Exploration Deep Space Network คืออะไร เบื้องหลัง การสื่อสารของภารกิจสำรวจอวกาศห้วงลึก
Deep Space Network คืออะไร เบื้องหลัง การสื่อสารของภารกิจสำรวจอวกาศห้วงลึก

Chottiwatt Jittprasong

Deep Space Network คืออะไร เบื้องหลัง การสื่อสารของภารกิจสำรวจอวกาศห้วงลึก

April 2, 2020

ในวันที่ยาน New Horizon บินผ่านดาวพลูโต ข้อมูลมหาศาลได้ถูกอัพโหลดและส่งกลับมายังโลกผ่านคลื่นไมโครเวฟ ด้วยระยะทางห้าพันล้านกิโลเมตร ไกลว่าระยะของสัญญาณ WiFi (AC 2.4 GHz) ที่เราใช้กันอยู่ ณ ปัจจุบันถึง 166 ล้านเท่า พวกเขามีวิธีการอย่างไรในการสื่อสารกับยานอวกาศเหล่านี้

Deep Space Network หรือ DSN คือ Array ของจานรับสัญญาณดาวเทียมขนาดใหญ่ของ NASA ใช้สำหรับสื่อสาร (ฟังสัญญาณ) ระยะไกลกับยานอวกาศที่อยู่ในอวกาศห้วงลึก DSN เป็นหน่วยงานย่อยของ Jet Propulsion Laboratory หรือ JPL สถานีจานรับสัญญานดาวเทียมมีอยู่ 3 แห่งบนโลกแต่ละสถานีดูแลน่านฟ้า 120 องศา ครอบคลุมทั่วโลก ตั้งอยู่ที่สหรัฐ สเปน และออสเตรเลีย

ชุดจานรับสัญญาณ Deep Space Network ณ กรุงแคนเบอราประเทศออสเตรเลีย ที่มา – NASA/JPL

DSN ถูกก่อตั้งในเดือน มกราคม ปี 1958 (Sputnik 1 ถูกปล่อยขึ้นสู่วงโคจรปี 1957) หลังจากที่ JPL ภายใต้สัญญาของกองทัพสหรัฐติดตั้งระบบสถานีติดตามสัญญาณวิทยุแบบพกพา (Portable Radio Tracking Stations) ที่ไนจีเรีย สิงคโปร์ และแคลิฟอร์เนีย ในเดือนมกราคมนั้นเองสหรัฐก็ประสบความสำเร็จในการปล่อยดาวเทียม Explorer 1 ดาวเทียมดวงแรกของสหรัฐ (ปล่อยช้ากว้า Sputnik 1 ประมาณ 3 เดือน)

ซึ่งสถานีติดตามสัญญาณวิทยานี้เองที่ช่วยให้ศูนย์ Mission Control รับสัญญาณ Telemetry และคำนวณวงโคจรของดาวเทียมได้ เดือน ตุลาคม ในปีเดียวกันนั้นเอง NASA ก็ได้ถูกก่อตั้งขึ้นเพื่อรวมโครงการอวกาศต่าง ๆ ที่แต่เดิมแยกกันทำเป็นแต่ละเหล่าทัพ (ทัพบก ทัพเรือ ทัพอากาศ) โดยที่แต่ละเหล่าทัพก็จะมีจรวดเป็นของตัวเองมี Payload เป็นของตัวเอง ซึ่งผลลัพธ์ของการต่างคนต่างทำก็ไม่ค่อยจะดีสักเท่าไหร่ อย่างเช่นจรวด Vanguard TV-3 ของทัพเรือที่ปล่อยเมื่อวันที่ 6 ธันวาคม 1957 หลังจากปล่อยได้เพียง 2 วินาทีก็บึม

Vanguard TV-3 by กองทัพเรือสหรัฐ – ที่มา NASA

NASA จึงเกิดขึ้นมาเพื่อรวมโปรเจคต่าง ๆ เข้าด้วยกันให้เป็นระบบ Centralized โดยมี “พลเรือนที่มีความรู้ความชำนาญ” มาดูแล NASA จึงเป็นหน่วยงานอิสระที่ไม่อยู่ภายใต้อำนาจของรัฐบาลกลางสหรัฐอย่าง เช่น รัฐมนตรี หรือภายใต้อำนาจของกองทัพเพื่อถ่วงดุลอำนาจในการบริหารหน่วยงาน ไม่เหมือนบางประเทศแถวนี้

