การสำรวจดวงจันทร์กำลังจะกลับมาเป็นที่นิยมอย่างมาก เนื่องจากโครงการ Atemis ของ NASA ซึ่งเราจะได้เห็นยานอวกาศจำนวนมากเดินทางไปลงจอดบนดวงจันทร์ ทั้งเอกชน และรัฐบาล และบริษัทเอกชนก็ต่างซื้อขายพื้นที่บนยานอวกาศ เพื่อติดตั้ง Payload การทดลอง หรือแม้กระทั่งส่งหุ่นยนต์สำรวจหรือ Rover เดินทางไป
การเติบโตของตลาดการส่ง Payload ไปยังดวงจันทร์ ยังช่วยเปิดโอกาสให้คนธรรมดาทั่ว ๆ ไปอย่างเรา ๆ ภาคธุรกิจ หรือนักเรียนนักศึกษา มีโอกาส่ง Payload ไปดวงจันทร์มากขึ้น และข้อจำกัดหลาย ๆ อย่างก็ได้ถูกทำลายลงไป ในบทความนี้เราจะมาพูดถึงเรื่องการทลายข้อจำกัดด้านการสื่อสารกับยานอวกาศ
หนึ่งในเทคโนโลยีที่ถูกนำมาใช้นั้น ก็คือ WiFi นั่นเอง โดยในคู่มือยานอวกาศ Peregrine ของบริษัท Astrobotic นั้น ได้ระบุว่า จะมีการปล่อยสัญญาณ WiFi ออกมาให้ Payload ที่เรียกว่า Deployable Payload หรือ Payload ที่จะออกไปนอกตัวยาน หรือ Rover ต่าง ๆ ได้ใช้ ซึ่งจะทำให้ Peregrine กลายเป็น Lunar Lander ตัวแรกที่นำเอา WiFi มาใช้
ในขณะที่ภารกิจทดสอบ Artemis I ในปี 2022 NASA เองก็ได้นำเอา WiFi มาใช้ในยานอวกาศ Orion ด้วย ซึ่งภาพจากกล้อง Go Pro ที่เราเห็นกันในภารกิจ อันนั้นแหละวิ่งผ่าน WiFi ยิ่งตอกย้ำความสำคัญของ WiFi ในโครงการ Artemis
ก่อนอื่น อยากย้ำอีกรอบว่า WiFi ในกรณีนี้เราไม่ได้พูดถึงอินเทอร์เน็ต แต่กำลังพูดถึงตัวเทคโนโลยี WiFi ที่เป็นการนำเอาคลื่นวิทยุ 2.4 GHz มาใช้ส่งสัญญาณ และการออกแบบโครงสร้างของข้อมูลตามมาตรฐาน WiFi และ Peregrine เองก็จะยังติดต่อสื่อสารกับโลกผ่านคลื่น Microwave อยู่ ดังนั้น ใครอ่านแต่หัวข้อก็ช่างมัน และต้องบอกไว้ด้วยว่า บทความนี้จะเน้นไปที่การพูดถึงเทคโนโลยีที่เราคุ้นชินกันบนโลกกันเป็นหลักก่อน ถ้าใครสนใจพวก Protocal ที่เป็น Space เราจะเอามาเล่าอีกทีนึง
Protocol และ Physical Hardware ในงานอวกาศ
ในการสำรวจอวกาศ แน่นอนว่าในการติดต่อกับยานอวกาศจำเป็นต้องใช้การสื่อสารแบบไร้สาย เพราะเราคงไม่สามารถลากสายจากโลกไปยังดวงจันทร์ หรือดาวอังคารได้ ตัวอย่างหนึ่งในช่องทางการติดต่อสื่อสารที่สำคัญในปัจจุบันได้แก่ระบบ Deep Space Network ของ NASA ซึ่งรับหน้าที่ดูแลโดย Jet Propulsion Laboratory ซึ่งใช้ในการสื่อสารกับยานอวกาศตั้งแต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb ยานอวกาศบนดวงจันทร์ ดาวอังคาร หรือแม้กระทั่งยาน Voyager 1 และ 2 ที่เดินทางออกนอกระบบสุริยะไปแล้ว
