เวลาพูดถึงการสื่อสารกับสถานีอวกาศนานาชาติ ภาพที่หลายคนอาจนึกถึงคือสถานีอวกาศลอยอยู่เหนือโลก แล้วส่งสัญญาณตรงลงมายังจานรับสัญญาณบนพื้น เหมือนเราโทรศัพท์จากตึกสูงลงมาหาเสาสัญญาณข้างล่าง ฟังดูตรงไปตรงมา ไม่มีอะไรซับซ้อน แต่ในโลกจริงของ Orbital Mechanics เรื่องนี้วุ่นวายกว่านั้นมาก เพราะจริง ๆ แล้วสถานีฯ ไม่ได้ลอยนิ่งอยู่เหนือประเทศใดประเทศหนึ่ง แต่มันวิ่งรอบโลกด้วยความเร็วประมาณ 7.66 กิโลเมตรต่อวินาที โคจรรอบโลกหนึ่งรอบในเวลาประมาณ 90 นาที และมองเห็น Ground Station บนพื้นโลกเพียงช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนจะลับขอบฟ้าไป ใครที่เคยเล่นวิทยุสมัครเล่น ติดต่อกับสถานีฯ ก็น่าจะคุ้นเคยกับการต้องค่อย ๆ หันเสาตามสถานีฯ ไปจนรับขอบฟ้า รวมระยะเวลาติดต่อครั้งนึงแค่หลักหนึ่งหรือสองนาทีเท่านั้น แล้วสถานีอวกาศนานาชาติ มีวิธีจัดการกับปัญหานี้อย่างไร เราจะออกแบบระบบการสื่อสารของสถานีอวกาศบนวงโคจร Low Earth Orbit อย่างไร บทความนี้จะมาเล่าให้ฟัง
คำสำคัญของเรื่องนี้คือ AOS และ LOS หรือ Acquisition of Signal และ Loss of Signal พูดแบบง่าย ๆ AOS คือช่วงที่ยานอวกาศโผล่ขึ้นมาอยู่ในมุมที่สถานีภาคพื้นสามารถรับสัญญาณได้ ส่วน LOS คือช่วงที่ยานเคลื่อนเลยขอบฟ้าไปแล้ว สัญญาณจึงหลุดออกจากการมองเห็นของเสาอากาศภาคพื้น สำหรับดาวเทียมขนาดเล็กหรือภารกิจที่ไม่ได้ต้องการคุยกับโลกตลอดเวลา เรื่องนี้อาจไม่ใช่ปัญหาใหญ่ เราก็แค่รอให้ดาวเทียมผ่านเหนือสถานีภาคพื้นครั้งต่อไป แล้วค่อยสั่งงานหรือดาวน์โหลดข้อมูล แต่สำหรับสถานีอวกาศที่มีมนุษย์อาศัยอยู่ มีระบบควบคุมชีวิต มีการทดลองวิทยาศาสตร์ มีการเทียบเวลา มีการส่งวิดีโอ มีเสียงพูดคุยกับ Mission Control และบางครั้งมีสถานการณ์ฉุกเฉิน การคุยกับโลกแบบมา ๆ หาย ๆ ทุกไม่กี่นาทีเป็นอะไรที่ไม่ Practical อย่างรุนแรง
ถ้า NASA เลือกใช้วิธีให้สถานีฯ ยิงสัญญาณตรงลงมายัง Ground Station อย่างเดียว NASA จะต้องสร้างเครือข่ายสถานีภาคพื้นจำนวนมากทั่วโลก ตั้งแต่แผ่นดินใหญ่ เกาะกลางมหาสมุทร ไปจนถึงพื้นที่ห่างไกล เพื่อให้ทุกครั้งที่สถานีฯ วิ่งผ่านจุดใดจุดหนึ่งบนโลก จะมีจานรับสัญญาณคอยรับอยู่พอดี วิธีนี้ไม่ใช่ว่าทำไม่ได้ เพราะยุคแรกของโครงการอวกาศก็ใช้แนวคิดแบบนี้อยู่มาก แต่ปัญหาคือโลกเป็นดาวเคราะห์ที่เต็มไปด้วยมหาสมุทร ภูมิรัฐศาสตร์ งบประมาณ เขตอธิปไตย ข้อจำกัดด้านคลื่นความถี่ และสภาพอากาศ การจะทำให้มีสถานีภาคพื้นครอบคลุมเส้นทางโคจรของยานตลอดเวลาจึงแทบไม่ต่างจากการพยายามวางเสาสัญญาณมือถือกลางทะเลทุก ๆ ไม่กี่ร้อยกิโลเมตรเพื่อคุยกับรถแข่งที่วิ่งรอบโลก