ซึ่งหลังจาก NASA กำเนิดขึ้น JPL ก็ถูกย้ายจากสังกัดกองทัพบกไป NASA ในวันที่ 3 ธันวาคม 1958 แล้ว NASA ก็ตั้ง Deep Space Network ขึ้นมาเพื่อช่วยในเรื่องของการสื่อสารระยะไกลในอนาคตเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับโครงการสำรวจห้วงอวกาศลึกต่าง ๆ

สถานี Deep Space Communications

สถานี Deep Space Communications ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Deep Space Network มีอยู่สามสถานีครอบคลุมทั่วโลก แต่ละสถานีรับผิดชอบ 120 องศาของน่านฟ้าโลก เมื่อรวมกันจึงได้การครอบคลุมน่านฟ้าทั่วโลกนั่นเอง

แต่ละสถานีจะตั้งอยู่ในพื้นที่โล่ง ๆ ที่มีภูเขาล้อมรอบเพื่อเอาภูเขามาเป็นโล่ช่วยป้องกันสัญญาณรบกวนภายนอก สถานี GDSCC ตั้งอยู่ที่ทะเลทราย Mojave 900 เมตรเหรือระดับน้ำทะเลปานกลาง มีจานรับสัญญาพาราโบลิก (Parabolic Dish Antennas) 5 จาน ตั้งอยู่ที่ GDSCC

ยานทั้งหมดที่ดูแลโดย GDSCC – ที่มา GDSCC/NASA

ทำหน้าที่สื่อสารกับยานอวกาศกว่า 30 ยาน โดยยานอวกาศที่ยิ่งอยู่ไกลก็ต้องยิ่งใช้จานที่ใหญ่ขึ้นเพื่อรับสัญญาณที่เข้มขึ้น โดยจานที่ใหญ่ทึ่สุดใน GDSCC คือจาน 70 เมตร แบบ Cassegrain ซึ่งใช้สำหรับสื่อสารกับยานสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบ เช่น Voyager ที่อยู่ห่างกว่า 21.5 พันล้านกิโลเมตร ส่วนจาน 34 เมตร ส่วนใหญ่ใช้ในการรับสัญญาณจากยานในวงโคจรของโลก

จานดาวเทียมขนาด 70 เมตรที่ GDSCC – ที่มา JPL/NASA

สัญญาณที่ใช้สื่อสารกับยานอยู่ในช่วงคลื่นไมโครเวฟซึ่งมีอยู่ 3 bands ก็คือ S band (2.29 – 2.39 GHz) X band (8.40 – 8.50 GHz) และ Ka band (31.8 – 32.3 GHz) โดยจานดาวเทียมส่วนใหญ่เป็นแบบ Beam waveguide antenna หรือ BWG ไม่ใช่หลักการ Low-noise block downconverter หรือ LNB แบบในจานดาวเทียมที่เราใช้ในจานรับสัญญาณทีวีดาวเทียม

File:Sky lnb.jpg
LNB ที่ใช้ในจานรับสัญญาณทีวี – ที่มา Satbuff (Public Domain)

LNB ก็คือส่วนที่ยื่นออกมาจากจานดาวเทียมตรงตำแหน่งจุดโฟกัสของจานพาราโบลิก กล่าวคือไม่ว่าสัญญาณจะกระทบที่ส่วนไหนของจานรับสัญญาณ มันก็จะสะท้อนมาที่ LNB เพื่อเพิ่ม Signal to Noise Ratio (SNR) ลดสัญญาณรบกวนเพิ่มความเข้มสัญญาณที่รับได้จากยาน

การเติมสารหล่อเย็นฮีเลียมเหลวใน Pre-amplifier ของจุดโฟกัสสัญญาณ – ที่มา JPL/NASA

แต่ที่จานดาวเทียมขนาดใหญ่อย่างที่ใช้ใน DSN ไม่สามารถใช้ LNB ได้ในทางปฎิบัติเพราะว่า Receiver ในจานดาวเทียม DSN เป็น Microwave Beam Receiver ที่มีค่าความไวต่อสัญญาณสูงมาก ๆ (เพราะสัญญาณที่มันรับได้จากยานอวกาศอ่อนมาก) เพราะฉะนั้นมันจะต้องมีระบบหล่อเย็นเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากตัวมันเอง ซึ่งในทางปฎิบัติ ถ้าใช้ LNB แบบปกติมันไม่สามารถทำได้ จริง ๆ ทำได้แต่มันก็จะอารมณ์แบบภาพข้างบน ลำบากวิศวกร