โดยระบบ Deep Space Network นั้น จะเป็นการใช้คลื่นความถี่ในย่าน S-band และ X-band ความถี่อยู่ที่ประมาณ 2 ถึง 10 GHz ซึ่งจัดว่าอยู่ในย่านคลื่น Microwave สาเหตุก็เพราะว่าสามารถทะลุทะลวงบรรยากาศของโลกได้ดี เราจะเรียกตรงนี้ว่า Physical Layer หรือ Hardware
อ่าน – Deep Space Network คืออะไร เบื้องหลัง การสื่อสารของภารกิจสำรวจอวกาศห้วงลึก
ในการสื่อสารทุกชนิดจะต้องมี Protocal กลาง ในการใช้ร่วมกัน (ซึ่งจะเป็น Layer ที่ไม่ได้เป็น Hardware แล้ว แต่จะเป็นการออกแบบว่า Bit และ Byte ของข้อมูลจะมีโครงสร้างและการทำงานอย่างไร) และมีหน่วยงานเข้ามากำหนดมาตรฐาน อย่างเช่น WiFi บ้านที่เราใช้กันจะอยู่ภายใต้มาตรฐาน IEEE 802.11 ซึ่งกำหนดโดย Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) นั่นเอง หมายความว่าหากเราซื้ออุปกรณ์ WiFi มา อุปกรณ์ของเราก็จะต้องใช้ได้ทั่วโลก ในมาตรฐานเดียวกัน แต่จะใช้ทำอะไรก็อีกเรื่อง ซึ่งเราจะเรียกปลายฝั่งของการใช้งานว่า Application Layer
การมองการสื่อสารแบบ ฝั่ง Hardware เป็น Physical Layer และอีกด้านเป็น Application Layer นั้นเรียกว่า OSI Model หรือ Open Systems Interconnection ที่ถ้าใครเรียนด้านคอมพิวเตอร์มาก็จะคุ้นชินกับการมองโมเดลแบบนี้ดี
โดย Protocal ที่ Deep Space Network ใช้นั้นจะอยู่ภายใต้มาตรฐาน Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) ซึ่งเป็นมาตรฐานการสื่อสารที่นิยมใช้ในภารกิจการสำรวจอวกาศ สาเหตุที่ต้องมี Standard ก็เพราะว่าเป็นการลดงานและช่วยแชร์ Resource ให้แก่กันได้ โดย CCSDS นอกจากจะกำหนดมาตรฐานแล้ว ก็ยังจะมี Best Practices ให้เราได้ศึกษากันด้วย เช่น การบีบอัดข้อมูล (Data Compression) การป้องกันข้อมูลพัง (Data Corruption) หรือการทำ Checksum, Readback ต่าง ๆ
ในช่วงแรก ๆ ของการสื่อสารในอวกาศ (นึกภาพยุค Apollo) นั้น แต่ละองค์กร จะมี Protocal ขึ้นมาเอง คิดเอง ซึ่งแน่นอนว่ามันจะไม่ได้มีมาตรฐานกลางเท่าไหร่ คุยกับคนอื่นไม่ได้ ฝากเพื่อนไม่ได้ ใช้ Hardware คนอื่นไม่ได้ พอมีหน่วยงานกลางอย่าง CCSDS ทุกอย่างก็ง่ายขึ้น ดังนั้นเราจะเห็นว่า เวลามีปล่อยจรวด หรือควบคุมยานอวกาศ ประเทศนู้นประเทศนี้จะมาทำงานร่วมกันได้มากขึ้น ใช้ Control Center เดียวกัน ใช้จานรับสัญญาณตัวเดียวกัน แม้ว่าตัวยานอวกาศจะมาจากต่างเทคโนโลยีก็ตาม Deep Space Network ปัจจุบันก็ไม่ได้ใช้แค่กับยานสหรัฐฯ หรืออย่างการลงจอดภารกิจ Chandrayaan-3 ( จันทรายาน 3) ของอินเดีย ก็มีการรับสัญญาณทั้งผ่าน DSN และ European Space Operations Centre (ESOC) ของ ESA ด้วย