ก็ส่งสัญญาณขึ้นดาวเทียมไปเลย
ทางออกของ NASA จึงไม่ใช่การยิงสัญญาณลงพื้นตรง ๆ เสมอไป แต่เป็นการยิงสัญญาณขึ้นไปหาดาวเทียมอีกดวง แล้วให้ดาวเทียมดวงนั้นยิงกลับลงมายังโลก นี่คือแนวคิดของ Tracking and Data Relay Satellite System หรือ TDRSS (อ่านว่าทีเดรส) ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม Relay ที่กลายเป็นกระดูกสันหลังของการสื่อสารในวงโคจรต่ำของ NASA มานานหลายทศวรรษ
TDRSS ประกอบด้วยดาวเทียม Tracking and Data Relay Satellite หรือ TDRS ที่อยู่ในวงโคจรค้างฟ้า Geosynchronous Orbit สูงจากโลกประมาณ 35,000 กิโลเมตร ดาวเทียมในวงโคจรลักษณะนี้จะมีคาบการโคจรเท่ากับการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้เมื่อมองจากพื้นโลก มันเหมือนลอยอยู่แถว ๆ ตำแหน่งเดิมบนท้องฟ้า จุดสำคัญคือจากความสูงระดับนี้ ดาวเทียม TDRS หนึ่งดวงสามารถมองเห็นพื้นที่กว้างมากของโลกและวงโคจรรอบโลกด้านล่าง เมื่อมีหลายดวงกระจายตำแหน่งกัน มันจึงทำหน้าที่เหมือนหอคอยสื่อสารขนาดยักษ์บนท้องฟ้า ที่ยานในวงโคจรต่ำสามารถยิงสัญญาณขึ้นไปหาได้ แม้ขณะนั้นยานจะไม่ได้อยู่เหนือ Ground Station โดยตรง
สถานีอวกาศนานาชาติฝั่งสหรัฐฯ มีจาน Space-to-Ground Antenna หรือ SGANT สำหรับระบบ Ku-band อยู่ 2 ชุด ติดตั้งบน Z1 Truss โดยทำงานเป็นเส้นทางสื่อสารกับเครือข่าย TDRSS ของ NASA หนึ่งชุดเป็นระบบหลัก อีกชุดเป็น Redundancy เพื่อให้สถานียังสามารถรักษา Ku-band Link สำหรับวิดีโอและข้อมูล Payload ได้ หากระบบหนึ่งขัดข้อง สำหรับ S-band มีระบบสื่อสารแบบ Redundant สองชุด ใช้สำหรับ Command, Telemetry และ Voice ซึ่งเป็นการสื่อสารพื้นฐานและสำคัญต่อความปลอดภัยของสถานี ต่างจาก Ku-band SGANT ที่เป็นจานหมุนได้ ขนาดใหญ่ 2 ชุดสำหรับ High-rate Data และ Video ผ่าน TDRSS
