„Es gibt praktisch keinen Ort, an dem die Technologie für Funkfrequenzen verbessert werden kann. Einfache Lösungen enden dort. "
Am 26. November 2018 um 22:53 Uhr Moskauer Zeit tat es die NASA erneut - die InSight-Sonde landete erfolgreich auf der Marsoberfläche, nachdem sie in die Atmosphäre eingetreten war, Abstiegs- und Landemanöver, die später als „sechseinhalb Minuten Horror“ bezeichnet wurden. Eine geeignete Beschreibung, da die NASA-Ingenieure aufgrund einer vorübergehenden Verzögerung der Kommunikation zwischen Erde und Mars, die sich auf ungefähr 8,1 Minuten belief, nicht sofort herausfinden konnten, ob die Raumsonde erfolgreich auf der Oberfläche des Planeten saß. Während dieses Fensters konnte sich InSight nicht auf seine moderneren und leistungsstärkeren Antennen verlassen - alles hing von altmodischer UHF-Kommunikation ab (diese Methode wird seit langem überall eingesetzt, von Rundfunk und Walkie-Talkies bis hin zu Bluetooth-Geräten).
Infolgedessen wurden kritische InSight-Daten auf Funkwellen mit einer Frequenz von 401,586 MHz an zwei Satelliten,
Kubsat , WALL-E und EVE, übertragen, die dann Daten mit einer Geschwindigkeit von 8 Kbit / s an 70-Meter-Antennen auf der Erde
sendeten . Die Cubs wurden mit derselben Rakete wie InSight gestartet und begleiteten ihn auf einer Reise zum Mars, um die Landung zu beobachten und sofort Daten nach Hause zu übertragen. Andere umlaufende Marsschiffe, beispielsweise der
Marsaufklärungssatellit (MRS), befanden sich in einer unbequemen Position und konnten dem Lander zunächst keine Echtzeitnachrichten senden. Um nicht zu sagen, dass die gesamte Landung von zwei experimentellen Kubsats in der Größe eines Koffers abhing, aber der MPC konnte Daten von InSight erst nach einer noch längeren Wartezeit übertragen.
Bei der InSight-Landung wurde tatsächlich die gesamte Kommunikationsarchitektur der NASA, das Mars-Netzwerk, getestet. Das Signal vom InSight-Landemodul, das an die umlaufenden Satelliten gesendet wird, würde auf jeden Fall die Erde erreichen, selbst wenn die Satelliten ausfallen würden. WALL-E und EVE wurden für die sofortige Informationsübertragung benötigt und damit fertig. Wenn diese Kubsats aus irgendeinem Grund nicht funktioniert hätten, wäre die IFA bereit, ihre Rolle zu spielen. Jeder von ihnen arbeitete als Knoten in einem dem Internet ähnlichen Netzwerk und sendete Datenpakete über verschiedene Terminals, die aus verschiedenen Geräten bestanden. Am effektivsten ist heute der MPC, der Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 6 Mbit / s übertragen kann (und dies ist der aktuelle Rekord für interplanetare Missionen). Die NASA musste jedoch in der Vergangenheit mit viel niedrigeren Geschwindigkeiten arbeiten - und in Zukunft wird sie eine viel schnellere Datenübertragung benötigen.
Wie Ihr ISP ermöglicht die NASA Internetnutzern , die Verbindung mit Raumfahrzeugen in Echtzeit zu überprüfen .Deep Space Kommunikationsnetzwerk
Mit der zunehmenden Präsenz der NASA im Weltraum tauchen ständig verbesserte Nachrichtensysteme auf, die immer mehr Raum abdecken: Zuerst war es eine niedrige Erdumlaufbahn, dann eine geosynchrone Umlaufbahn und der Mond, und bald ging die Kommunikation tiefer in den Weltraum. Alles begann mit einem unhöflichen tragbaren Radio, mit dem die Telemetrie von Explorer 1, dem ersten Satelliten, der 1958 von den Amerikanern erfolgreich gestartet wurde, an US-Militärstützpunkten in Nigeria, Singapur und Kalifornien empfangen wurde. Langsam aber sicher hat sich diese Basis zu modernen Messaging-Systemen entwickelt.