หน่วยงานอวกาศต่าง ๆ ทั่วโลก ล้วนเป็นสมาชิก CCSDS ไม่ว่าจะเป็น NASA, ESA, JAXA แม้กระทั่งจีน CNSA ก็มีชื่อปรากฎในชาติสมาชิก CCSDS ด้วย นอกจากประเทศสมาชิกแล้วก็จะมีประเทศและองค์กรร่วมสังเกตการณ์ หนึ่งในนั้นก็มีชื่อของ GISTDA ประเทศไทยอยู่ด้วยเช่นกัน
แนวคิดของ CCSDS นั้นค่อนข้างเป็นแนวคิดสมัยใหม่ และได้มีการหยิบยกเอาเทคโนโลยีด้านการสื่อสารปัจจุบันมาใช้ ทั้งในฝั่ง Software และ Hardware ไม่ว่าจะเป็นเทคโนโลยีพวก IP หรือ Internet Protocal มาใช้ ร่วมกับการออกแบบที่ Optimize สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอวกาศ
หากอยากลงรายละเอียดมากกว่านี้ แนะนำให้อ่าน CCSDS Space Link Protocols / CCSDS Overview และ State-of-the-Art of Small Spacecraft Technology (โดยบทความที่สองนอกจาก DSN แล้ว จะมีการพูดถึง NSN หรือ Near-Earth Space Network ด้วย)
โดยที่เราพูดถึงกันมานี้นั้น จะโฟกัสไปที่การควบคุมยานอวกาศจากโลกสู่ยานอวกาศ เช่น จาก Deep Space Network ไปยัง Perseverance บนดาวอังคาร แต่จริง ๆ แล้วยานอวกาศนั้นเราไม่ได้มองว่ามันคือคอมพิวเตอร์ก้อนเดียว แต่เป็นคอมพิวเตอร์หลาย ๆ ก้อนมาประกอบรวมกัน มีระบบ System และ Sub-System ต่าง ๆ ที่ต้องคุยกันในยาน และ Payload เอง ก็ต้องคุยกับคอมพิวเตอร์หลักของยานด้วย
การที่ Payload คุยกับคอมพิวเตอร์บนยาน ในทาง Hardware นั้นก็ไม่ได้ซับซ้อนอะไร เพราะสามารถต่อสายตรง ๆ ได้ เราจะเรียกการเชื่อมต่อว่า Interfaces โดยที่ Interface ก็จะต้องเกิดจากการที่วิศวกรมาคุยกันว่าเราจะใช้อะไรเป็น Interface เช่น LAN มั้ย หรือ USB มั้ย หรืออาจจะเป็น Interface หน้าตาแปลก ๆ ที่เราไม่ได้เจอในชีวิตประจำวันเช่น Mil-Spec Connectors (Military Grade เช่น MIL-STD-1560) ซึ่งคนที่ทำ Payload ก็จะต้องไปหาซื้อมาแล้วก็ต้องทำตามคู่มือ หรือ User Guide ที่ได้รับมา ในทาง Software เราก็ต้องออกแบบ Data การสั่งการให้วิ่งผ่าน Interface นั้นได้ Protocal อะไรทางผู้สร้างยานก็จะเป็นคนกำหนด
เราเคยอธิบายเรื่องแนว ๆ นี้ไปแล้วในบทความ – สถานีอวกาศนานาชาติ ใช้สาย LAN แบบไหน
ทีนี้ Data ก็อาจจะไม่ได้วิ่งตรง ๆ แต่อาจจะถูก Relay ผ่านยานอวกาศอื่น ๆ เช่น Perseverance อาจจะถูก Relay จากยาน Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ที่โคจรอยู่รอบดาวอังคารก็ได้เช่นกัน ยิ่งเป็นตัวย้ำว่ามาตรฐาน Protocal นั้นสำคัญขนาดนั้น ซึ่งเราก็จะนับว่า MRO จะเป็นทั้ง Reciever และ Sender ด้วย
