Tietoliikenne ulkoavaruusoperaatioissa

Abstract

Tietoliikenne on tiedon siirtämistä lähettäjältä vastaanottajalle. Siirrettävä tieto voi olla esimerkiksi tutkimustietoa, henkilöiden välistä viestintää tai tietokonekomentoja. Työssä selitetään, miten tiedonsiirto ulkoavaruuteen, erityisesti Marsiin, toimii, sekä tarkastellaan ulkoavaruuden tiedonsiirron haasteita ja ratkaisuja näihin haasteisiin. Lähdemateriaaleina käytetään oppikirjoja, tutkimuksia sekä avaruusjärjestöjen virallisia raportteja ja nettisivuja.

Avaruuden tietoliikennejärjestelmät koostuvat lähettimestä, tiedonsiirtokanavasta ja vastaanottimesta. Työssä kerrotaan ensiksi tarkemmin teknologioista, joita käytetään lähettimenä ja vastaanottimena. Työ kertoo mitä ovat antennit ja esittelee eri antennityyppejä. Lisäksi selitetään mitä ovat radioaallot, miten niitä käytetään tiedonsiirtoon ja miten taajuusalueet ovat nimetty. Myös avaruuden tietoliikenteessä käytetyt tietotyypit esitellään ja käsitellään oleellisimmat protokollat. Luvun lopussa määritellään nimetyt kiertoradat. Tämän jälkeen työssä tarkastellaan aiheen kannalta oleellisia tietoliikenneverkkoja, niiden käyttötarkoituksia ja ominaisuuksia.

Lopuksi työssä käsitellään avaruuden tietoliikenteen vaatimuksia ja haasteita. Äärilämpötilat, avaruussäteily aiheuttavat signaaliin häiriöitä ja pitkät välimatkat aiheuttavat tiedonsiirtoon merkittävän suuren viiveen. Lisäksi lisääntyvä tutkimustiedon määrä avaruudessa vaatii suurempia tiedonsiirtonopeuksia. Luvussa käsitellään valmiita ja kehitysvaiheessa olevia ratkaisuja näille ongelmille.

Kohina ja vääristymät signaaleissa voivat aiheuttaa tiedon korruptoitumista ja katoamista. Työssä tutustutaan virheenkorjauskoodaukseen, jolla pyritään havaitsemaan virheet signaalissa. Lisäksi avaruuden tiedonsiirrossa pakettien uudelleen lähetys vie aikaa tai ei ole mahdollista, joten virheet pyritään myös korjaamaan virheenkorjauskoodauksella. Virheenkorjauskoodauksen jälkeen työssä tarkastellaan viivettä ja häiriötä sietävä tietoliikennettä (DTN). DTN on protokollajoukko, jonka tarkoituksena mahdollistaa tiedonsiirto tilanteissa, jossa ei pystytä muodostamaan päästä päähän yhteyttä. Tällä hetkellä tietoliikenneyhteys maa-asemalta avaruusalukseen avataan, tietoa siirretään ja lopuksi yhteys suljetaan. Protokollajoukon tavoite on mahdollistaa tiedonsiirto solmulta toiselle, vaikka seuraavat solmut eivät olisi vielä vapaana. Työssä tarkastellaan myös ohjelmistoradioita. Ohjelmistoradiot ovat uudelleenkonfiguroitavia radioita, jotka tekevät radioista joustavampia ja pidentävät niiden käyttöikää mahdollistamalla uusimpien signaalinkäsittelytekniikoiden asennuksen vielä laukaisun jälkeen. Ohjelmistoradioiden jälkeen perehdytään optiseen tiedonsiirtoon, missä tietoa siirretään radioaaltojen sijaan infrapunalaserilla. Työssä verrataan tiedonsiirtoa radioaalloilla ja infrapunalaserilla Maan ja kuuta kiertävän satelliitin välillä. Infrapuna-aallot ovat korkeampitaajuisia, jolloin tiedonsiirtonopeudet ovat suurempia. Lisäksi kohdistetumpi signaali kuluttaa vähemmän virtaa ja ei vaadi yhtä isoja antenneja, jolloin tutkimusteknologiaa mahtuu laitteeseen enemmän. Viimeinen teknologia, johon perehdytään, on neuroverkkopohjainen vahvistusoppiminen. Vahvistusoppiminen on koneoppimistekniikka, jota käytetään automatisoimaan laitteen toimintaa ympäristössä, jonka käyttäytymistä ei voida täysin ennustaa. Työssä perehdytään kahteen tutkimukseen, jossa neuroverkkoja on käytetty vahvistusoppimisen tukena radioparametrien optimoinnissa.