Douglas Abraham, Leiter der Strategie- und Systemprognose bei der NASA-Direktion für interplanetare Netzwerke, beleuchtet drei unabhängig voneinander entwickelte Netzwerke für die Übertragung von Nachrichten im Weltraum. Das Near Earth Network arbeitet mit Raumfahrzeugen im erdnahen Orbit. "Dies ist ein Satz von Antennen, meist von 9 bis 12 m. Es gibt mehrere große, 15-18 m", sagt Abraham. Über der geosynchronen Umlaufbahn der Erde befinden sich dann mehrere Datenverfolgungs- und Sendesatelliten (TDRS). „Sie können auf Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn herabblicken und mit ihnen kommunizieren und diese Informationen dann über TDRS auf den Boden übertragen“, erklärt Abraham. "Dieses Satellitendatensystem wird als NASA-Weltraumnetzwerk bezeichnet."
Aber selbst TDRS reichte nicht aus, um mit einem Raumschiff zu kommunizieren, das weit über die Umlaufbahn des Mondes hinaus zu anderen Planeten führte. „Deshalb mussten wir ein Netzwerk schaffen, das das gesamte Sonnensystem abdeckt. Und das ist das Deep Space Network (DSN) “, sagt Abraham. Das Mars-Netzwerk ist eine Erweiterung von
DSN .
In Anbetracht der Länge und der Pläne ist DSN das komplexeste dieser Systeme. Tatsächlich handelt es sich hierbei um einen Satz großer Antennen mit einem Durchmesser von 34 bis 70 m. An jedem der drei DSN-Standorte arbeiten mehrere 34-Meter-Antennen und eine 70-Meter-Antenne. Ein Standort befindet sich in Goldstone (Kalifornien), ein anderer in der Nähe von Madrid (Spanien) und der dritte in Canberra (Australien). Diese Standorte befinden sich rund um den Globus in einem Abstand von etwa 120 Grad und bieten rund um die Uhr Abdeckung für alle Raumschiffe außerhalb der geosynchronen Umlaufbahn.
34-Meter-Antennen sind die Hauptausrüstung von DSN, und es gibt zwei Typen: alte Antennen mit hohem Wirkungsgrad und relativ neue Wellenleiter. Der Unterschied besteht darin, dass die Wellenleiterantenne über fünf genaue Hochfrequenzspiegel verfügt, die die Signale durch das Rohr zum unterirdischen Operationssaal reflektieren, wo die Elektronik, die diese Signale analysiert, besser vor allen Störquellen geschützt ist. 34-Meter-Antennen, die einzeln oder in Gruppen von 2-3 Platten arbeiten, können den größten Teil der erforderlichen NASA-Kommunikation bereitstellen. Für besondere Anlässe, bei denen die Entfernungen selbst für mehrere 34-Meter-Antennen zu groß werden, verwendet die DSN-Steuerung 70-Meter-Monster.
"Sie spielen in einigen Fällen eine wichtige Rolle", sagt Abraham über große Antennen. Das erste ist, wenn das Raumschiff so weit von der Erde entfernt ist, dass es unmöglich ist, mit einer kleineren Platte eine Kommunikation mit ihm herzustellen. „Gute Beispiele sind die Mission New Horizons, die weit über Pluto hinausflog, oder das Raumschiff Voyager außerhalb des Sonnensystems. Nur 70-Meter-Antennen können zu ihnen durchbrechen und ihre Daten an die Erde liefern “, sagt Abraham.
70-Meter-Platten werden auch verwendet, wenn das Raumfahrzeug nicht mit der Verstärkungsantenne arbeiten kann, entweder aufgrund einer geplanten kritischen Situation wie dem Eintritt in die Umlaufbahn oder weil etwas völlig schief geht. Eine 70-Meter-Antenne wurde zum Beispiel verwendet, um Apollo 13 sicher zur Erde zurückzubringen. Sie übernahm auch Neil Armstrongs berühmten Satz: "Ein kleiner Schritt für den Menschen, ein großer Schritt für die Menschheit." Und auch heute noch ist DSN das fortschrittlichste und sensibelste Kommunikationssystem der Welt. "Aber aus vielen Gründen hat sie bereits ihre Grenzen erreicht", warnt Abraham. "Es gibt praktisch keinen Ort, an dem die Technologie für Funkfrequenzen verbessert werden kann." Dort enden einfache Lösungen. “
Drei Bodenstationen im Abstand von 120 Grad
DSN-Platten in Canberra
DSN Madrid
DSN in Goldstone
Kameraraum im Jet Propulsion LaboratoryRadio und was danach passieren wird
Diese Geschichte ist nicht neu. Die Geschichte der Fernkommunikation im Weltraum besteht aus einem ständigen Kampf um die Erhöhung der Frequenzen und die Verkürzung der Wellenlängen. Explorer 1 verwendete Frequenzen von 108 MHz. Dann führte die NASA große Antennen mit besserer Verstärkung ein, die Frequenzen aus dem L-Band von 1 bis 2 GHz unterstützen. Dann kam die Wende des S-Bandes mit Frequenzen von 2 bis 4 GHz, und dann wechselte die Agentur zum X-Band mit Frequenzen von 7-11,2 GHz.
