CubeSats im Mondorbit und darüber hinaus – wie funktioniert die Kommunikation?

Vergleichen wir also zunächst die Entfernungen. Ein durchschnittlicher LEO-Satellit befindet sich in einer Umlaufbahn von vielleicht 600 km Entfernung. Die Entfernung zum Mond beträgt 384000 km. Das ist 640 mal weiter. Verwenden$r^2$Verluste und Umrechnung in Dezibel, das ist ein zusätzlicher Verlust von 56 dB. Natürlich muss eine Bodenstation in der Lage sein, in LEO über den direkten Kopf hinaus zu kommunizieren, also nehmen wir einfach an, dass sie sich in dieser Entfernung am Horizont befindet. Ich werde diese Horizontentfernung auf etwa 3000 km schätzen. Das reduziert den Unterschied im Leistungsbedarf auf nur 42 dB Unterschied. Ist das für eine Amateurstation machbar?

Die meisten CubeSats werden von Studenten oder anderen Bastlern gebaut und verwenden die Amateurfunkfrequenzen zur Kommunikation. Es ist tatsächlich eine ziemlich übliche Leistung, eine Amateurfunkstation zu testen, bei der eine Antenne auf den Mond gerichtet und versucht wird, mit anderen Menschen zu kommunizieren. Zum größten Teil sind die Datenraten ziemlich niedrig, aber eine große Station kann tatsächlich mit Morsezeichen sprechen, was ziemlich schnell sein kann. Das ist aus mehreren Gründen tatsächlich etwas schwieriger, als mit einem Satelliten zu sprechen, der den Mond umkreist. Erstens reflektiert der Mond nicht die gesamte Energie zurück zur Erde, und dann müssen Sie den Signalverlust in beide Richtungen berücksichtigen. Also, es kann theoretisch gemacht werden, also, wie macht man es?

Zunächst müssen Sie eine niedrigere Datenrate als der LEO-Satellit verwenden. Wenn Sie die Rate um 16 verringern, sind das etwa 12 dB Verstärkung. Wenn Sie einen Vorverstärker/Verstärker verwenden, können Sie weitere 20 dB oder so erhalten. Und wenn Sie dann Antennen mit höherem Gewinn verwenden, erhalten Sie den Rest des Weges, bis hin zum erforderlichen zusätzlichen Gewinn von 42 dB. Die niedrigeren Datenraten könnten durch die Tatsache kompensiert werden, dass Sie täglich 12 Stunden lang nahezu ständig kommunizieren. Alternativ könnten Sie eine höhere Frequenz und eine Parabolantenne verwenden, mit der Sie eine viel höhere Verstärkung erzielen können, und eine ähnliche Leistung könnte sichergestellt werden.

Fazit ist, dass dies ein machbares Problem ist, obwohl es ein bisschen schwierig wäre, es zu handhaben. Es sollte zuerst getestet werden, indem ein Signal vom Mond reflektiert und überprüft wird, ob Sie das Echo hören. Dies sollte mit der gleichen Modulation erfolgen, mit der Sie hören möchten. Wenn du das durchziehst, solltest du startklar sein.

Ja, es wird geforscht. Beispielsweise beschreibt dieses JPL-Papier ein Design für eine Parabolantenne mit einem Durchmesser von 50 cm, die gefaltet und in 1,5 HE verstaut werden kann und einen Gewinn von 42 dB bietet.

Ein anderer Ansatz ist das Reflectarray, eine Antenne, die anstelle einer Schüssel einen Flachbildschirm verwendet, mit Strukturen auf dem Panel, die wie eine Fresnel-Linse aussehen, um die Funkwellen zu fokussieren.

JPL untersucht dies ebenfalls.
MMA Design arbeitet an einem Reflectarray von 1 m Durchmesser, packt in 1 HE, ebenfalls Gewinn im Bereich von 40 dB. Dieses Design kombiniert die Antenne mit dem Solarpanel:

Ich denke, dass die Erde-Mond-Kommunikation mit einem CubeSat im Mondorbit machbar ist, auch wenn es viel Aufwand erfordern würde.

Das Schließen der Verbindung ist ein Kompromiss zwischen der Betriebsfrequenz, der verfügbaren Leistung auf dem Satelliten und dem für die Antenne verfügbaren Volumen auf dem Satelliten (je höher die Frequenz, desto höher die Pfadverluste, desto kleiner die Antenne).

Wie soll die Kommunikation mit einem CubeSat über so große Distanzen funktionieren?

Meistens auf die gleiche Weise, bis auf den sehr langen Weg, der sehr hohe Verluste bedeutet. Die Verfolgung des Raumfahrzeugs wäre weniger anspruchsvoll in Bezug auf die Geschwindigkeit, aber anspruchsvoller in Bezug auf die Zielgenauigkeit.

Wurde es für 1U-CubeSats erforscht oder vorgeschlagen?

Ich glaube nicht, bisher wurden nur 3U oder (vorzugsweise) 6U CubeSats für Beyond-LEO-Missionen in Betracht gezogen.

Gibt es besondere Anforderungen an Frequenzen, Antennen, Stromverbrauch ... ?

Grundsätzlich benötigen Sie einen sehr guten Richtmechanismus, eine sehr gerichtete Antenne mit hoher Verstärkung und einen sehr guten rauscharmen Verstärker. Was für die übliche Hinterhof-Bodenstation etwas Ungewöhnliches ist.

Was ist zu beachten, wenn man seine Hobby-Bodenstation für so etwas nutzen möchte, wenn sie bereits für CubeSats in LEO funktioniert?

Antworten auf die vorherigen Fragen sind alles Punkte, die einige Anstrengung erfordern.