Warum sind Deep Space "Beacons" normalerweise UHF, so niedrig (in der Frequenz), dass DSN sie nicht hören kann? Und wie ungewöhnlich ist es für einen Mars-Lander, ein X-Band-Leuchtfeuer zu haben?

Diese Antwort auf Gibt es unabhängige Beweise dafür, dass China im Mai 2021 einen Roboter auf dem Mars gelandet hat? und ein ausführlicher Kommentar darunter weisen darauf hin, dass der Zhurong-Mars-Lander ein X-Band-Funkfeuer hatte, Informationen, die von https://destevez.net/2021/05/tianwen-1-landing/ zitiert werden, das auf diesen Tweet verweist .

Baken, Töne, Herzschläge sind Funksignale, die wenig bis gar keine codierten Daten enthalten, aber ihre Existenz, Amplitude und insbesondere die Dopplerverschiebung enthalten eine Fülle von Informationen über den Zustand des Raumfahrzeugs, den Missionsfortschritt und die erfolgreiche Ausführung von Orbitalmanövern und in den letzten fünf Jahren wurden verwendet, um sowohl Erfolge als auch Post-Mortem-Misserfolge von Landungen zu demonstrieren.

Meines Wissens sind diese Baken auf VHF/UHF-Frequenzen, Perseverence's war zum Beispiel etwa 400 MHz. Aus:

Dieser VHF-Ton liegt bei etwa 400 MHz und wurde früher vom Green Bank Observatory verfolgt . Ich weiß nicht, ob es Green Bank war, die es auch während EDL erhielt oder nicht, aber Mars stand zu dieser Zeit sicherlich hoch am Himmel (Elevation > 65°), also scheint es wahrscheinlich.

Schiaparellis war 401,6 MHz: ExoMars Schiaparelli Direct-to-Earth Observation using GMRT (auch hier ).

Solange Sie weit über sagen wir 60 MHz liegen, können Sie grundsätzlich davon ausgehen, dass die Ionosphäre ziemlich transparent ist. Je näher Sie der Plasmafrequenz der Ionosphäre kommen, desto mehr Brechungs-, Szintillations- und astronomische Seeing-Effekte treten auf, aber wahrscheinlich sollte alles über 100 oder 150 MHz in Ordnung sein.

Für Deep-Space-Verbindungen, wenn hohe Datenraten oder genaue Entfernungsratenmessungen erforderlich sind, werden viel höhere Frequenzen verwendet. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Stärke des empfangenen Signals vom Verhältnis des Durchmessers der Sendeschüssel zur Wellenlänge abhängt (Schmalheit des Beugungsmusters des Strahls, wenn er sich über Millionen bis Milliarden km ausdehnt). Die Effizienz der Empfangsantenne hängt nicht linear von der Wellenlänge ab, obwohl ein schmaler Strahl in einigen Fällen das S/N verbessern kann.

Sie müssen vorsichtig sein, da das Verhältnis des Durchmessers jeder Antenne zur Wellenlänge verwendet wird, um die Gewinne für jede einzelne Antenne als Teil einer klassischen Link-Budget-Berechnung zu berechnen, aber dies ist eine Eigenart der Art und Weise, wie Link-Budgets normalerweise durchgeführt werden, und es gibt eine λ 2 in dem "Freiraumpfadverlust" vorhanden, von dem man normalerweise denken würde, dass er nur sein sollte 1 / R 2 .

Wie auch immer , Beacons werden notwendigerweise mit Rundstrahlantennen gesendet, weil wir das Raumschiff nicht ausrichten müssen, um sie zur Erde zu senden, also haben diese Sendeantennen keine sinnvollen Durchmesser, und wir weisen ihnen einfach Gewinne nahe 0 dBi (Dezibel relativ zu einem theoretischen isotropen Strahler).