ก็เลยมีการคิดค้น BWG หรือ Beam Waveguide Antenna ขึ้นมา หลักการง่าย ๆ เลยก็คือแทนที่จะเอา LNB ไปแปะตรงจุดโฟกัส เอาแผ่นสะท้อนสัญญาณไปวางแทนแล้วก็เอาแผ่นสะท้อนสัญญาณที่สามารถเคลื่อนไหวได้ไปวางในตัวโครงสร้างของจานเพื่อสะท้อนสัญญาณดังภาพ (จริง ๆ การออกแบบมันยากตรงที่เวลาจานหมุนในแกนไหนก็ตาม ตัวสะท้อนพวกนี้จะต้องยังสะท้อนกันได้) แต่วิศวกร NASA ทำได้ทุกอย่าง แล้วก็ออกมาเป็น BWG สุดท้ายก็จะสะท้อนเข้ากับตัวรับสัญญาณ Microwave ที่ฐาน ทำให้การ Maintenance ตัว Receiver ง่ายขึ้นมาก ๆ ไม่ต้องไปปีนป่ายเสาเหมือนเมื่อก่อน

GDSCC มีจานรับสัญญาณทั้งหมด 6 จาน ปลดประจำการไปแล้วหนึ่งตามลิสต์นี้

  • DSS12 “Echo” จาน 34 เมตร ปลดประจำการเมื่อปี 2012
  • DSS13 “Venus” จาน 34 เมตร พร้อมระบบ BWG
  • DSS14 “Mars” จาน 70 เมตร จานแบบ Cassegraine
  • DSS15 “Uranus” จาน 34 เมตร จานตัวสะท้อนแบบ High-efficiency
  • DSS 24,25,26 “Apollo” จาน 34 เมตร พร้อมระบบ BWG
  • DSS 27,28 “Gemini” จาน 34 เมตร พร้อมระบบ BWG แบบเร็วโคตร ๆ
File:Goldstone Deep Space Communication Complex - GPN-2000-000506.jpg
จาน 34 เมตร แบบ BWG ที่ GDSCC – ที่มา JPL/NASA

ส่วน MDSCC ที่ตั้งอยู่ที่ Madrid, Spain รับผิดชอบน่านฟ้าฝั่งยุโรปซึ่งช่วย European Space Agency (ESA) ในบางภารกิจด้วย อยู่เหนือระดับน้ำทะเลปานกลาง 720 เมตร

จานรับสัญญาณทั้งหมดที่ MDSCC – ที่มา PromoMadrid (CC By-SA 2.0)

MDSCC มีจานรวม ๆ ทั้งหมด 7 จานรับสัญญาณ แต่แบ่งเป็นจานใหญ่ได้ดังนี้

  • DSS61 จาน 34 เมตร
  • DSS54 จาน 34 เมตร พร้อมระบบ BWG
  • DSS63 จาน 70 เมตร รับสัญญาณ S และ X band
  • DSS65 จาน 34 เมตร High-Efficiency Antenna
  • DSS66 จาน 26 เมตร จานสำหรับสื่อสารใกล้โลก
จาน DSS63 ขนาด 70 เมตรที่ MDSCC – ที่มา MDSCC/NASA

สุดท้ายก็สถานี CDSCC ที่ออสเตรเลียนั้นเอง เปิดในปี 1965 และเป็น Complex ที่ใช้ในการติดตาม Apollo Lunar Module ร่วมกับ MDSCC และ GDSCC ดูแลโดย NASA, JPL และ CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) ตั้งอยู่ที่แม่น้ำ Paddys เหนือระดับน้ำทะเล 550 เมตร

https://www.cdscc.nasa.gov/Images/Gallery/aerial1_fs.jpg
ที่ตั้งของ CDSCC – ที่มา CDSCC/NASA

CDSCC มีจานดาวเทียมประจำการอยู่ 5 จาน และพิเศษหน่อยคือมีจาน 64 เมตรอยู่ด้วย จานดาวเทียมของ CDSCC มีดังนี้

