсе за это время успевает пройти 668 марсианских суток. Марсианские сутки уже получили название «сол», подробнее об этой концепции рассказано здесь.

Уже ведутся разработки марсианского календаря, не зависящего от земного, но берущего за отправную точку именно земную (домарсианскую) историю человечества. Для марсианского календаря предполагается подобрать нулевую дату, как для отсчёта Unix-времени, где нулевой датой является полночь 1 марта 1970 года. Такой же нулевой день существует и в юлианском календаре: за «день 0» там берётся 1 января 4713 года до н.э, что позволяет рассчитывать промежутки времени (например, срок годности товара) с точностью до секунд. Вот программа, позволяющая вычислить точную юлианскую дату в Excel:

Sub Date_JDate()
    Dim dayy As Long, monthh As Long, yearr As Long, a As Long, y As Long, m As Long, jdate As Long
    Dim weekd
    weekd = Array("Понедельник", "Вторник", "Среда", "Четверг", "Пятница", "Суббота", "Воскресенье")
    dayy = Cells(1, 1)
    monthh = Cells(1, 2)
    yearr = Cells(1, 3)
    a = Int((14 - monthh) / 12)
    y = yearr + 4800 - a
    m = monthh + 12 * a - 3
    jdate = dayy + Int((153 * m + 2) / 5) + Int(365 * y) + Int(y / 4) - Int(y / 100) + Int(y / 400) - 32045
    Cells(2, 1) = jdate
    Cells(3, 1) = weekd(jdate Mod 7)
    End Sub

Задать таким образом точку отсчета для марсианского календаря (выбрать нулевую дату) даже проще. В таком качестве подойдёт 7 января 1610 года, когда Галилей впервые рассматривал Марс в телескоп, либо, например, 27 ноября 1971 года – дата успешной посадки аппарата «Марс-2» на поверхности Красной планеты.    

Значительно сложнее было бы экстраполировать на Марс концепцию месяцев. Луна совершает оборот вокруг Земли за 27 дней и при этом обладает ярко выраженными фазами. У Марса два спутника – Фобос и Деймос. Они маленькие, и оба они не подходят на замену Луны для «отсчёта месяцев». Фобос облетает Марс трижды в день, а Деймос совершает оборот вокруг Марса за 30 часов. Уже в начале нынешнего века Томас Генгейл предлагал марсианский календарь, состоящий из 24 месяцев по 27-28 солов в каждом. Каждый месяц состоит из четырёх семидневных недель. В качестве названий месяцев используются латинские и санскритские наименования зодиакальных созвездий:

Пример с марсианским календарём я привёл здесь в качестве иллюстрации, что даже в бытовом плане жить на других планетах по земному календарю практически невозможно. Далее поговорим о гораздо более точном времени – а именно, о сложностях прокладки и эксплуатации межпланетного Интернета. С технической точки зрения он, вероятно, будет подобен спутниковому, но с хронометражем должны возникнуть тяжёлые проблемы.

Межпланетный Интернет

В начале 1960-х у истоков Интернета стоял Джозеф Карл Робнетт Ликлайдер (1915-1990), в 1962 году возглавивший IPTO (Information Processing Techniques Office, «Офис методов обработки информации»). Именно Ликлайдер сформулировал и изобрёл разделение времени и вычислительную сеть. В апреле 1963 года в серии писем коллегам он также впервые описал прообраз Интернета, который назвал «межгалактической сетью» (Intergalactic Network). На Хабре уже есть отличная статья об исканиях и достижениях Ликлайдера, но здесь я упомянул его, чтобы подчеркнуть: с самого зарождения Интернет понимался некоторыми не как «супертелеграф», а как сеть для обмена информацией именно в космических масштабах.

Таким образом, межпланетная связь осуществляется в экстремально распределённой системе, и обмен информацией в ней происходит по специальному протоколу, который не требуется (избыточен) для связи в масштабах Земли. Рассмотрим работу со временем в подобной распределённой системе, а также поговорим о протоколе для межпланетного обмена информацией.