Fragen:

  1. Warum also sind Beacons traditionell im UHF in Frequenzbändern so niedrig, dass das Deep Space Network sie nicht einmal empfangen kann? Es würde keinen Sinn machen, mehrere DSN-Schüsseln mit einem UFH-Empfänger zu ergänzen, aber warum nicht die Frequenz der Beacons erhöhen?
  • Ist es schwieriger, eine isotrope Sendeantenne herzustellen, wenn die Wellenlängen bis auf Zentimeter heruntergehen?
  • Sind die Sender schwerer, teurer, weniger effizient/zuverlässig oder anderweitig unerwünscht, beispielsweise im S-Band oder in den höheren X-, Ku- und Ka-Bändern?
  • Ist es etwas ganz anderes?
  1. Wie ungewöhnlich ist es für einen Mars-Lander wie Zhurong, ein X-Band-Leuchtfeuer zu haben?

Zufälliges Faktoid: Iris V2.1 CubeSat Deep Space Transponder; X-, Ka-, S-Band und UHF Deep Space Telecommunications and Navigation (auch hier )

Ich dachte, ich hätte hier eine Antwort gelesen. Ziehen Sie in Betracht, die Dinge herauszuschneiden, die keine Frage sind.
@Innovine Die Informationen dienen zwei Funktionen, die für eine Stack Exchange-Frage wesentlich sind: Sie unterstützen die Prämisse der Frage und liefern Beweise für die Forschung. Wenn die Leute mit beiden vertraut sind, können sie sofort zu dem Teil mit der Bezeichnung Fragen: in Fettschrift springen , aber einige dieser Quellen bieten Ressourcen, die bei der Formulierung einer Antwort hilfreich sein können. Viele meiner Fragen sind ziemlich kurz, einige sind lang. Dieser spezielle ist lang, weil er wirklich Prämissenunterstützung und Beweise für frühere Forschung erfordert. Ich habe Erfahrung damit, hier zu fragen, und ich weiß, was passiert, wenn ich diese weglasse
@Innovine Wie geschrieben verhindert es auch nicht hilfreiche, nicht informative Quickie/quipy-Antworten wie "Sie haben nicht viele Daten, können sich also einen geringeren Gewinn leisten", die leicht als Antwort durchgehen könnten, wenn ich die Frage nicht sorgfältig eingeschränkt hätte. Hier ist so ein Beispiel von vor sechs Wochen.
Es scheint bisher alle Antworten verhindert zu haben.
@Innovine widerspricht stark: "bisher"? Die Frage ist erst 5 Stunden alt , die meisten Leute in den USA sind noch nicht einmal aufgewacht! „• Ist es schwieriger, eine isotrope Sendeantenne herzustellen, wenn die Wellenlängen bis auf Zentimeter heruntergehen? • Sind die Sender schwerer, teurer, weniger effizient/zuverlässig oder anderweitig unerwünscht, sagen wir im S-Band oder den höheren X-, Ku- und Ka-Bändern • Ist es etwas ganz anderes?" Ich greife nach Strohhalmen, alles, was benötigt wird, ist, dass jemand, der sich auskennt oder einfallsreich ist, es herausfindet. Das ist das genaue Gegenteil davon, Antworten zu verhindern.
@Innovine Es gibt mehrere wirklich sachkundige Antwortautoren, die sich nicht einmal jeden Tag anmelden, möglicherweise einige nur am Wochenende. Ich bin zuversichtlich (basierend auf ein paar tausend früheren Fragen hier), dass Antworten kommen werden. Geben wir ihm einfach etwas Zeit.
Ich habe gesehen, wie Antworten in weniger als 5 Stunden akzeptiert wurden: p
Umfasst Beacon Entfernungsmessung und andere Navigationssignalanalysen?
@BrendanLuke15 Überprüfen Sie meinen 2. Satz. "Beacons, Tones, Heartbeats sind Funksignale, die wenig bis gar keine codierten Daten enthalten, aber ihre Existenz, Amplitude und insbesondere die Dopplerverschiebung enthalten eine Fülle von Informationen über den Zustand des Raumfahrzeugs, den Missionsfortschritt und die erfolgreiche Ausführung von Orbitalmanövern ..." Sichtliniendoppler hilft, ist aber nicht wirklich Tracking. Überprüfen Sie noch einmal meinen späteren Satz "Für Deep-Space-Verbindungen, wenn hohe Datenraten oder genaue Entfernungsratenmessungen erforderlich sind, werden viel höhere Frequenzen verwendet."