ภาพการทำงานจึงเป็นแบบสองขา Two-Leg Link คือขาที่หนึ่งจากสถานีฯ หรือยานอวกาศในวงโคจรต่ำ ยิงสัญญาณขึ้นไปยัง TDRS จากนั้นขาที่สอง TDRS ส่งสัญญาณกลับลงมายังสถานีภาคพื้นหลัก เช่น White Sands Complex ในรัฐ New Mexico หรือสถานีอื่นในเครือข่ายของ NASA จากนั้นข้อมูลจึงเดินทางผ่านระบบภาคพื้นไปยัง Mission Control, Payload Operation Center หรือศูนย์ควบคุมการทดลองต่าง ๆ ทั่วโลก พูดแบบบ้าน ๆ คือแทนที่จะให้สถานีอวกาศนานาชาติโทรตรงลงพื้นโลกโดยตรงตลอดเวลา NASA ให้สถานีฯ โทรหา “เสาสัญญาณบนฟ้า” ก่อน แล้วเสาสัญญาณบนฟ้าค่อยต่อสายกลับลงพื้นให้
ความฉลาดของ TDRSS ไม่ได้อยู่แค่การเพิ่มระยะครอบคลุม แต่มันเปลี่ยนสถาปัตยกรรมการสื่อสารของอวกาศจากระบบที่ขึ้นกับจุดบนพื้นโลก ไปเป็นระบบที่มีชั้น Relay อยู่ระหว่างยานกับโลก นี่ทำให้ AOS/LOS ที่เคยเป็นข้อจำกัดใหญ่ของ Ground Station ถูกลดความสำคัญลงอย่างมาก จากเดิมที่การสื่อสารต้องลุ้นว่ายานจะผ่านเหนือจานรับสัญญาณเมื่อไหร่ กลายเป็นว่ายานสามารถเห็นดาวเทียม Relay ได้บ่อยกว่าและนานกว่า เมื่อเทียบกับสถานีภาคพื้นเดี่ยว ๆ ผลลัพธ์คือ NASA สามารถควบคุมภารกิจ รับ Telemetry ส่งคำสั่ง และดาวน์โหลดข้อมูลได้ใกล้เคียง Real-time มากขึ้น
นอกจาก TDRSS แล้ว ชาติสมาชิกอื่น ๆ ของสถานีฯ ก็ได้มีระบบเป็นของตัวเองเช่นกัน แม้จะไม่ใหญเท่า TDRSS เช่น ยุโรปมีระบบ European Data Relay System หรือ EDRS เป็นดาวเทียมบน Geosynchronous Orbit เช่นกัน โดยใช้จานชื่อ Columbus Ka-band Antenna ซึ่งติดตั้งอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติฝั่งยุโรป หรือญี่ปุ่นเองเคยมีระบบ Inter-orbit Communication System หรือ ICS เชื่อมกับ Data Relay Test Satellite หรือ DRTS ใช้ชื่อว่า Kodama ของ JAXA แต่ได้ถูกปิดการใช้งานไปตั้งแต่ปี 2017 แล้ว และตอนนี้ญี่ปุ่นก็พึ่งพาระบบโครงสร้างหลักของสถานีฯ ส่วนฝั่งรัสเซียมีระบบที่ชื่อว่า Luch หรือ Satellite Data Relay Network ตัวย่อ SDRN เพื่อใช้สำหรับโมดูลฝั่งรัสเซียเช่นกัน
นอกจากใช้สำหรับสถานีอวกาศนานาชาติแล้ว TDRSS เองยังถูกใช้งานกับยานอวกาศของฝั่งสหรัฐฯ ทั้งยาน Dragon และ Cygnus รวมถึงยานเอกชนอย่าง Starliner ก็ใช้ประโยชน์จากระบบ TDRSS เช่นกัน ในขณะที่มันโคจรอยู่รอบโลก หรือระหว่างเดินทาง ส่วนดาวเทียมหรือยานอวกาศทางวิทยาศาสตร์ของ NASA เช่น กล้อง Hubble ก็ใช้ TDRSS เช่นกัน
แต่ก็ไม่ใช่ว่าไม่มีข้อจำกัด Laser จึงอาจมาแทน