Heute verändern sich die Weltraumkommunikationssysteme erneut - jetzt bewegen sie sich in das 26-40-GHz-Band, das K a -Band. „Der Grund für diesen Trend ist, dass die Datenübertragungsgeschwindigkeit umso höher ist, je kürzer die Wellenlänge und je höher die Frequenz ist“, sagt Abraham.
Es gibt Gründe für Optimismus, da die Geschwindigkeit der Kommunikationsentwicklung in der NASA historisch gesehen recht hoch war. Eine 2014 vom Jet Propulsion Laboratory durchgeführte Forschungsstudie liefert zum Vergleich die folgenden Bandbreitendaten: Wenn wir die Kommunikationstechnologie Explorer 1 verwenden würden, um ein typisches iPhone-Foto vom Jupiter auf die Erde zu übertragen, würde dies 460-mal länger dauern als im aktuellen Alter Das Universum. Für die Pioniere 2 und 4 der 1960er Jahre würde dies 633.000 Jahre dauern. Mariner 9 von 1971 hätte sich in 55 Stunden darum gekümmert. Heute wird die IFA dafür drei Minuten brauchen.
Das einzige Problem ist natürlich, dass die von Raumfahrzeugen empfangene Datenmenge genauso schnell wächst, wenn nicht sogar schneller als das Wachstum der Übertragungsfähigkeiten. In den 40 Betriebsjahren haben die Voyager 1 und 2 5 TB an Informationen produziert. Der NISAR Earth Science-Satellit, dessen Start für 2020 geplant ist, wird 85 TB Daten pro Monat produzieren. Und wenn die Satelliten der Erde das können, ist die Übertragung eines solchen Datenvolumens zwischen den Planeten eine ganz andere Geschichte. Selbst eine relativ schnelle MRS überträgt 20 Jahre lang 85 TB Daten zur Erde.
"Die geschätzte Datenübertragungsrate während der Erkundung des Mars in den späten 2020er und frühen 2030er Jahren wird 150 Mbit / s oder mehr betragen. Berechnen wir also", sagt Abraham. - Wenn ein Raumschiff der MPC-Klasse in einer maximalen Entfernung von uns zum Mars etwa 1 Mbit / s an eine 70-Meter-Antenne auf der Erde senden kann, ist eine Anordnung von 150 70-Meter-Antennen erforderlich, um die Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 150 Mbit / s herzustellen. Ja, natürlich können wir geniale Wege finden, um diesen absurden Betrag leicht zu reduzieren, aber das Problem besteht offensichtlich: Die Organisation der interplanetaren Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 150 Mbit / s ist eine äußerst komplizierte Angelegenheit. Außerdem beenden wir das Spektrum der zulässigen Frequenzen. “
Wie Abraham zeigt, wird eine Mission mit einer Bandbreite von 25 Mbit / s im S- oder X-Band das gesamte verfügbare Spektrum einnehmen. Es gibt mehr Platz im K
a -Bereich, aber nur zwei Mars-Satelliten mit einer Bandbreite von 150 Mbit / s belegen das gesamte Spektrum. Einfach ausgedrückt, das interplanetare Internet erfordert mehr als nur Radio - es wird auf Laser angewiesen sein.
Das Aufkommen der optischen Kommunikation
Laser klingen futuristisch, aber die Idee der optischen Kommunikation lässt sich auf das Patent zurückführen, das Alexander Graham Bell in den 1880er Jahren angemeldet hat. Bell entwickelte ein System, bei dem das auf einen sehr schmalen Strahl fokussierte Sonnenlicht auf eine reflektierende Blende gerichtet wurde, die aufgrund von Geräuschen vibrierte. Vibrationen verursachten Schwankungen des Lichts, das durch die Linse in einen groben Fotodetektor gelangt. Änderungen im Widerstand des Fotodetektors veränderten den Strom, der durch das Telefon fließt.