Распределённая сеть – удобная модель для орбитальной и межпланетной коммуникации, так как космические корабли, спутники и космические станции являются узлами такой сети, а её изменяющаяся топология постоянно сказывается на качестве и скорости связи. Более того, с повышением требований к точности и долговечности космических аппаратов, также увеличиваются рабочие скорости и частоты, а при проектировании систем требуется всё внимательнее учитывать релятивистские эффекты. Такой учёт и приёмы корректировки навигационных показателей уже достаточно изучены при применении GPS, но для связи с марсианскими и лунными колониями потребовались бы принципиально более надёжные и дальнодействующие стандарты.

В технологии GPS удаётся обойти некоторые ограничения общей теории относительности, пренебрегая гравитацией в условиях движения и движением в условиях сильной гравитации. В таком случае специальная теория относительности в сочетании с принципом эквивалентности позволяют строить замкнутые аналитические модели, применимые при проектировании систем связи – например, при моделировании релятивистской тактовой частоты и для синхронизации времени в присутствии гравитационных эффектов. Скорость и ускорение увязываются с не зависящим от системы координат истинным «аппаратным временем», благодаря чему GPS-навигация исправно работает на всём пространстве от нижней околоземной орбиты и до поверхности Земли.

В настоящее время флот GPS-спутников, также именуемый «созвездием» (GPS constellation) состоит из 31 аппарата, и у всех этих спутников сигнал направлен к Земле. Соответственно, если вы находитесь ниже их орбит и располагаете приёмником для считывания GPS-сигнала, то можете определить, где находитесь. Поэтому GPS-приёмники работают и на самолётах, и на низкой околоземной орбите. Но для ориентирования при полётах на Луну или Марс они непригодны, равно как и для навигации дальних космических экспедиций, например, «Новых горизонтов». Курс таких аппаратов координируется с Земли благодаря радиоимпульсам, направляемым к аппарату и отражающимся от него.  Современная GPS приспособлена только для нисходящей, а не для восходящей связи, но именно она, вероятно, станет основой для систем межпланетного позиционирования, о чём будет сказано ниже в этой статье.

Уже к началу XXI века было очевидно, что для передачи информации и синхронизации времени на межпланетных расстояниях потребуется разработка специальных протоколов и стандартов связи. Ниже мы кратко обсудим эти технологии, но сначала давайте уточним, почему (несмотря на амбициозные планы Ликлайдера) Интернет до сих пор практически не выходит за пределы Земли.

Лаг

Во-первых, придётся иметь дело с огромным запаздыванием при передаче данных. По галактическим и даже межпланетным меркам те расстояния, на которых работает земной Интернет, весьма невелики. Сигнал передаётся со скоростью света, соответственно, путь между Лондоном и Мельбурном преодолевается примерно за 50 миллисекунд. Однако при обмене сигналами между Землёй и Марсом (кстати, придётся учитывать в динамике взаимное положение планет) путь того же сигнала может занять от трёх до двадцати двух минут.

Если мы принимаем пакет данных от марсохода, то такая задержка вполне приемлемая, но мгновенными сообщениями с такой задержкой не пообмениваешься и телеметрию не передашь. На самом деле, современный Интернет, где информация транслируется по TCP-каналам, при таких задержках просто не станет работать. Кроме того, традиционная «спутниковая» передача данных будет постоянно страдать из-за того, что на пути сигнала могут оказываться посторонние небесные тела, а также просто под действием солнечных помех. В долгосрочной перспективе эта проблема могла бы решаться установкой ретрансляторов в точках Лагранжа, либо при помощи триангуляции, но даже при таких оговорках налицо огромные сложности, для устранения которых требуется разработать специальный протокол связи.

Часы

Большинство современных межпланетных миссий работают по земному времени – при очередном сеансе связи с Землёй аппарат синхронизирует часы. Если регулярная связь с Землей окажется невозможна, то потребуется другой вариант синхронизации часов.