  • DSS34 ขนาด 34 เมตร พร้อมระบบ BWG
  • DSS35 ขนาด 34 เมตร Array เดี๋ยวกับ DSS36
  • DSS36 ขนาด 34 เมตร Array เดี๊่ยวกับ DSS35
  • DSS43 ขนาด 70 เมตร เดิมเป็นจาน 64 เมตร แล้วก็ “ขยาย” เป็น 70 เมตร (ใช้คำว่าขยายเพราะว่ามันไม่ได้เปลี่ยน แต่เอาชิ้นส่วนไปแปะเพิ่มแบบงง ๆ)
  • DSS49 ขนาด 64 เมตร เป็นจานแบบรับสัญญาณอย่างเดียว ส่งสัญญาณไม่ได้ *จานอื่นส่งได้หมด
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/CSIRO_ScienceImage_8220_The_Radio_Telescope_at_Parkes.jpg
จาน DSS49 ขนาด 64 เมตร ที่ CDSCC – ที่มา CDSCC/CSIRO

DSN ช่วยอะไรเราในการสำรวจอวกาศ

DSN ช่วย NASA ในการสำรวจอวกาศในหลาย ๆ ด้าน เช่นด้านการสื่อสารกับยานอวกาศทั้งแบบมีมนุษย์บังคับและแบบไม่มีมนุษย์บังคับ DSN ยังมีส่วนช่วยในการสังเกตุการณ์ท้องฟ้าแบบ Very Long Base Line Interferometry อีกด้วยซึ่งเป็นการสังเกตุการณ์แบบใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุหลาย ๆ ตัว ช่วยกันรับสัญญาณเปรียบเสมือนกล้องขนาดใหญ่กล้องเดียว

Thirty Years of Space VLBI | NASA Blueshift
Very Long Base Line Interferometry Array – ที่มา NASA

Deep Space Network ดูแลโดย Deep Space Operations Center (DSOC) หรือ Deep Space Operations Control Center ที่ JPL Pasadena, California โดยก่อนหน้านี้ DSOC ไม่มีที่ประจำต้องย้ายที่ทำงานไปเรื่องเพราะไม่มีตึกเป็นของตัวเอง จนเมื่อปี 1961 NASA สร้างตึก Space Flight Operations Facility (SFOF) ซึ่งเป็น Facility หลักของ DSOC ซึ่ง SFOF รวมทั้ง DSOC เองเป็นหนึ่งใน Facility ที่ยังต้องมีคนไปทำงานแม้จะมีการ Lockdown Stage 3 หรือ 4 ก็ตามในสถานการณ์ COVID-19 ระบาด

Space Flight Operations Center – ที่มา JPL/NASA

DSN ยังมีส่วนช่วยในโครงการ Apollo ด้วยเช่นกัน แต่โดยปกติแล้วการสื่อสารกับ Command module จะผ่าน Manned Space Flight Network หรือ MSFN (อ่านว่า MISFIN มิสฟิน) ซึ่ง MSFN ก็ได้ต้นแบบมาจาก DSN แต่ MSFN ออกแบบมาให้เป็นแบบ Realtime ให้ได้มากที่สุด ส่วน DSN เป็นระบบสำรองในกรณีที่ MSFN ล่ม

ซึ่งจริง ๆ ใน Apollo 11 MSFN ก็เคยล่มระหว่างที่ LM กำลังเข้า Sun check process ซึ่ง Sun check ในที่นี้ก็คือระหว่างที่พระอาทิตย์ขึ้นซึ่งทำให้เกิดสัญญาณรบกวน ซึ่งในส่วนนี้ DSN ทำหน้าที่แทน MSFN ที่ล่ม ส่วนระหว่าง Powered descent และการลงจอดของยาน LM ต้องใช้ทั้งจานดาวเทียมของ DSN และ MSFN (รวม ๆ ก็เหมือนเอาจานดาวเทียมทั่วโลกมารวมกัน) เพื่อรับสัญญาณจากยานลงจอดที่มีสัญญาณอ่อนมาก ๆ