แต่ระบบนี้ก็มีข้อจำกัดของมันเอง TDRSS เป็นโครงสร้างพื้นฐานยุคที่ NASA เป็นเจ้าของและดำเนินการระบบอวกาศขนาดใหญ่ด้วยตัวเอง ดาวเทียม TDRS แต่ละดวงเป็นดาวเทียม ขนาดใหญ่ ราคาแพง อยู่ในวงโคจรสูง และถูกออกแบบมาเพื่อรองรับภารกิจของรัฐบาลเป็นหลัก มันเป็นระบบที่ยอดเยี่ยมมากในยุคของมัน แต่เมื่อโลกอวกาศเปลี่ยนจากยุคที่มีไม่กี่หน่วยงานปล่อยยาน ไปสู่ยุคที่มีดาวเทียมหลายพันดวง สถานีอวกาศเชิงพาณิชย์ ยานขนส่งเอกชน และ Payload จากมหาวิทยาลัยหรือบริษัทขนาดเล็ก คำถามคือ NASA จำเป็นต้องเป็นเจ้าของเสาสัญญาณบนฟ้าเองตลอดไปหรือไม่
นี่คือจุดที่ Laser Communications หรือ Optical Communications เริ่มเข้ามาเปลี่ยนเกม ระบบสื่อสารวิทยุที่ใช้กันมานาน เช่น S-band, Ku-band หรือ Ka-band มีข้อดีคือเชื่อถือได้ ผ่านการใช้งานมาเยอะ และทนต่อความคลาดเคลื่อนในการชี้ลำสัญญาณได้พอสมควร แต่ข้อจำกัดคือ Bandwidth มีเพดาน และคลื่นความถี่เป็นทรัพยากรที่ต้องจัดสรรอย่างระมัดระวัง ยิ่งภารกิจอวกาศผลิตข้อมูลมากขึ้น ตั้งแต่ภาพความละเอียดสูง วิดีโอ 4K ข้อมูลต่าง ๆ ไปจนถึงข้อมูลวิทยาศาสตร์จำนวนมหาศาลจากกล้องโทรทรรศน์และดาวเทียมสำรวจโลก การสื่อสารแบบเดิมจึงเริ่มเหมือนท่อประปาที่ต้องส่งน้ำให้เมืองทั้งเมือง ทั้งที่ขนาดท่อไม่ได้โตทันจำนวนคน
Laser Comm ใช้แสงอินฟราเรดแทนคลื่นวิทยุ จุดเด่นคือสามารถส่งข้อมูลได้มากกว่าในลำแสงที่แคบกว่า คล้ายการเปลี่ยนจากไฟฉายกระจายแสงกว้าง ๆ ไปเป็น Laser Pointer ที่ชี้แม่นยำมาก ข้อดีคือ Data Rate สูงขึ้น และมีโอกาสใช้พลังงานต่อข้อมูลที่ส่งต่ำลง แต่ข้อเสียคือระบบต้องชี้ลำแสงให้แม่นมาก และฝั่งภาคพื้นได้รับผลกระทบจากเมฆ ฝุ่น ความชื้น และบรรยากาศมากกว่าคลื่นวิทยุ ดังนั้น Laser Comm ไม่ได้เป็นเวทมนตร์ที่มาแทนทุกอย่างทันที แต่มันเป็นเครื่องมือใหม่ที่เหมาะกับอนาคตที่อวกาศต้องส่งข้อมูลในปริมาณมากขึ้นเรื่อย ๆ ข่าวใหญ่ที่เราเห็นกันคือ NASA ได้ทดสอบการทำ Laser Communication กับยานแบบ Deep Space อย่าง เจาะลึกการส่งวิดีโอแมวครั้งแรกด้วย Laser Communication กับยานอวกาศ Psyche
ส่วนกับสถานีอวกาศนานาชาติ NASA ได้ทดลองแนวคิดนี้หลายครั้งด้วยกัน ในปี 2014 ได้มีการทดลองกับโครงการ OPALS ศึกษาการส่งสัญญาณด้วย Laser Communication กลับโลก ส่วนปี 2024 ก็ได้มีการทดสอบ Laser Communications Relay Demonstration หรือ LCRD และ ILLUMA-T ซึ่งเป็น Terminal ที่ติดตั้งบน สถานีอวกาศนานาชาติเพื่อสื่อสารด้วย Laser ไปยัง LCRD ในวงโคจรสูง จากนั้นจึง Relay ข้อมูลลงมายังสถานีภาคพื้นแบบ Optical Ground Station