Antworten (1)

Ich glaube nicht, dass die UHF-Systeme auf dem Mars als „Leuchtfeuer“ dienen sollen, es ist nur eine Folge der bestehenden UHF-Infrastruktur auf dem Mars und des Wunsches des Betreibers, mehr Informationen aus seinen Raumfahrzeugen herauszuholen.

Nehmen Sie einige der in der Frage aufgeführten Beispiele; Schiaparelli und Mars 2020/Ausdauer:

Das in der Frage verlinkte Papier [ 1 ] über ExoMars Schiaparelli EDM- Beobachtungen des Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) besagt:

Schiaparelli hat keine Direct-to-Earth-Fähigkeit und verlässt sich auf die Mars-Orbiter, um seine UHF-Kommunikation zurück zur Erde zu übertragen.

Darüber hinaus heißt es in diesem ESA-Blogbeitrag [ 2 ]:

Das Signal wird sicherlich sehr schwach sein – Schiaparelli war nie dafür ausgelegt, bis zur Erde zu senden. Daher ist die GMRT-Verfolgung von Schiaparelli in hohem Maße ein Experiment – ​​ein „nice-to-have“, damit wir den Abstieg in Echtzeit verfolgen können. [Hervorhebung von mir]

Dies ist also kein absichtliches „Leuchtfeuer“, wie in der Frage beschrieben (glaube ich), sondern Betreiber, die versuchen, eine andere Informationsquelle über ihr Raumfahrzeug zu finden, indem sie aus dem Signal ein „ Leuchtfeuer“ erstellen . Die UHF-Übertragung sendete tatsächliche Daten an die horchenden Anlagen im Orbit, und das GMRT versuchte nur, die viel stärkere Trägerfrequenz für die Doppleranalyse zu erfassen.

Ich denke, es ist wichtig, den Unterschied zwischen dem oben beschriebenen Szenario und einem expliziten, absichtlichen „Leuchtfeuer“-Signal/-Gerät zu beachten.

Für MSL/Curiosity und Mars 2020/Perseverance spüre ich das gleiche Thema [ 3 ]:

Es besteht die Möglichkeit, das UHF-Signal von einer großen Bodenstation auf der Erde, wie dem Radioteleskop Green Bank in West Virginia, zu überwachen

[ 4 ]:

Will Armentrout, Projektwissenschaftler des Green Bank Observatory für Perseverance […] Auf die Frage, was er für die Perseverance-Landung 2021 tun werde, antwortete Armentrout: „Unterstützung der GBT-Kontrollen, betend, dass wir dieses Signal sehen .“ [Hervorhebung von mir]

Quelle [ 3 ] ist der fantastische (und ich wage zu behaupten, die endgültige Quelle) DESCANSO-Artikel über das Design von Telekommunikationssystemen von MSL/Curiosity und damit auch von Perseverance . Interessanterweise liefert die Suche im Dokument nach den Wörtern „beacon“ und „heartbeat“ keine Ergebnisse . 'Ton' liefert 54 Ergebnisse:

  • Goldton : 15 (DSN-Station )
  • DOR-Töne: 1 (vom Fragebereich ausgeschlossen)
  • Direct-To-Earth (DTE) "Semaphore, die sogenannten Multiple Frequency Shift Keying (MFSK)-Töne"[ 3 ]: 36 (ich denke, vom Fragebereich ausgeschlossen)

Diese DTE-'Töne' sind X-Band [ 3 ]. Sie sind kein Leuchtfeuer.