หรือ Perseverance เองก็จะต้องติดต่อกับ Ingenuity เฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็กบนดาวอังคารด้วยเช่นกัน ดังนั้นเราจะพบว่ามันจะมีกิจกรรมการพูดคุยระหว่างอุปกรณ์ตัวนู้นตัวนี้เยอะไปหมด ในฝั่ง Hardware ทั้ง Perseverance ใช้ Physical Layer แบบ Microwave X-band 7-8 GHz (มีทั้ง High-Gain และ Low-Gain Atenna) และมี Backup เป็น VHF (3 GHz) ในการติดต่อกับ DSN โดยตรง หรือ Relay ผ่านยานโคจรลำอื่น ๆ
นอกจากนี้ ยังได้มีการเอา Protocal ZigBee มาใช้ด้วย ในการติดต่อระหว่าง Perseverance และ Ingenuity เนื่องจากมีขนาด Hardware ที่เล็กและประหยัดพลังงาน
ส่วน Layer ที่สูงขึ้นมานั้น ก็จะใช้มาตรฐาน CCSDS นั่นแหละ โดยอาจจะมีบางอย่างเขียนเป็น Custom ขึ้นมาบ้างเฉพาะสำหรับภารกิจ
เคยมีกรณีว่า Ingenuity ขาดการติดต่อกับ Perseverance ด้วยเช่นกัน NASA’s Ingenuity in Contact With Perseverance Rover After Communications Dropout
การใช้มาตรฐาน WiFi ในอวกาศ และบนดวงจันทร์
นี่จึงทำให้เรากลับมาคุยกันต่อเรื่อง WiFi ของกรณียาน Peregrine ซึ่งอย่างที่บอกว่าเป็นการเอา IEEE 802.11 มาใช้เป็นครั้งแรกบนดวงจันทร์ ต้องบอกว่าสิ่งนี้มันเริ่มต้นมาจากการทำงานอวกาศที่ทุกวันนี้เราหา Hardware ง่ายขึ้น เช่น ESP-32, Raspberry-Pi ก็มีการนำมาใช้ในงานอวกาศมากขึ้น ซึ่งพอเป็นแบบนี้มันก็ยิ่งดึงดูดให้คนที่ทำเป็นมาทำงานอวกาศมากขึ้น
ในส่วนของ Software ก็เช่นกัน การเขียนโปรแกรมคุม Payload ก็ไม่ได้ซับซ้อนมาก เขียน Python ก็ได้ แล้วแต่ใครจะถนัด ก็จะติดอยู่ที่เรื่อง Communication นี่แหละที่เป็นปัญหา (ซึ่งไม่รู้ว่าคนอื่นคิดเหมือนเราหรือเปล่า แต่เรารู้สึกว่ามันแอบยาก เพราะต้องคุยกับ Hardware อื่น แม้จะมี Protocal มาให้ แต่ถ้าพังมันก็จะพังเลย) และการทำงาน RF หรือ Radio Frequency ก็ต้องอาศัยทั้งความรู้ความเข้าใจทั้ง Hardware, Software (ดูไล่ตาม OSI Layer ได้เลย) ทำให้ถ้าเกิดว่ามี Protocal หรือ Interface ที่ง่ายขึ้น ก็จะทำให้การทำ Payload บนดวงจันทร์ง่ายขึ้น
และเมื่อพูดถึง Physical Layer ที่มีใช้กันทุกบ้าน ทำไมเราจะไม่นึกถึงมาตรฐาน IEEE 802.11 หรือ WiFi ที่เรารู้จักกันนั่นเอง NASA เองได้มีการทำศึกษาความเป็นไปได้ของการใช้ WiFi ในอวกาศมานานมากแล้ว และบนสถานีอวกาศนานชาติเองก็มีการใช้ WiFi ตั้งแต่ปี 2008 เพื่อใช้งานกับอุปกรณ์ต่าง ๆ บนนั้น จากเดิมที่ใช้แต่การต่อ LAN อย่างเดียว ก็ทำให้นักบินสามารถใช้งานอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น iPad ได้ด้วย (เคยมีคนมาถามใน Quora ว่า บนสถานีอวกาศนานชาติ ใช้ SSID ว่าอะไร ซึ่งนักบินอวกาศ Garrett Reisman ก็มาตอบว่า บอกไม่ได้เป็นความลับ – เอ้า)
