Главная Новости Где сейчас «Вояджер-1» и «Вояджер-2»: миссия закрыта

Где сейчас «Вояджер-1» и «Вояджер-2»?

В июльском номере журнала Scientific American опубликован потрясающий обзор космической миссии "Вояджер", где подробно описываются путешествия аппаратов по Солнечной системе, передает Альтернативная наука.

Статья называется "Рекордные космические аппараты "Вояджер" начинают отключать питание".

Где сейчас Вояджер-1 и Вляджер-2

На сегодняшний день они вышли в межзвездное пространство и стали первыми человеческими артефактами, покинувшими Солнечную систему.

Тим Фолджер отмечает, что "Вояджеры 1 и 2" были разработаны до появления микропроцессоров, но их миссия длится уже 44 года, на 40 лет дольше запланированного срока.

Voyager-2. Космический аппарат, покинувший Солнечную систему

Далее в статье приводятся слова Стаматиоса Кримигиса, доктора физики и исследователя космоса, который более полувека проработал в Лаборатории имени Джона Хопкинса.

Кримигис утверждает: "Объем программного обеспечения на этих приборах ничтожно мал. В целом, я думаю, миссия продержалась так долго, потому что почти все было жестко подключено. Современные инженеры не знают, как это сделать. Я не знаю, возможно ли вообще построить такой простой космический аппарат".

Стоп.

Мы просто больше не используем микросхемы TTL или CMOS, потому что это неэффективный и устаревший способ проектирования на уровне платы.

 

Аппаратное обеспечение базируется на FPGA. Мы больше не полагаемся исключительно на схемы при проектировании аппаратуры; VHDL и Verilog позволяют разрабатывать гораздо более сложные логические схемы.

Проектирование аппаратуры для космических приложений живет, процветает и тесно связано с остальным проектированием аппаратуры. Просто мы перешли на FPGA.

Инженеры, проектирующие космические устройства для работы в условиях высокой радиации, разработали несколько методов радиационно-устойчивого проектирования, включая безопасные FSM (конечные автоматы состояний), FSM с кодировкой Хэмминга и тройное резервирование модулей (TMR).

Основные производители FPGA, включая AMD/Xilinx, Lattice и Microchip (ранее Microsemi и Actel), либо уже отправили устройства в космос в качестве основных компонентов различных миссий, либо предлагают радиационно-устойчивые FPGA для приложений, либо и то, и другое.

Например, FPGA от Microchip и AMD/Xilinx находились на борту двух марсоходов Spirit и Opportunity, а также на плутониевом марсоходе Perseverance, который в настоящее время курсирует по Марсу.

Марс глазами космического аппарата Perseverance

Кроме того, FPGA Microchip ProASIC3 жужжит в разреженной марсианской атмосфере на борту чрезвычайно успешного вертолета Ingenuity, служа интерфейсом для датчиков и сервоприводов геликоптера.

FPGA от Microchip отправили к Плутону на борту космического аппарата NASA "Новые горизонты" в комплекте приборов для измерения температуры и давления атмосферы бывшей планеты. Это лишь несколько примеров. Их много.

Особые космические аппараты

Космические аппараты "Вояджер-1" и "Вояджер-2" были запущены в 1977 году. Тогда и в помине не существовало FPGA. При их проектировании не использовалась жестко связанная электроника, как можно предположить из статьи в Scientific American.

На борту, как неудивительно, «много» программного обеспечения. Фактически, "Вояджер-1" и "Вояджер-2" несут по шесть бортовых компьютеров, изначально организованных как распределенная система, состоящая из трех дивайсов с двойным резервированием: компьютерной командной системы (CCS), системы управления артикуляцией полета (AACS) и системы полетных данных (FDS).

Без этих компьютеров, которые непрерывно работали 45 лет, космические аппараты никогда бы не достигли внешних границ Солнечной системы. Все научные данные никогда бы не передались на Землю.

 

CCS, разработанная Лабораторией реактивного движения (JPL) в Пасадене, управляет всеми основными системами, контролирует температуру внутри прибора, управляет компьютерами AACS и FDS, а также 11 бортовыми приборами, посылая им команды.

CCS использует 18-битные команды с 6-битным опкодом и 12-битным адресом.

AACS имеет очень похожую архитектуру с CCS и поэтому также ведет свою родословную от более раннего компьютера "Викинга".

Этот компьютер управляет положением космического аппарата и контролирует артикуляцию сканирующей платформы.

FDS был разработан специально для космического аппарата "Вояджер", поскольку JPL требовался более быстрый компьютер для форматирования, хранения и передачи изображений (данные, которые мы больше всего ассоциируем с миссиями "Вояджеров") и для отправки научных и инженерных телеметрических данных.

В отличие от двух других компьютерных систем, использовавшихся на "Вояджере", FDS построен не на микросхемах TTL. Это первый компьютер на основе КМОП-чипов, который летает в космосе.

Часть форматирования данных, выполняемого FDS, включает в себя коррекцию ошибок (FEC) с использованием кодирования Голея.

По мере удаления от двух космических аппаратов, сигналы «Вояджеров» становятся все слабее, радиоканал более шумным, отношение сигнал/шум падает.