การทดลองนี้เหมือนการทดสอบว่าสถานีอวกาศนานชาติหรือยานในวงโคจรต่ำสามารถใช้ระบบ Relay แบบแสงได้จริงหรือไม่ ไม่ใช่แค่ในห้องทดลอง แต่ในสภาพแวดล้อมจริงที่ทุกอย่างเคลื่อนที่เร็วมากและต้องชี้เป้าบนท้องฟ้าอย่างแม่นยำ ที่เราเคยเล่าไปในบทความ NASA เตรียมส่งดาวเทียม LCRD สาธิตเทคโนโลยีการสื่อสารผ่านเลเซอร์แทนวิท อย่างไรก็ตามการทดลองทั้งสอง ถูกทอดทิ้งหลังจากการทดสอบเสร็จสิ้น ทำให้ ณ ตอนนี้ สถานีอวกาศนานาชาติเองก็ยังไม่ได้มีระบบ Laser Communication สำหรับใช้งานจริง
จุดที่น่าสนใจคือ ถ้า TDRSS คือการย้าย Ground Station ขึ้นไปอยู่บนฟ้า Laser Comm คือการเปลี่ยนท่อสื่อสารบนฟ้านั้นให้ใหญ่ขึ้นมาก แต่เมื่อรวมกับ Mega-Constellation อย่าง Starlink ภาพจะเปลี่ยนไปอีกขั้น เพราะ Starlink ไม่ได้เป็นดาวเทียม Relay ไม่กี่ดวงในวงโคจรสูงแบบ TDRS แต่เป็นเครือข่ายดาวเทียมจำนวนมากในวงโคจรต่ำที่สามารถคุยกันเองผ่าน Inter-Satellite Links และเชื่อมต่อกับภาคพื้นในหลายพื้นที่ทั่วโลกได้พร้อมกัน
อนาคตการสื่อสารอาจเปลี่ยนไปใช้ Starlink แทน
สำหรับสถานีอวกาศยุคถัดไป เช่นสถานีอวกาศเอกชนที่จะตามมาหลังสถานีอวกาศนานาชาติ แนวคิดนี้แทบจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ สถานีอวกาศในอนาคตจะไม่ได้เป็นแค่ห้องทดลองของประเทศใดประทเศหนึ่ง แต่จะเป็นพื้นที่ทำงานของบริษัท มหาวิทยาลัย โรงพยาบาล อุตสาหกรรมชีวภาพ การผลิตวัสดุ การถ่ายทำสื่อ และการทดลองที่ต้องการข้อมูลจำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ ถ้าสถานีอวกาศยังต้องใช้ระบบสื่อสารแบบจำกัด หรือพึ่งพา Relay แบบเก่าทั้งหมด มันจะเหมือนพยายามทำ Cloud Computing ผ่าน Dial-up Modem ซึ่งไม่ได้แปลว่าทำไม่ได้ แต่มันขัดกับธรรมชาติของเศรษฐกิจอวกาศยุคใหม่อย่างแรง
Starlink หรือเครือข่ายลักษณะเดียวกันจึงอาจทำให้สถานีอวกาศยุคต่อไปกลายเป็นสิ่งที่ “ออนไลน์” จริง ๆ ไม่ใช่ออนไลน์แบบมีช่วงหลุด มี Schedule มีหน้าต่างสื่อสาร แต่เป็นออนไลน์แบบที่ Payload สามารถส่งข้อมูลลงโลกได้ต่อเนื่อง นักวิทยาศาสตร์สามารถ Monitor การทดลองได้ใกล้ Real-time บริษัทสามารถควบคุมเครื่องมือจากพื้นโลกได้มากขึ้น นักบินอวกาศสามารถสื่อสารกับทีมภาคพื้นหรือครอบครัวได้ดีขึ้น และสถานีอวกาศสามารถทำงานร่วมกับระบบ Cloud, AI และ Autonomous Operations ได้แนบเนียนกว่าเดิม โดยในหลาย ๆ ภารกิจอวกาศเอกชนเราได้เริ่มเห็นการใช้ Starlink กันบ้างแล้ว เช่น ในภารกิจ Polaris Dawn และ Fram2 ตามติดชีวิตลูกเรือ Fram2 กับการโคจรผ่านขั้วโลกครั้งแรก