Das System war instabil, die Lautstärke war sehr gering und Bell gab die Idee schließlich auf. Nach fast 100 Jahren kehrten die NASA-Ingenieure mit Lasern und Lichtwellenleitern zu diesem alten Konzept zurück.
"Wir wussten um die Einschränkungen von HF-Systemen, daher begann das Jet Propulsion Laboratory Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre, die Möglichkeit der Übertragung von Nachrichten aus dem Weltraum mithilfe von Weltraumlasern zu diskutieren", sagte Abraham. Um besser zu verstehen, was in der optischen Kommunikation im Weltraum möglich ist und was nicht, organisierte das Labor Ende der 1980er Jahre eine vierjährige Studie, das Deep Space Relay Satellite System (DSRSS) und das Deep Space Relay Satellite System (DSRSS). Die Studie sollte kritische Fragen beantworten: Was ist mit den Wetter- und Sichtproblemen (schließlich können Radiowellen leicht durch die Wolken gehen, Laser nicht)? Was ist, wenn der Winkel der Sonne-Erde-Sonde zu scharf wird? Unterscheidet ein Detektor auf der Erde ein schwaches optisches Signal von Sonnenlicht? Und schließlich, wie viel wird das alles kosten und wird es sich lohnen? "Wir suchen immer noch nach Antworten auf diese Fragen", gibt Abraham zu. "Die Antworten bestätigen jedoch zunehmend die Möglichkeit einer optischen Datenübertragung."
DSRSS schlug vor, dass für die optische und Funkkommunikation ein Punkt über der Erdatmosphäre am besten geeignet ist. Es wurde angegeben, dass das auf der Orbitalstation installierte optische Kommunikationssystem besser funktionieren würde als jede terrestrische Architektur, einschließlich der legendären 70-Meter-Antennen. Es wurde vorgeschlagen, eine 10-Meter-Platte in einer erdnahen Umlaufbahn einzusetzen und sie dann auf geosynchron zu heben. Die Kosten eines solchen Systems - bestehend aus einem Satelliten mit einer Schüssel, einer Startrakete und fünf Benutzerterminals - waren jedoch zu hoch. Darüber hinaus wurden in der Studie nicht einmal die Kosten für das erforderliche Hilfssystem festgelegt, das im Falle eines Satellitenausfalls in Betrieb gehen würde.
Als dieses System begannen Experten des Labors, sich mit der Bodenarchitektur zu befassen, die in dem Analysebericht „Ground Based Advanced Technology Study (GBATS)“ beschrieben ist, der ungefähr zur gleichen Zeit wie DRSS im Labor durchgeführt wurde. Die Leute, die an GBATS arbeiten, haben zwei alternative Vorschläge gemacht. Die erste ist die Installation von sechs Stationen mit 10-Meter-Antennen und 1-Meter-Ersatzantennen, die über den Äquator 60 Grad voneinander entfernt sind. Stationen mussten auf den Berggipfeln gebaut werden, wo mindestens 66% der Tage im Jahr klares Wetter sind. Somit sind 2-3 Stationen für jedes Raumschiff immer sichtbar und haben unterschiedliches Wetter. Die zweite Option sind neun Stationen, die in Dreiergruppen gruppiert sind und einen Abstand von 120 Grad haben. Stationen innerhalb jeder Gruppe sollten 200 km voneinander entfernt sein, damit sie sich in direkter Sichtlinie befinden, jedoch in unterschiedlichen Wetterzellen.
Beide GBATS-Architekturen waren billiger als der Space-Ansatz, hatten aber auch Probleme. Erstens wäre der Empfang tagsüber aufgrund des beleuchteten Himmels viel schlechter als nachts, da die Signale durch die Erdatmosphäre geleitet werden müssen. Trotz seiner ausgeklügelten Lage hängen bodengestützte optische Stationen vom Wetter ab. Das Raumschiff, das den Laser zur Bodenstation lenkt, muss sich schließlich an schlechte Wetterbedingungen anpassen und die Kommunikation mit einer anderen Station wiederherstellen, die die Wolken nicht blockieren.
Unabhängig von den Problemen legten die DSRSS- und GBATS-Projekte jedoch die theoretische Grundlage für optische Systeme für die Fernkommunikation im Weltraum und moderne Entwicklungen von Ingenieuren bei der NASA. Es blieb nur ein ähnliches System aufzubauen und seine Funktionsfähigkeit zu demonstrieren. Zum Glück blieben nur noch wenige Monate.