Кодирование Голея позволяет данным, отправленным на Землю, выдержать три бита ошибки приема на единицу данных. Однако кодирование по Голею также удваивает количество передаваемых битов, что сокращает эффективную пропускную способность канала.

JPL расширил возможности FDS на "Вояджере-2", когда миссия "Юпитер/Сатурн" была расширена до внешних планет.

Изображение Юпитера, присланное космическим аппаратом Вояджер-1

Обновления включали сжатие изображений и переход на FEC Рида-Соломона для обработки изображений. Коды Рида-Соломона несут значительно меньше накладных расходов, чем оригинальный код FEC Голея, и в настоящее время широко используются для хранения данных и коммуникационных приложений. Программное обеспечение Voyager FDS было пионером в использовании этого алгоритма кодирования.

Оба усовершенствования FDS позволяют "Вояджеру-2" передавать больше данных через все уменьшающуюся полосу радиочастот по мере удаления космического аппарата от Земли.

Усовершенствования требуют постоянного использования второго, резервного компьютера FDS для новых алгоритмов обработки изображений, поскольку одного компьютера FDS уже недостаточно для работы всего программного обеспечения FDS.

Таким образом, ценой обновлений стала потеря избыточности FDS. Важно отметить, что они стали возможны только потому, что были загружены на компьютеры "Вояджера" в качестве обновлений программного обеспечения.

CCS, AACS и FDS представляют собой сложную, распределенную, с двойным резервированием, встроенную компьютерную систему, которую JPL разработала и встроила в космический аппарат "Вояджер".

Приборы

У приборов "Вояджера" не было ни бюджета мощности, ни свободного времени для разработки компьютеров на заказ, а микропроцессоры в то время были слишком диковинными.

Послание другим цивилизациям

Поэтому инженеры-электрики, работавшие над проектами, создавали более простые системы с использованием жестко связанной логики.

На двух одинаковых космических аппаратах "Вояджер" установлено одиннадцать приборов:

  • Подсистема формирования изображений: двухкамерная видеосистема с одной узкоугольной и одной широкоугольной камерами. В системе использовались монохромные, медленно сканирующие видиконовые трубки и до восьми фильтров на камеру для получения монохромных, цветных и ультрафиолетовых изображений.
  • Радиоподсистема использовала радиосистемы космического аппарата для определения физических свойств ионосферы и атмосфер планет и спутников, а также для определения их масс, гравитационных полей и плотностей во время столкновений с этими телами.
  • Инфракрасный интерферометрический спектрометр: интерферометр Майкельсона и одноканальный радиометр, который измерял состав атмосфер планет и спутников.

Читайте также: Оправданы ли наши претензии западным партнерам?

  • Ультрафиолетовый спектрометр: измерял свойства атмосферы и атмосферное излучение в ультрафиолетовом диапазоне (от 400 до 1600 A).
  • Трехосный флюксгейтовый магнитометр: предназначен для исследования магнитных полей Юпитера и Сатурна, взаимодействия солнечного ветра с магнитосферами этих планет, а также межпланетного магнитного поля до границы солнечного ветра и далее.
  • Плазменный спектрометр: исследовал макроскопические свойства ионов плазмы и измерял электроны в диапазоне энергий от 5 эВ до 1 кэВ.
  • Прибор для изучения заряженных частиц низкой энергии: предназначен для изучения энергетических частиц, включая электроны, протоны, альфа-частицы и более тяжелые ядра в планетарной и межпланетной среде.
  • Подсистема космического излучения: системы высокоэнергетических (HETS) и низкоэнергетических телескопов (LETS), которые изучали происхождение, историю жизни и динамику излучения, нуклеосинтез элементов в источниках космических лучей, их поведение в межпланетной среде.
  • Исследование планетарной радиоастрономии: изучение физики магнитосферных плазменных резонансов и нетеплового радиоизлучения с помощью развернутого радиоприемника, работающего в двух состояниях поляризации на частотах от 20 кГц до 40,5 МГц.
  • Подсистема фотополяриметра: 8-дюймовый телескоп Кассегрена с поляризатором и фильтрами для восьми полос в спектральной области 2200A - 7300A, питающий фотоумножитель, используемый для изучения текстуры и состава поверхности планет, получения информации о распределении размеров и составе тел в планетарных кольцах, а также для получения информации о свойствах атмосферного рассеяния и плотности атмосфер планет.
  • Подсистема плазменных волн: 16-канальный приемник ступенчатых частот и приемник низкочастотных волн, используемые для обеспечения непрерывных, независимых от оболочки измерений профилей электронной плотности на Юпитере, Сатурне и других посещаемых планетах.

Эти приборы помогли изменить наше понимание Солнечной системы. Благодаря этим приборам, мы знаем, что оба "Вояджера" вышли за пределы Солнечной системы в межзвездное пространства.

В дополнение к этим одиннадцати научным приборам космические аппараты "Вояджер" несут позолоченную пластинку, на которой закодированы звуки и изображения, на случай, если они будут обнаружены другими цивилизациями.