Astronet Астронет: Н. Т. Петрович/SETI-XXI Препятствия на пути установления радиоконтакта между космическими цивилизациями
http://variable-stars.ru/db/msg/1177384
Препятствия на пути установления радиоконтакта между космическими цивилизациями

Препятствия на пути установления радиоконтакта между космическими цивилизациями

Н.Т. Петрович

(Материалы конференции "SETI-XXI")

1. Гигантская неопределенность параметров передатчика и приемника

При создании любых наших систем передачи информации в пределах Земли и окрестности Солнца, всегда имеется Главный Конструктор, обеспечивающий согласование параметров передающего и приемного устройств. Но, даже при этом, нередки случаи, когда при первых испытаниях систем связи радиоконтакт не возникает, особенно при экстремальных ситуациях (большая дальность трассы связи, малая мощность передатчика, высокий уровень помех в точке приема, резкие климатические колебания и др.).

В каналах SETI, к сожалению, единственным Главным Конструктором могут быть лишь подсказки Законов Природы, в частности свойства межзвездной среды, разделяющей передатчик и приемник, и логические гипотезы, на основе этих выявленных законов, независимо выдвигаемые разумными обитателями в каждой из цивилизаций.

Для большей определенности дальнейших рас суждений, будем иметь в виду ситуацию, когда две космические цивилизации Х и У, приблизительно нашего уровня научного, технического и энергетического развития, делают попытки установить радиоконтакт, при этом цивилизация Х передает сигналы, а цивилизация У пытается их принять.

Итак, цивилизация Х решила разорвать свое одиночество и послать свой радио привет другим звездам. Но, ледяным душем на нее хлынул поток вопросов. Вот они:

На приемной стороне, в цивилизации У, обрушивается не меньшая лавина вопросов:

Из перечня уже этих вопросов следует, что возникает колоссальная неопределенность в параметрах передающего и принимающего устройств, создающая, казалось бы, тупиковую ситуацию.

Простейший путь преодоления этого тупика, состоит в надежде на случайное благоприятное совпадение параметров передатчика и приемника, при котором сигнал будет принят. Приняв такую стратегию, предположим цивилизации Х и У начинают многократно включать свои установки, меняя их параметры при каждом включении.

Для первой грубой оценки вероятности такого благоприятного события, введем вероятности совпадения основных параметров:

Р1 - вероятность того, что цивилизация Х посылает свои сигналы звезде У, где есть разумная жизнь, пытающаяся их принять, а диаграммы антенн Х и У "видят" друг друга (Рис. 1).

Р2 - вероятность того, что не только диапазон выбранных частот, но и рабочие частоты хотя бы приблизительно совпадают

Р3 - вероятность того, что полоса частот сигнала Х, хотя бы приблизительно умещается в полосе приемника У

Р4 - вероятность того, что метод "погрузки" информации на передаче адекватен методу его разгрузки на приеме

Р5 - вероятность того, что длительность элемента сигнала на передаче и время его накопления на приеме удовлетворительно совпадают и позволяют выделить его из суммы шумов (космические шумы плюс шумы приемного устройства).

Р6 - вероятность достаточного совпадения времени передачи и времени приема, что бы простейший радиоконтакт состоялся (конечно, с учетом времени распространения сигнала от цивилизации Х до цивилизации У).

Рис. 1. Антенны видят друг друга

Допуская полную независимость этих вероятностей, получаем вероятность возникновения радиоконтакта Рk, как их произведение

$$P_k=\prod\limits^6_{i=1} P_i$$(1)

Далее, для грубой оценки вероятности возникновения радиоконтакта, предположим, что все эти вероятности равны, то есть Рi= Р0, понимая, что они могут различаться как в сторону увеличения, так и уменьшения. Это предположение позволяет получить простейшую оценочную формулу для вероятности контакта при случайных включениях

$$P_k = (P_0)^6$$(2)

Теперь допустим, что вероятность совпадения хотя бы двух параметров на передаче и приеме, достаточно велика, например Р = 0,1. В этом случае вероятность радиоконтакта составит

$$p_k = (P_0)^6 = \left(\frac{1}{10}\right)^6 = 10^{-6}$$ (3)

Это значит, что из МИЛЛИОНА независимых включений передатчика и приемника, в среднем, только в ОДНОМ из них может наступить долгожданный радиоконтакт!

Пологая, что каждое включение должно быть не очень кратким, что бы на приеме смогли уверенно распознать сигнал, например, равным 10 минутам, определим необходимое время хаотических включений на передаче и приеме. При сделанных предположениях, оно составит приблизительно 25 лет!

В этом, возможно, одна из причин неудачных попыток землян установить радиоконтакт при очень редких включениях своих устройств.