В настоящее время координация космических часов с Земли осуществляется через сеть дальней космической связи, три основных антенны которой расположены в Калифорнии, Испании и Австралии. Так обеспечивается покрытие всего ближнего космоса:

Сеть работает с 1977 года, входящие в её состав радиотелескопы устаревают и теряют финансирование. Наилучшим средством, которое позволило бы постепенно её заменить, был бы межпланетный Интернет. Если бы удалось установить в точках Лагранжа средства для синхронизации времени, то и создание такого сегмента Интернета значительно бы ускорилось.

Среди основоположников Интернета наряду с Ликлайдером был и Уинтон Сёрф, в настоящее время работающий «главным евангелистом Интернета» в Google. Также Сёрф сотрудничал с NASA и занимался разработкой сетей, устойчивых к задержкам и пригодных для телекоммуникации «ЦУП-космический аппарат». Сёрф стремился обеспечить именно интерактивную связь, но одним из первых успешных опытов с предложенным им протоколом был следующий: удалось передать десятки картинок с корабля Epoxi и обратно на этот корабль, который тогда направлялся к комете Темпеля и находился на расстоянии более 30 миллионов километров от Земли.

Впоследствии протокол Сёрфа применялся для управления роботележкой, собранной на основе кубиков Lego и расположенной в немецком Дармштадте. Пульт от тележки был в руках у Суниты Уильямс, которая на тот момент работала на МКС. Технически то же самое осуществимо с любого небесного тела в ближнем космосе. Около десяти лет назад протокол Сёрфа уже опробован с передачей информации при помощи лазера – например, в сентябре 2013 года NASA тестировало оптическую передачу данных в космосе, дистанционно управляя окололунным модулем LADEE. Скорость передачи данных при этом была около 30 кбит/сек, что вполне сравнимо с модемом середины 90-х.

Протоколы IPIN и Proximity-1

Протокол IPIN (Interplanetary Internet) был разработан в 2001-2003 годах специально для межпланетной передачи данных и работы в ближнем космосе. Предполагается, что его работу будет обеспечивать флот станций на околоземной орбите и рой станций на околомарсианской орбите, связанных радиоканалами или оптическими каналами передачи данных. В основу IPIN положен модифицированный протокол сетевого времени (NTP), широко используемый для синхронизации компьютеров на Земле и уже опробованный для взаимодействия с аппаратами на низкой околоземной орбите. Вместе с IPIN используется и разрабатывается Proximity-1 – протокол для управления марсоходами. В настоящее время именно Proximity-1 считается более перспективной разработкой, так как в работе IPIN были выявлены следующие проблемы:

• непозволительно долгие и при этом варьирующиеся задержки при распространении сигнала

• асимметричные возможности при прямой и обратной передаче данных

• высокий процент ошибок при передаче информации на радиочастотах

• ненадёжная прерывистая связь на канальном уровне

• отсутствие стационарной телекоммуникационной инфраструктуры

• зависимость силы сигнала от расстояния и взаимного расположения и удалённости планет; учесть эти факторы при проектировании протокола оказалось очень сложно

• мощность, масса и ограничения по стоимости телекоммуникационного оборудования, выводимого в космос

• обратная совместимость с наземной аппаратурой

Тем не менее, IPIN оказался вполне работоспособен и активно использовался с 2003 по 2011 год при исследовании Марса, Венеры, комет, а также в экспедиции «Новые горизонты».  С 2011 года основные усилия в этой области направлены на развитие протокола Proximity-1. Разработкой этого протокола занимается CCSDS (Консультативный комитет по космическим системам передачи данных). Основная задача – обеспечить связь на небольших расстояниях между посадочными модулями, зондами и орбитальными ретрансляторами. Для реализации уровня передачи данных (DLL) с использованием такого протокола требуется два аппарата, поддерживающих такой протокол, и один бортовой компьютер (OBC) для их координации. В настоящее время протокол работает на платформе FPGA и может передавать данные в полнодуплексном режиме.  