Projektdurchführung
Zu diesem Zeitpunkt hatte bereits eine optische Datenübertragung im Weltraum stattgefunden. Das erste Experiment wurde 1992 durchgeführt, als die Galileo-Sonde auf Jupiter zusteuerte und ihre hochauflösende Kamera auf die Erde setzte, um erfolgreich eine Reihe von Laserpulsen zu empfangen, die vom 60-cm-Teleskop des Tafelbergobservatoriums und von 1,5 m des Teleskops USAF Starfire Optical gesendet wurden Reichweite in New Mexico. Zu diesem Zeitpunkt war Galileo 1,4 Millionen km von der Erde entfernt, jedoch trafen beide Laserstrahlen seine Kamera.
Die japanischen und europäischen Weltraumagenturen konnten auch optische Kommunikation zwischen Bodenstationen und Satelliten im Orbit um die Erde herstellen. Dann konnten sie eine Verbindung mit einer Geschwindigkeit von 50 Mbit / s zwischen zwei Satelliten herstellen. Vor einigen Jahren stellte das deutsche Team eine kohärente optische bidirektionale Kommunikation mit 5,6 Gbit / s zwischen dem NFIRE-Satelliten im erdnahen Orbit und der Bodenstation auf Teneriffa (Spanien) her. Aber all diese Fälle waren mit der Erdumlaufbahn verbunden.
Die allererste optische Verbindung zwischen einer Bodenstation und einem Raumschiff in der Umlaufbahn in der Nähe eines anderen Planeten des Sonnensystems wurde im Januar 2013 hergestellt. Ein Schwarzweißbild von Mona Lisa mit einer Größe von 152 x 200 Pixel wurde von der Satelliten-Laserstation der nächsten Generation im Goddard Space Flight Center der NASA mit einer Geschwindigkeit von 300 bps an den Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) übertragen. Die Verbindung war in eine Richtung. LRO schickte das von der Erde empfangene Bild über herkömmliche Funkkommunikation zurück. Das Bild musste ein wenig durch Softwarefehler korrigiert werden, war aber auch ohne diese Codierung leicht zu erkennen. Zu diesem Zeitpunkt war bereits der Start eines leistungsstärkeren Systems zum Mond geplant.
Aus dem Projekt „Lunar Reconnaissance Orbital Vehicle“ aus dem Jahr 2013: Um Informationen aus Übertragungsfehlern zu entfernen, die durch die Erdatmosphäre verursacht wurden (links), verwendeten Wissenschaftler des Goddard Space Flight Center die Reed-Solomon-Fehlerkorrektur (rechts), die aktiv auf CD und DVD verwendet wird. Typische Fehler sind fehlende Pixel (weiß) und falsche Signale (schwarz). Ein weißer Balken zeigt eine kurze Pause in der Übertragung an.Forscher der Mondatmosphäre und der Staubumgebung (LADEE) betraten am 6. Oktober 2013 die Umlaufbahn des Mondes und starteten nur eine Woche später seinen gepulsten Laser zur Datenübertragung. Diesmal versuchte die NASA, eine bidirektionale Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 20 Mbit / s in dieser Richtung und einer Rekordgeschwindigkeit von 622 Mbit / s in die entgegengesetzte Richtung zu arrangieren. Das einzige Problem war die kurze Lebensdauer der Mission. Die optische LRO-Kommunikation funktionierte nur wenige Minuten. LADEE tauschte 16 Stunden lang in insgesamt 30 Tagen Daten mit seinem Laser aus. Diese Situation sollte sich ändern, wenn der für Juni 2019 geplante Demonstrationslaserkommunikationssatellit (LCRD) gestartet wird. Seine Aufgabe ist es, zu zeigen, wie zukünftige Kommunikationssysteme im Weltraum funktionieren werden.
LCRD wird am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Zusammenarbeit mit dem Lincoln Laboratory am MIT entwickelt. Er wird zwei optische Terminals haben: eines für die Kommunikation im erdnahen Orbit, das andere für den Weltraum. Der erste muss Differential Phase Shift Keying (DPSK) verwenden. Der Sender sendet Laserpulse mit einer Frequenz von 2,88 GHz. . 2,88 /, . , DPSK , , . , , , , LCRD — - .
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