Однако, полученная пессимистическая оценка вероятности радиоконтакта Р, не учитывает сделанные открытия при изучении межзвездной среды и выдвинутые гипотезы в цивилизациях Х и У. Перечислим основные из них, опираясь на достижения земной науки (они опубликованы, и мы подробно их не анализируем):

Безусловно, использование этих и других научных результатов повышает вероятности радиоконтакта, уменьшая число случайно перебираемых параметров при многократных включениях передатчика и приемника. Кроме того, выражение (1) не учитывает ситуацию, когда в процессе установления радиоконтакта участвуют не две цивилизации Х и У, а большее их число.

Но, даже учет этих двух благоприятных контакту факторов, не исключает необходимости сотен, а скорее тысяч, включений передатчиков и приемников с перебором их параметров, для возникновения радиоконтакта между космическими цивилизациями” Дальнейшее уменьшение этого случайного перебора параметров на передаче и приеме, может быть достигнуто \> путем ВЗАИМНЫХ ШАГОВ НАВСТРЕЧУ цивилизаций, стремящихся к радиоконтакту.

2. Цивилизации шагают на встречу друг другу

Перечислим основные шаги, которые могут совершать цивилизации навстречу, для существенного повышения вероятности радиоконтакта.

Встречные шаги при передаче сигналов

Передавать сигнал радиоконтакта одновременно на ряде близких частот ("Космическая катюша") для его накопления на приеме [4].

По возможности стремиться к непрерывной или очень длительной передаче сигналов радиоконтакта.

Встречные шаги на приеме

Вполне возможно, что ряд перечисленных шагов уже совершают ушедшие вперед цивилизации, в том числе в наиболее интересном для нас случае – шаги при передаче сигналов. К сожалению, земляне таких шагов почти не совершают, ограничиваясь редкими эпизодическими поисками и передачей сигналов, что дает ничтожные шансы на успех.

Парадокс: "Сигнал есть, но его нет"

Расстояние между цивилизациями Х и Y может быть на столько велико, что посланный цивилизацией Х сигнал будет ниже уровня суммарных шумов приемника в цивилизации Y. Если в приемнике Y не применяется метод накопления, даже при длительном сигнале цивилизации Х, то имеет место парадокс: "Сигнал цивилизации Х есть, но его нет для цивилизации Y"w. Возможно, это вторая причина, наряду с первой – неадекватность параметров приемника и передатчика, объясняющая наши неудачи в поиске сигналов SETI.

Вместе с тем, метод накопления, открытый еще Архимедом, прилагая его к сигналам, позволяет выделить из шума сколь угодно слабый сигнал. Если цивилизация Х это понимает, то возможно она уже передает сигналы пригодные для их накопления. Тут имеются две возможности. Первая – передавать длительный сигнал. Например, длительную последовательность периодических импульсов и накапливать их после детектирования смеси сигнала и шума, что устраняет влияние эффекта Доплера. Вторая возможность – передавать один и тот же сигнал на ряде смежных частот и суммировать их на приеме. Конечно, возможна и комбинация этих методов, для уменьшения времени накопления.

Рис. 2. Накопление сигналов

Анализ первого метода [1, 2], который является более простым в реализации на передаче и на приеме, показывает его целесообразность использования для каналов СЕТ1. Анализируя сигнал и превосходящий его шум, с помощью аппарата Фурье, шум на достаточном отрезке времени, можно выявить период повторяющихся импульсов и осуществить их накопление (Рис. 2). Число необходимых некоррелированных отсчетов смеси сигнала и шума N, равное числу накапливаемых посылок, растет пропорционально квадрату отношения мощности помехи, к мощности сигнала Рп/Рс.

$$N=k\left(\frac{P_n}{P_c}\right)^2,$$(4)

где: k - константа.

Из (4) легко определить увеличение дальности связи методом накопления [1].

$$R_x = k\sqrt[4]{N}\,.$$(5)

Расчет по формуле (5) показывает, что удлиняя сигнал и применяя его накопление, можно в 1000 раз увеличить дальность действия наших передатчиков и достичь границ Галактики. Для уменьшения времени накопления следует использовать посылки малой длительности, что следует учитывать при поиске сигналов. Кроме того, наши эксперименты показали, что применяя сильное ограничение по амплитуде смеси сигнала и шума, можно в несколько раз уменьшить время накопления сигнала (4).

Передача изображений

Передача даже простейших изображений по каналам SETI принципиально повысит взаимопонимание между цивилизациями. Такие сигналы могут быть приняты нашими радиотелескопами и такие сигналы надо готовить и нам.