Протокол Proximity – двухуровневый, состоит из уровня передачи данных и физического уровня. В настоящее время он обеспечивает устойчивую связь и несущественные задержки при передаче данных на расстояние до 400 000 км (и далее через ретранслятор). Для синхронизации и распределения времени он использует специальный протокол PITS (Proximity-1 Space Link Interleaving Time Synchronization). Протокол PITS в рамках этой статьи интересен сам по себе, так как может обслуживать синхронизацию времени на множестве движущихся объектов и гарантирует при этом минимальные задержки, то есть, снижает зависимость от наземного ЦУП. Более того, PITS может превращать аппарат как в сервер времени (например, в таком качестве выступает орбитальный аппарат, или корабль-матка, или, например, зонд, установленный на Фобосе или одном из спутников Юпитера), так и в клиент времени – такая функция может быть предусмотрена в марсианском ровере.

По Proximity-1 можно считывать данные, а также передавать данные на космическое устройство в виде потока битов и прикреплять к входящим и исходящим сообщениям метаданные, например, ID того аппарата, с которым идёт связь. Высокая надёжность Proximity-1 обеспечивается благодаря тому, что он работает не непрерывно, а короткими сеансами, устанавливаемыми при наиболее удобном взаимном расположении объектов. Физический уровень преобразует поток последовательных битов в физический сигнал, который можно улавливать антенной (приёмником). 

Именно Proximity-1 в комбинации с PITS подсказывает, что межпланетный Интернет можно организовать, окружая исследуемое небесное тело роем GPS-спутников, а координировать их по PITS-подобному протоколу. Для надёжной автономной работы такой системы нужен надёжный источник точного времени, на роль которого вполне подходят атомные часы.

Атомные часы и межпланетная GPS

Атомные часы, изобретённые ещё в 1949 году (современный вариант, основанный на распаде цезия-133, существует с 1955 года), исключительно точны и отстают примерно на 1 секунду за 10 миллионов лет. Именно поэтому такие часы, однажды откалиброванные на Земле, больше никогда не потребуется сверять с ЦУПом и «подводить стрелки». На Хабре есть исчерпывающая и очень интересная статья (+260) об устройстве атомных часов, и вот как они могут использоваться при организации межпланетного и даже межгалактического GPS:  

На этой иллюстрации с сайта Лаборатории Реактивного Движения (JPL) объяснено как работа спутников координируется при помощи атомных часов для глубокого космоса (Deep Space Atomic Clock). Эти часы, разработанные в NASA под руководством Эрика Бёрта, описаны в статье из журнала «Nature» в июне 2021 года. В 2019 году такие часы были выведены в космос и показали абсолютно стабильную работу в течение 23 дней. По мысли Бёрта и его коллег, такие часы следует устанавливать на орбитальном корабле, который бы оперативно координировал посадку спускаемых аппаратов на другие планеты. Часы Бёрта нечувствительны к космическому излучению и перепадам температуры, а при посадке роботизированных или пилотируемых экспедиций именно «локальный» GPS позволил бы справиться со сложными атмосферными условиями и не промахнуться мимо выбранной посадочной площадки. В настоящее время разрабатывается улучшенная модель таких атомных часов (Deep Space Atomic Clock 2). Эти часы планируется установить на корабле VERITAS, который отправится на Венеру, составит полную топографическую карту планеты и совершит посадку. Бёрт считает, что в дальнейшем нужно будет проверить, насколько долго и стабильно проработают атомные часы после посадки, так как именно такой метод «засевания» новых планет атомными часами в будущем позволил бы использовать их в качестве маячков при высадке на Луну или планеты и при обустройстве колоний.