ผลกระทบที่ใหญ่กว่านั้นคือการลดกำแพงของการทำภารกิจอวกาศ ในอดีต การสื่อสารเป็นหนึ่งในต้นทุนแฝงที่หนักมากของ Space Mission เราไม่ได้แค่ต้องสร้างยาน แต่ต้องคิดว่ามันจะคุยกับโลกอย่างไร ใช้ Ground Station ไหน จองเวลาอย่างไร ส่งข้อมูลได้เท่าไหร่ ถ้าพลาดจะเกิดอะไรขึ้น แต่ถ้าอนาคตมียานที่สามารถเชื่อมต่อกับ Commercial Relay Network ได้เหมือนอุปกรณ์ IoT เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต ภารกิจขนาดเล็กจะมีอิสระมากขึ้น Payload ขนาดเล็กจะไม่ต้องแบกภาระด้าน Infrastructure เท่าเดิม และการทดลองจากประเทศที่ไม่ได้มี Ground Station Network เป็นของตัวเองก็อาจเข้าถึงวงโคจรได้ง่ายขึ้น
แน่นอนว่านี่ไม่ได้แปลว่า Starlink จะมาแทน TDRSS ทันที ระบบของ NASA มี Requirement เรื่อง Reliability, Security, Redundancy และ Certification ที่สูงมาก โดยเฉพาะสำหรับ Human Spaceflight การใช้ Commercial Network กับสถานีอวกาศต้องผ่านการพิสูจน์ว่าเสถียร ปลอดภัย รับมือข้อผิดพลาดได้ นอกจากนี้ Starlink เป็นเครือข่ายเชิงพาณิชย์ของบริษัทเอกชน การนำมาใช้กับภารกิจของรัฐหรือสถานีอวกาศนานาชาติย่อมมีคำถามเรื่องความเป็นอิสระทางยุทธศาสตร์ตามมา
แต่ประวัติศาสตร์ของ TDRSS บอกเราว่า การสื่อสารอวกาศไม่ใช่เรื่องรองจากจรวดหรือยานอวกาศเลย มันคือ Infrastructure ที่กำหนดว่ายานอวกาศทำอะไรได้มากแค่ไหน TDRSS ทำให้ยุคกระสวยอวกาศ กล้อง Hubble และสถานีอวกาศนานาชาติ เป็นไปได้ในระดับปฏิบัติการจริง เพราะมันเปลี่ยนการคุยกับยานจากการรอจังหวะบนพื้นโลกไปเป็นการสร้างเครือข่าย Relay บนฟ้า ส่วน Laser Comm และ Starlink กำลังทำสิ่งเดียวกันในสเกลใหม่ คือเปลี่ยนอวกาศจากพื้นที่ที่ต้อง “ติดต่อกลับโลกเป็นช่วง ๆ” ไปเป็นพื้นที่ที่อาจมี Network อยู่ตลอดเวลา ก็ต้องรอดูว่าอนาคตของการสื่อสารของสถานีอวกาศจะหน้าตาเป็นอย่างไร
ถ้าสนใจเรื่องราวเบื้องหลังสถานีอวกาศนานาชาติ แนะนำให้อ่านบทความ การติดต่อสื่อสาร และจัดการงานกับลูกเรือบนสถานีอวกาศนานาชาติ และบทความ กว่าจะมาเป็นอีเมลฉบับแรกจากอวกาศและการเข้าถึงอินเทอร์เน็ตสำหรับ Human Spaceflight
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