จานดาวเทียมทั้งหมดของ DSN ควบคุมด้วยรีโมทแบบ Centralized ที่ Signal Processing Center ในแต่ละสถานีและส่งไปที่ JPL อีกที ซึ่ง Infrastructure แบบนี้ทำให้ในแต่ละสถานีไม่ต้องมีคนประจำอยู่ก็ได้ ซึ่งเป็นประโยชน์มากในสถานการณ์ COVID-19 ระบาด แต่ก็ยังต้องมีคนที่ Space Flight Operation Center (SFOC)

https://deepspace.jpl.nasa.gov/assets/images/about/about_imgrr.jpg
ยาน Voyager กับสัญญาณที่อ่อนกว่านาฬิกาดิจิตอลกว่า 20 พันล้านเท่า – ที่มา JPL/NASA

ในแต่ละจานดาวเทียมสามารถรับสัญญาณจากหลาย ๆ ยานพร้อมกันได้เรียกว่า Multiple Spacecraft Per Aperture หรือ MSPA ซึ่งส่วนใหญ่จะถูกใช้ในการสื่อสารกับยานที่อยู่ที่ดาวอังคารเพราะมีหลายยานที่อยู่ใกล้กันมาก ๆ MSPA สามารถรับสัญญาณพร้อมกันได้สูงสุด 4 สัญญาณจากแต่ละยานอวกาศ แต่ MSPA สามารถใช้ได้แค่กับการรับสัญญาณ ใช้กับการส่งไม่ได้ (ไม่งั้นเน่า เช่นเวลาอัพโหลด Code ถ้าใช้ MSPA ยานทุกยานที่อยู่ในระยะมันก็จะดาวน์โหลดโค้ดไปด้วย เละแน่)

เราสามารถเข้าไป Monitor การรับส่งสัญญาณใน Deep Space Network ทั้ง 3 สถานีได้ที่เว็บนี้ Deep Space Network NOW เพื่อดูว่าแต่ละจานดาวเทียมกำลังสื่อสารกับยานอะไรอยู่

DSN Now – ที่มา JPL/NASA

DSN ยังมีส่วนช่วยในการทดลอง Radio Science Experiment คือการทดลองที่ส่งสัญญาณวิทยุไปที่ยาน Juno ซึ่งอยู่ในวงโคจรดาวพฤหัสบดีแล้วส่งกลับ เพื่อทดสอบว่าสนามแม่เหล็กของดาวพฤหสับดีมีผลต่อสัญญาณวิทยุอย่างไร

อนาคตของ DSN

ตอนนี้ DSN ยังไม่มีทั้งแผนในอนาคตและแผนในปัจจุบันเช่นกัน เพราะแต่ละจานดาวเทียมก็มีอายุมากพอสมควรแล้ว และสิ่งที่ NASA จะยังต้องทำก็คือ Backward Compatibility สิ่งที่นักพัฒนาซอฟต์แวร์กลัวมากที่สุด เพราะระบบต่าง ๆ ใน DSN ยังจะต้องรองรับ Legacy system ของยานอวกาศเก่า ๆ อย่างเช่น Voyager ซึ่งจริง ๆ หมดอายุขัยไปนานแล้ว (หมายความว่าแบตมันควรตายไปได้นานแล้ว แต่มันไม่ตาย ฮ่า)

เพราะฉะนั้นไม่ว่าจะทั้งด้าน Software หรือ Hardware NASA จะยังต้องทำให้มันเข้ากับระบบเก่า ๆ ได้ ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่าย หากไม่ทำอย่างนี้ NASA อาจจะต้องทำ Network อันใหม่ขึ้นมาเพื่อระบบใหม่โดยเฉพาะเพราะการเปลี่ยน Hardware อย่างเปลี่ยนจาน 70 เมตร ก็ไม่ใช่เรื่องง่ายเพราะมันหนักราว ๆ 2.9 ล้านกิโลกรัมได้ หรือประมาณ 2,900 ตัน แถมใหญ่อีกต่างหาก ทำให้การจะเปลี่ยนระบบ DSN ไม่ใช่เรื่องง่าย

สุดท้ายนี้ก็ต้องมารอดูกันว่า NASA จะทำยังไงกับระบบ Deep Space Network ต่อไป จะรื้อระบบ จะสร้างระบบใหม่ขึ้นมา หรือจะใช้แบบนี้ต่อไป

รียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Deep Space Network | JPL California Institute of Technology

Goldstone Deep Space Communications Complex | GDSCC

Madrid Deep Space Communications Complex | MDSCC

Canberra Deep Space Communication Complex | CDSCC





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



In Coversation

เรื่องราวน่าสนใจที่กำลังเป็นบทสนทนา