สามารถศึกษาเรื่องของการนำ WiFi มาใช้บนสถานีอวกาศนานาชาติได้จาก Into orbit, and beyond: A history of Wi-Fi® in spaceflight
ยานอวกาศ Peregrine นั้น ได้ระบุในคู่มือ User Guide บอกว่า การเชื่อมต่อกับตัวยานของ Deployable Payload จะใช้การเชื่อมต่อผ่าน WiFi 2.4 Ghz ซึ่งตัว Rover IRIS ของ Carnegie Mellon University และ Colmena จากเม็กซิโก ก็จะเชื่อมต่อกับ Peregrine ผ่าน WiFi
เราพยายามหาเอกสารว่าหลังจากการเชื่อมต่อผ่าน WiFi แล้ว Peregrine สื่อสารกับ Rover อย่างไร ผ่าน Protocal อะไร แต่ไม่มีข้อมูลดังกล่าวอยู่บนอินเทอร์เน็ต คาดว่าลูกค้าน่าจะได้ Code Level Support จากวิศวกรของ Astrobotic โดยตรงในการมาช่วยดู
ซึ่งในทาง Hardware นั่นหมายความว่า ถ้าเราทำ Rover หรือทำ Deployable Payload ที่ไม่ได้เชื่อมกับตัวยานผ่านสาย เราก็สามารถไปซื้อการ์ด WiFi มาติดกับคอมพิวเตอร์หลักของ Payload หรือ Rover ได้เลย แล้วก็ใช้งาน WiFI ที่ปล่อยออกมาจาก Lander ได้เลย ไม่ต้องมาปวดหัวกับ RF ในการตั้งเสา หรือใช้ Protocal ที่เราไม่คุ้นชิน ที่เหลือก็ทำตาม Manual ของยานที่เขาให้มา
และแน่นอนว่านอกจาก Peregrine แล้ว ผู้ผลิตยานอวกาศอื่น ๆ ก็ได้นำเอา WiFi มาใช้อีกมากมาย เช่น ยาน Hakuto-R ของ ispace ที่มีการปล่อยสัญญาณ WiFi 2.4 GHz และยังมี 900 MHz LoRa ด้วย (ซึ่งทำงานคล้าย WiFi แต่มีระยะไกลกว่าประหยัดพลังงานกว่า นิยมกับอุปกรณ์พวก IoT) อย่างไรก็ดี Hakuto-R ก็อดเป็นยานอวกาศลำแรกที่ปล่อย WiFi บนผิวดวงจันทร์ เนื่องจากตกกระแทกดวงจันทร์ในปี 2023 ระหว่างร่อนลงจอด (อ่าน – Hakuto-R Manual)
ซึ่งตัวยานจะส่งข้อมูลกลับโลกแบบไหน เราไม่ต้องรู้ก็ได้ เหมือนกับเรา Config WiFi ที่บ้าน ทำ IoT เป็น สั่ง Remote เปิดปิดไฟในบ้านได้ เราก็ไม่จำเป็นต้องรู้ว่าข้อมูลของเราวิ่งผ่านอินเทอร์เน็ตอย่างไร ทำเป็นเฉพาะส่วนที่เราจะใช้ก็พอ แต่ก็ต้องไม่ลืมว่า การทำ Payload, CubeSat และยานอวกาศนั้นไม่เหมือนกัน ขึ้นอยู่กับการออกแบบภารกิจ WiFi อาจจะมีประโยชน์กับ Rover หรือ Deployable Payload ที่มียานแม่คอยปล่อย WiFi ให้ แต่ถ้าสมมติเราทำยานอวกาศขนาดใหญ่ เราก็ต้อง ทำ Hardware ที่เป็น RF และศึกษา Protocal CCSDS Space Link อยู่ดี และต่อให้ตัวยานจะมี WiFi แต่ข้อมูลที่วิ่งระว่างโลก ก็จะเป็น Space Link อยู่ดีเช่นกัน
