Как ученые обновляют прошивки на «Вояджерах» далеко в космосе?

Короткий ответ: по радиоканалу и с помощью огромных антенн на самом «Вояджере», которые направлены на Землю. Чем дальше космический аппарат, тем ниже скорость передачи данных. Для устойчивой связи приходится увеличивать и модернизировать наземные станции.

Перепрошивают космический аппарат, чтобы менять направление его движения, собирать данные с датчиков и обновлять ПО. Прошивку, в свою очередь, пишут на древних языках программирования Fortran и Assembly, поэтому для ее обновления нужны специалисты, которые все еще разбираются в этих языках.

Программа NASA Voyager началась в шестидесятые годы, когда американские ученые запустили космические аппараты для исследования планет-гигантов Солнечной системы. Никто не рассчитывал, что спустя почти полвека аппараты продолжат функционировать, но новую информацию с них мы продолжаем получать даже с расстояния больше 24 млрд километров.

По расчетам, при запуске аппаратов в 1977 году и проведении гравитационных маневров траектория их полета позволила бы посетить сразу четыре планеты-гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. На тот момент научный интерес был прикован к ним, так как ранее их удавалось рассматривать только земными телескопами.

У этих планет множество разнообразных спутников и системы колец, о многих из которых удалось узнать лишь благодаря «Вояджерам». О том, что «Вояджеры» через полвека станут еще и исследователями межзвездного пространства, ученые тогда могли только мечтать.

До «Вояджеров» НАСА запускало похожие аппараты серии «Пионер» к Юпитеру и Сатурну, поэтому опыт уже имелся, но новые аппараты и научные приборы на них были более продвинутыми.

Съемка велась на аналоговые телевизионные камеры — видиконы, у которых был набор световых фильтров, чтобы получать цветные изображения. Сигнал на Землю передавался с помощью двухметровой параболической антенны. «Вояджеры» могли не только снимать в видимом диапазоне, но и определять спектры в инфракрасной и ультрафиолетовой областях  . Именно детекторы плазмы и магнитометр помогли определить момент выхода космических аппаратов из межпланетного в межзвездное пространство.

«Вояджер-2» стартовал в 1977 году, посетил Юпитер через два года, Сатурн — в 1981 году, Уран — в 1986, Нептун — в 1989. Исследования систем этих планет стали уникальными в своем роде, последних двух «ледяных гигантов» с тех пор не посещали никакие аппараты. «Вояджер-2» пролетел больше 4 млрд километров и мог бы спокойно уйти на заслуженный покой, но он сохранял работоспособность, и ученые НАСА решили использовать его ресурс по максимуму.

«Вояджер-1» также проделал немалый путь, хотя после Сатурна уже не встречал никаких космических тел на своем пути. И также продолжает работу по сей день.

Продлить ресурс космических аппаратов удалось, потому что они изначально были собраны на совесть. Кроме того, регулярно совершенствовались наземные станции связи, а специалисты постоянно перенастраивали летательные аппараты.

«Вояджер-2» работает благодаря РИТЭГам  . Тем не менее ни одна система в мире не может работать вечно, поэтому пропорционально снижению мощности аппаратов приходится постепенно отключать научные приборы и вторичные служебные системы, обновлять программное обеспечение для сокращения энергопотребления бортового компьютера.

Все управление аппаратом осуществляется дистанционно, на расстоянии нескольких световых часов. То есть команда отправляется с Земли сегодня, а о ее выполнении становится известно только завтра. Это радикальное отличие от земных удаленных систем, которые дают задержку всего в несколько секунд, даже если сигнал проходит через спутник в космосе.

Коммуникация происходит благодаря специалистам, которые создавали и программировали аппарат почти полвека назад. Фактически они носители «древнего знания великих предков», потому что только они знают архитектуру бортового компьютера и помнят языки программирования тех времен — Assembly и Fortran, которые появились еще в 1950-х.

Сейчас «Вояджеры» продолжают свой полет в межзвездном пространстве. Это не значит, что они покинули пределы Солнечной системы — они просто вышли из гелиосферы. Внутри нее находятся все известные планеты, и это пространство называется межпланетным. За пределами же гелиосферы действуют межзвездные ветра и магнитные поля, узнать о которых мы можем только от «Вояджеров».

В таких условиях цена ошибки крайне велика, поэтому выполнение каждой команды и каждое обновление операционной системы сначала испытывают на наземных стендах. Но даже такие меры не дают полной защиты от ошибок.

Например, летом 2023 года на «Вояджер-2» передали ошибочную команду, в результате которой остронаправленная антенна отвернулась всего на 2° от Земли и связь была потеряна. И только благодаря 70-метровой наземной антенне в австралийской Канберре получилось услышать сигнал аппарата и передать ему команду на исправление. Так зонд удалось спасти.

С «Вояджером-1» происходили более драматичные события. Сбой его бортового компьютера в ноябре 2023 года привел к прекращению отправки данных на Землю. Аппарат получал команды, выполнял их, но обратно слал просто набор цифр.

Несколько месяцев команде понадобилось, чтобы определить причину сбоя и найти способ компенсировать его. Оказалось, вышел из строя чип, содержащий код для упаковки данных перед отправкой на радиопередатчик. Для исправления ситуации специалистам потребовалось переписать код так, чтобы его можно было расположить в других чипах компьютера, и удалить ссылки на старый, поврежденный код.

После того как патч написали и загрузили, космический аппарат впервые за шесть месяцев сумел отправить данные о своем состоянии, а потом вернулся и к научной работе.