Первый вариант передачи изображения был предложен Ф. Дрейком и использовался для передачи изображения другими цивилизациями. Он известен. Суть его проста. Передается двоичная последовательность посылок, число которых равно произведению двух простых чисел. Приняв такой сигнал, мудрый инопланетянин должен сделать три догадки. Первая, что сигнал состоит из произведения двух чисел. Вторая, что одно из чисел есть число строк изображения, а второе число элементов в строке. Третья, зачернить, например, “1” полученной матрицы и получить изображение …. При всем остроумии предложения Ф. Дрейка и его простоте, оно имеет свою “ахиллесову пяту”. Достаточно добавить, или изъять, в процессе распространения и наложения помех, несколько битов информации, в конце или начале послания, как теряется возможность его разгадки.

Можно предложить более надежный способ передачи и одновременно более наглядно подсказывающий, что это изображение. Выглядит он так. Передаваемая картинка также разбивается горизонтальными и вертикальными строками на необходимое число черно-белых квадратиков, каждому из которых соответствует передача “1” или “0”. Далее, все четные строки передаются на частоте f1, а все нечетные на несущей частоте f2. Внутри каждой строки передача “1” или “0” осуществляется с помощью относительной фазовой манипуляции (ОФМ). Метод ОФМ состоит в использовании каждой предыдущей посылки для создания опорного напряжения для приема каждой данной посылки. Этот метод [3, 5] нашел широкое применение в земных и космических системах связи и обеспечивает максимальную дальность связи по сравнению с амплитудной и частотной манипуляцией. Таким образом для передачи простейшего изображения используется симбиоз двух методов передачи: частотной и относительной фазовой манипуляции (Рис. 3).

Рис. 3. Передача изображений. Одна избыточная посылка в каждой строке для приема первой посылки строки

Итоги

  1. Установление радиоконтакта между космическими цивилизациями требует хотя бы приблизительного совпадения многих параметров передатчика и приемника – антенны на передачи и приеме должны “видеть” друг друга, рабочие частоты быть близкими, полосы частот сигнала и приемника должны перекрываться, методы модуляции и детектирования быть адекватны, длительность элемента сигнала и время его накопления на приеме соответствовать, время передачи и время приема совпадать и т.д. Безнадежно надеяться на случайное совпадение параметров на передаче и приеме, при редком включении передатчика и приемника с изменяемыми параметрами. Как показано это требует тысяч и даже миллионов включений.
  2. Существенное увеличение вероятности радиоконтакта могут дать шаги цивилизаций навстречу друг другу (конвергенция мышления). Основные из них: дальнейшее уточнение списка “разумных звезд” на основе изучения звезд и межзвездной среды, передача и прием на различных частотах, подсказанных средой, использование сигналов и приемников с различной полосой пропускания, с различными методами модуляции и детектирования, передача длительных периодических сигналов и методов их накопления в приемниках, длительная работа передатчиков и приемников на ряде частот и др.
  3. Встречные шаги внеземных цивилизаций к радиоконтакту нам неподвластны. Здесь лишь можно уповать на их уровень развития, который подскажет им или уже подсказал, необходимость встречных шагов. Но нам подвластны шаги земной цивилизации. Пока мы не можем выделить много энергии и средств на передачу сигналов (большие мощности, длительная передача на разных частотах многим звездам и др.), но шаги на встречу радиоконтакту на ПРИЁМНОЙ стороне мы уже можем совершить. Это и приемники с набором разных полос пропускания и возможностью одновременно детектировать сигнал при различных методах модуляции, и накопители сигналов с разным временем накопления, и анализаторы для поиска сигналов в шумах и т.д.
  4. Наши неудачи в поиске сигналов других цивилизаций отнюдь не доказывает наше одиночество в космосе. Я вижу две основные причины неудач в поиске сигналов. Первая связана с НЕСОВПАДЕНИЕМ параметров передатчика и приемника. Достаточно одному из параметров не совпадать и контакт не состоится. Вторая связана с парадоксом “сигнал есть, но его нет”, то есть сигнал лежит под шумами и его нет для нас. Как показано выше, встречные шаги земной цивилизации могут существенно повысить вероятность обнаружения сигналов наших звездных братьев, считая что среди миллиардов миллиардов звезд они неизбежно должны быть.

Литература

  1. Петрович Н.Т., "Оценка гипотезы: корреспондент SETI помогает обнаружить его сигналы, тонущие в шумах приемников", Современные проблемы астрофизики. Труды ГАИШ. Том 67, часть вторая, Москва, 2001
  2. Петрович Н.Т., "Тайна внеземных цивилизаций", Москва, Ягуар, 1999
  3. Петрович Н.Т., Алексеева Т.Л. и др., "Теория передачи сигналов", Москва, ВЗЭИС, 1986
  4. Петрович Н.Т., "Проблема контакта с внеземными цивилизациями (проблема SETI)", Зарубежная радиоэлектроника, N 2/3, 1995
  5. Головин О.В., "ОФМ в связи", PC WEEK, N 19, 2001

Rambler's Top100 Яндекс цитирования