และเราก็ยังต้องออกแบบ Interface ฝั่งเราด้วยอยู่ดี โดยเฉพาะฝั่ง Application Layer อันนี้แล้วแต่ความถนัดจะใช้ ซึ่งอาจจะเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่มาก ๆ อย่าง REST API หรือ WebSocket ก็ได้ (ซึ่งฮิตมากในช่วง COVID ขนาด JPL ยังใช้ อ่าน – ระบบ Workflow การทำงานกับยาน Perseverance ใหม่ของ JPL ที่ Optimize Memory และมีระบบ Web-based ) ซึ่งก็อาจเสริมความปลอดภัย เช่น บังคับต่อ VPN เป็นต้น
ในขณะที่ยานรุ่นใหม่ ๆ หลายรุ่น ก็ไม่ได้นำเอา WiFi มาใช้ เช่น ยาน Nova-C ของ Intuitive Machines ยังใช้การติดต่อกับ Rover และ Deployable Payload ผ่าน CCSDS Protocal ทั้งหมด (อ้างอิง คู่มือ Nova-C Manual)
ในขณะที่ในระยะยาวก็อาจมีความเป็นไปได้ที่เทคโนโลยี Cellular หรือสัญญาณมือถือ จะถูกนำมาใช้บนดวงจันทร์เช่นเดียวกัน อ่าน – NASA Tests Lunar Communications Network in Lava Field หรืองานวิจัยที่ Nokia ทำร่วมกับ NASA อ่าน – Nokia aims for the Moon with LTE/4G และ 3GPP Mobile Telecommunications Technology
on the Moon
เทคโนโลยีไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่การนำมาใช้คือสิ่งที่จะสร้างความเปลี่ยนแปลง
จากที่กล่าวมาทั้งหมดเราจะเห็น การได้รับอิทธิพลกันระหว่างเทคโนโลยีการสื่อสารบนโลก และในอวกาศ โดยปกติเราจะชอบได้ยินคำว่า WiFi เกิดจากเทคโนโลยีอวกาศ แต่จะพูดแบบนั้นก็ไม่ถูกเพราะว่าอวกาศเองก็ได้ประโยชน์จากเทคโนโลยีที่ถูกพัฒนาสานต่อจากบนโลกเช่นกัน ทั้งในด้าน Software และ Hardware และทั้งคู่ก็ต่างนำมาซึ่งการพัฒนาในด้านของตัวเอง และถ้าเทคโนโลยีไม่ได้ถูกทำให้เข้าถึงได้ ราคาของเทคโนโลยีก็จะไม่ได้ถูกลง
อยากให้ลองนึกภาพว่า สมมติโครงการ Apollo มาช่วยผลักดันเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ เทคโนโลยีการสื่อสารแบบไร้สาย เกิด WiFi เกิด System on Chip (SoC) เกิดภาษาเขียนโปรแกรมสมัยใหม่ เกิด Field-Programmable Gate Array (FPGA) ต่าง ๆ แต่หากเทคโนโลยีไม่ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ไม่ได้ถูกนำมาผสมรวมกับความคิดสร้างสรรค์ เราก็จะไม่ได้เห็นอะไรอย่าง Raspberry Pi หรือ IoT ต่าง ๆ รวมถึง Protocal การสื่อสาร ระบบ Network แบบทุกวันนี้
และสุดท้าย เทคโนโลยีพวกนี้ก็จะกลับไปช่วยเหลืองานอวกาศเช่นกันในที่สุด
กับอีกอย่างที่เราอยากฝากไว้ในบทความนี้ก็คือ ทุกวันนี้หากเราจะทำ Payload ไปดวงจันทร์ ชีวิตเราจะง่ายขึ้นมากเพราะล้วนมีเทคโนโลยีต่าง ๆ ที่เราคุ้นชินกันแล้ว กับการที่เราสามารถเข้าถึงองค์ความรู้ด้านเทคโนโลยีได้ง่ายขึ้น ก็ทำให้เราสามารถที่จะเอาตัวเองเข้ามาพัวพันและทำความเข้าใจเทคโนโนโลยีอวกาสได้ง่ายขึ้นมากด้วยเช่นกัน
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
