När NASA:s Mars 2020 Perseverance-rover landade på den röda planeten, byråns Deep Space Network (DSN) var där, gör det möjligt för uppdraget att skicka och ta emot data som hjälpte till att göra evenemanget möjligt. När OSIRIS-REx tog prover av asteroiden Bennu det senaste året, DSN spelade en avgörande roll, inte bara när man skickar kommandosekvensen till sonden, men också i att överföra sina fantastiska bilder tillbaka till jorden.

Nätverket har varit ryggraden i NASA:s rymdkommunikation sedan 1963, stöder 39 uppdrag regelbundet, med mer än 30 NASA-uppdrag under utveckling. Teamet bakom arbetar nu hårt för att öka kapaciteten, göra ett antal förbättringar av nätverket som kommer att hjälpa till att främja framtida rymdutforskning.

Hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory for the Space Communications and Navigation Program, baserad på NASAs högkvarter inom Human Exploration and Operations Mission Directorate, DSN är det som gör det möjligt för uppdrag att spåra, skicka kommandon till, och ta emot vetenskapliga data från avlägsna rymdskepp.

Nätverket består av spårningsantenner över tre komplex jämnt fördelade runt om i världen vid Goldstone-komplexet nära Barstow, Kalifornien; i Madrid, Spanien; och i Canberra, Australien. Förutom att stödja uppdrag, antennerna används regelbundet för att bedriva radiovetenskap – studera planeter, svarta hål, och spåra objekt nära jorden.

"Kapacitet är ett stort tryck, och vårt antennförstärkningsprogram kommer att hjälpa till med det. Detta inkluderar byggandet av två nya antenner, öka vårt antal från 12 till 14, " sa JPL:s Michael Levesque, biträdande direktör för DSN.

Nätverksuppgraderingar

I januari 2021, DSN välkomnade sin 13:e rätt till familjen. Döpt till Deep Space Station 56 (DSS-56), denna nya 34 meter breda (112 fot bred) skålen i Madrid är en "allt-i-ett"-antenn. Tidigare konstruerade antenner är begränsade i de frekvensband de kan ta emot och sända, begränsar dem ofta till att kommunicera med specifika rymdfarkoster. DSS-56 var den första som använde DSN:s hela utbud av kommunikationsfrekvenser så fort den gick online och kan kommunicera med alla uppdrag som DSN stöder.

Strax efter att ha lagt DSS-56 online, DSN-teamet slutförde 11 månader av kritiska uppgraderingar till Deep Space Station 43 (DSS-43), den massiva 70-meters (230 fot) antennen i Canberra. DSS-43 är den enda maträtten på södra halvklotet med en sändare som är tillräckligt kraftfull, och som sänder rätt frekvens, att skicka kommandon till det avlägsna Voyager 2-rymdskeppet, som nu befinner sig i det interstellära rymden. Med ombyggda sändare och uppgraderad utrustning, DSS-43 kommer att tjäna nätverket i decennier framöver.

"Uppdateringen av DSS-43 var en stor prestation, och vi är på väg att ta hand om de kommande två 70-metersantennerna i Goldstone och Madrid. Och vi har fortsatt att leverera nya antenner för att möta den växande efterfrågan – allt under COVID-19, " sa JPL:s Brad Arnold, chef för DSN.

Förbättringarna är en del av ett projekt för att möta inte bara den ökade efterfrågan, men också förändrade uppdragsbehov.

Uppdrag genererar allt mer data än tidigare. Datahastigheten från rymdfarkoster har ökat med mer än 10 gånger sedan de första månuppdragen på 1960-talet. När NASA ser på att skicka människor till Mars, detta behov av högre datavolymer kommer bara att öka ytterligare.

Optisk kommunikation är ett verktyg som kan hjälpa till att möta denna efterfrågan på högre datavolymer genom att använda lasrar för att möjliggöra kommunikation med högre bandbredd. Under de närmaste åren, NASA har flera uppdrag planerade för att demonstrera laserkommunikation som kommer att förbättra byråns förmåga att utforska längre ut i rymden.

Nya tillvägagångssätt

Nätverket fokuserar också på nya tillvägagångssätt för hur det går till i sitt arbete. Till exempel, under större delen av DSN:s historia, varje komplex drevs lokalt. Nu, med ett protokoll som heter "Följ solen, "varje komplex turas om att köra hela nätverket under sitt dagskifte och sedan lämnar kontrollen till nästa komplex i slutet av dagen i den regionen - i huvudsak, ett globalt stafettlopp som äger rum var 24:e timme.

De resulterande kostnadsbesparingarna har matats in i antennförbättringar, och insatsen har också stärkt det internationella samarbetet mellan komplexen. "Varje webbplats fungerar med de andra webbplatserna, inte bara under överlämningsperioder, men också på underhåll och hur antenner presterar en viss dag. Vi har verkligen förvandlats till ett globalt fungerande nätverk, sa Levesque.

Nätverket har också implementerat nya metoder för att hantera rymdkommunikation. Till exempel, förr, om flera rymdfarkoster som kretsar runt Mars behövde servas samtidigt, nätverket skulle behöva rikta en antenn per rymdfarkost mot Mars, potentiellt använda alla antenner vid ett givet komplex. Med ett nytt protokoll, DSN kan ta emot flera signaler från en enda antenn och dela upp dem i digitalmottagaren. "Vi anpassade detta från kommersiella telekommunikationsimplementeringar till förmån för vår nätverkseffektivitet, sa Arnold.

Ytterligare ett nytt protokoll tillåter operatörer att övervaka flera aktiviteter samtidigt. Traditionellt, varje rymdfarkostaktivitet hade en enda dedikerad operatör. Nu, DSN använder ett tillvägagångssätt som utnyttjar automatisering för att tillåta varje operatör att övervaka flera rymdfarkostlänkar samtidigt. För första gången, DSN kan nu helt automatisera sekvenseringen och exekveringen av spårningspass, och ansträngningen kommer att fortsätta att förbättras med tiden.

"Framtiden för DSN kommer att följa andan och drivkraften hos vetenskapsuppdrag som flyger där ute. Det är vårt ansvar att möjliggöra dem. Och vi gör det genom kommunikation, sa Arnold.