Навигация и точное время в галактических масштабах

Обустроить GPS по вышеописанному принципу возможно в рамках планетной системы, но при путешествиях из одной звёздной            системы в другую или при пересечении Галактики и таких сигналов не хватит – слишком велики расстояния. В качестве источников точного времени на корабле или в новой колонии придётся использовать естественные источники, причём, такие, которые удавалось бы (заранее) фиксировать с Земли. Насколько представляется сегодня, в таком качестве удобнее всего использовать пульсары. Пульсар – это стремительно вращающаяся нейтронная звезда, стабильно испускающая радиоимпульсы с очень точными равными промежутками между ними. Первый пульсар, ныне известный под названием PSR B1919+21, открыла в 1967 году Джоселин Белл (род. 1943), работавшая под научным руководством Энтони Хьюиша. Хьюиш настолько поразился периодичности импульсов, что всерьёз заподозрил в этом объекте радиомаяк инопланетной цивилизации, и предложил назвать этот источник «LGM-1», где «LGM» = Little Green Men, «маленькие зелёные человечки». На самом деле, пульсары имеют абсолютно естественное происхождение и представляют собой остатки сверхновых – вращающиеся сильно намагниченные объекты, распространяющие вокруг себя радиоимпульсы точно как распространяет свет современный вращающийся маячный фонарь.

Есть пульсары, «мигающие» с периодичностью в несколько секунд, но есть и гораздо более «точные». В 1974 году Дж. С. Даунз из Лаборатории Реактивного Движения впервые предположил, что пульсары можно использовать для хронометража, но на тот момент версия осталась на бумаге, так как природа пульсаров ещё оставалась невыясненной, а радиотелескопы были настолько огромными, что установить аналогичное устройство на космическом корабле казалось невозможным.

Есть пульсары, «мигающие» с периодичностью в несколько секунд, но есть и гораздо более «точные». В 1974 году Дж. С. Даунз из Лаборатории Реактивного Движения впервые предположил, что пульсары можно использовать для хронометража, но на тот момент версия осталась на бумаге, так как природа пульсаров ещё оставалась невыясненной, а радиотелескопы были настолько огромными, что установить аналогичное устройство на космическом корабле казалось невозможным.

Постепенно открывались пульсары со всё более кратким периодом. Так, в 1982 году был открыт пульсар с периодом 20 миллисекунд, а в 1983 году было обнаружено, что с такой же точной периодичностью пульсары излучают не только в радиодиапазоне, но и в рентгеновском спектре (следовательно, их сигнал может проникать сквозь плотные газопылевые облака). Такие пульсары превосходят по точности даже атомные часы. В настоящее время в качестве «маяков», хорошо отслеживаемых с Земли, рассматриваются пульсары J0437−4715, J1824−2452A, J1939+2134 и J2124−3358. Часы для межпланетной экспедиции можно было бы откалибровать по пульсару прямо с Земли, а затем установить на корабле такие часы, а также прибор для одновременного ориентирования по радио- и рентгеновским импульсам. Такие приборы существуют уже сегодня и называются XNAV-приёмники. Для ориентирования по сигналам пульсаров не обойтись без поправок на искажения, вызываемые выбросами звёздной плазмы и гравитационными волнами, но технически и математически навигация по пульсарам не сложнее GPS. Первый прибор для навигации по пульсарам, NICER/SEXTANT, был сконструирован в NASA и доставлен на борт МКС в 2017 году. Испытания прошли удачно. Предполагается, что после доработки такая технология позволит довести точность межзвёздного позиционирования до 5 км. 

Заключение

Работая над этой статьёй, я всеми силами сокращал её и так и не смог рассказать только о времени, не рассказывая при этом о пространстве. Описанные технологии позволяют убедиться, что даже на не слишком больших космических расстояниях время и пространство неотделимы. В статье намеренно обойдена тема марсианского «Старлинка», так как пока она слишком спекулятивна, а также не затронута тема потенциально резкого и неконтролируемого изменения времени при падении в глубокий гравитационный колодец. К последней теме я рассчитываю как-нибудь вернуться.