Sind die Sender [schlechter] bei [höheren Frequenzen]:

Nein, sie scheinen sehr vergleichbar zu sein, hier ist eine Auswahl von einigen, für die ich Datenblätter finden konnte ( viel Glück beim Kostenvergleich ):

Einheit: Frequenzband: Masse: Elektrische Energie: Größe: Quelle:
T-748 Sender mit hoher Datenrate X & Ka < 5,4 Pfund < 30 W 6,325" L x 7,1" B x 4,0" H [5]
Electra UHF-Transceiver UHF 4,9 kg 68 W (Senden/Empfangen), 18,4 W (nur Empfangen) 17,2 cm (B) x 21,9 cm (L) x 14,0 cm (H) [6]
(C/TT-510) Electra-Lite UHF 3 kg (typisch) 65 W (Transceive, typisch), 15 W Standby 6,35" B x 8" T x 4,11" H [7]
C/TT-520 S-Band-Multimode-Transponder S 2,95 kg (6,5 lbs) ohne Diplexer, < 9,0 lbs mit Diplexer < 8 W max (nur Empfang), < 80 W (Senden/Empfangen) 8,6" L x 4,1" B x 4,6" H ohne Diplexer, 9,5" L x 5,7" B x 4,6" H mit Diplexer [8]
Sender mit hoher Rate (HRT150) Ku 5 Pfund max 47 Watt max 8,0" L x 6,6" B x 3,2" H max [9]
S-Band TDRSS / DSN-Transponder S 4,9 kg (10,7 Pfund) max 13,8 W (nur Empfang, nominal), 18 W (Transceive, nominal) 7,575" L x 8,92" B x 6,00" H [10]
Weltraumqualifizierter Multi-Mode-Standardtransponder (MST) S < 6,0 Pfund < 10 W (nur Empfang), 44 - 46 W (Tranceive) 9,40" x 7,30" x 2,30" [11]
Kleiner Deep-Space-Transponder (SDST) X & Ka 3,2 kg (7,0 Pfund) max 12,5 W (nur Empfang), 19,5 W (Senden/Empfangen) 7,13" L x 6,55" B x 4,50" H [12]

Wie ungewöhnlich ist es für einen Mars-Lander wie Zhurong, ein X-Band-Leuchtfeuer zu haben:

Wie von der Frage gestellt, würde ich sagen, sehr ungewöhnlich . Im Sinne des dedizierten Beacon-Signals/Geräts, nicht im Sinne des X-Bands. Die angegebenen Informationen, die von einem Leuchtfeuer-ähnlichen Signal erhältlich sind, sind gleichermaßen von jedem Signal des Raumfahrzeugs verfügbar, also warum diese Informationen nicht in Kombination mit Telemetrie erhalten?

Quellen:

[1]: ExoMars Schiaparelli Direct-to-Earth Observation using GMRT, Esterhuizen et al. (2019)

[2]: HÖREN EINER ALIENLANDUNG, Daniel Scuka (2016)

[3]: DESCANSO Design and Performance Summary Series Article 14 Mars Science Laboratory Telecommunications System Design, Makovsky et al. (2009)

[4]: Mars Rover Phones Home, Green Bank Telescope Antworten

[5]: L3 Harris T-748 High-Data-Rate-Sender

[6]: The Electra Proximity Link Payload for Mars Relay Telecommunications and Navigation, Edwards et al.

[7]: L3 Harris C/TT-510 Electra-Lite-Transceiver

[8]: L3 Harris C/TT-520 S-Band-Transponder

[9]: HRT150 Ku-Band-Sender von General Dynamics

[10]: General Dynamics S-Band-Transponder (SBT)

[11]: General Dynamics Multimode-Standardtransponder (MST)

[12]: General Dynamics Small Deep Space Transponder (SDST)

Vielen Dank für Ihre Antwort! Ich möchte widersprechen, aber es scheint, ich kann nicht :-) Ich würde gerne an Beacons "glauben", also wird es einige Zeit dauern, bis ich mich an den Gedanken gewöhne, dass sie nicht so eine Sache sind, wie ich dachte . So eine schön geschriebene, sorgfältig recherchierte und gründlich recherchierte Antwort. Das bekommt ein+n!
@uhoh das ist okay, ich glaube immer noch an den Planeten Pluto! ;)
Warum sind Deep Space "Beacons" normalerweise UHF, so niedrig (in der Frequenz), dass DSN sie nicht hören kann? Und wie ungewöhnlich ist es für einen Mars-Lander, ein X-Band-Leuchtfeuer zu haben?
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