Werden zukünftige "Bodenstationen" für die optische Kommunikation im Weltraum tatsächlich im Weltraum oder am Boden sein?

Bodenstationen für Weltraumkommunikation sind am Boden, weil allein ihre Sende- und Empfangselektronik sperrig und schwer ist, ganz zu schweigen von ihren 34- und 70-Meter-Schüsselantennen!

Diese Einschränkungen ändern sich jedoch, wenn es sich um ein 1-Meter- oder kleineres Teleskop mit einer Laserdiode oder Fotodiode (oder einem supraleitenden Ding) in der Brennebene handeln kann, wodurch die viel kleinere theoretische Beugungsgrenze ausgenutzt wird. Zum Beispiel gerade jetzt in DSN. Jetzt sehe ich DSS-14, eine 70-Meter-Schüssel, die Signale von Juno 8,4 GHz empfängt. Das ist also eine Wellenlänge von 3,6 Zentimetern ( D / λ ) 2 ≈ 3.8 × 10 6 .

Wenn stattdessen ein 0,85-Meter-Teleskop bei 850 nm (einer zufälligen, typischen AlGaAs-Laserwellenlänge) verwendet würde, hätten wir ( D / λ ) 2 ≈ 10 12

Denken Sie daran, dass der weitaus höhere Gewinn auch am anderen Ende des Links verfügbar ist, daher ist diese Analyse eine grobe Unterschätzung der gesamten Verbesserung des Link-Budgets, die optisch geht, aber das ist in Ordnung, weil ich einige der Herausforderungen nicht berücksichtigt habe .

Ein Laser mit wenigen Watt ist vergleichbar mit einem Sender mit einer tiefen Raumsonde mit wenigen Watt und nur vier Größenordnungen niedriger als ein DSN-Sender (mit Ausnahme von Dingen wie: Wurde DSS-43 jemals im Hochleistungsmodus (>> 20 kW) für eine Notsituation? ), so dass unsere etwa einen Meter große Teleskop-"Bodenstation" eine 70-Meter-Schüssel schlägt, wenn sie stabil und um alle dazwischen liegenden Wolken herum ausgerichtet werden kann

Hubble kann stetig und um alle dazwischen liegenden Wolken herum ausgerichtet werden, und es gibt mehrere Orte in großer Höhe auf der ganzen Welt, an denen optische Teleskope stetig und normalerweise um dazwischen liegende Wolken herum ausgerichtet werden können, oft unter Verwendung adaptiver Optik . (Siehe auch die überraschenden Antworten auf Warum verwenden bodengestützte Observatorien keine adaptive Optik für sichtbare Wellenlängen? )

Frage: Optische Deep-Space-Sende-/Empfangsstationen von etwa einem Meter Durchmesser könnten im Erdorbit oder an mehreren Stellen am Boden sein, ggf. mit adaptiver Optik. Was sind die wichtigsten technischen Kompromisse, die bestimmen, wo sie am wahrscheinlichsten eingesetzt werden?

Unterhalb dieser Antwort hatte ich die folgende Sammlung von Fragen und Antworten zur optischen Kommunikation für den Weltraum zusammengefasst:

Die „interplanetare Funkkommunikation“ wird verschwinden und in nicht allzu ferner Zukunft durch optische ersetzt werden, da ein 20-kW-Sender oder ein mit flüssigem Helium gekühlter Front-End-Empfänger am Ende einer 34-Meter-Schüssel auf der Erde durch einige wenige ersetzt werden kann Watt-Laserdiode und eine Avalanche-Fotodiode oder eines dieser supraleitenden Dinger am Ende eines Teleskops mit 20 oder 50 cm Durchmesser. ( siehe auch )

Siehe auch Quantitativ, warum wird die optische Kommunikation für die Weltraumkommunikation besser sein als das X-Band? und Wie entwickelt sich die optische Fernkommunikation im Weltraum? und Gibt es Pläne oder ein Programm für einen optischen Relaispfadfinder für den Weltraum? und Welches optische Design wird vom Empfangsteleskop des GEDI verwendet und wie wird das Sekundärteil an Ort und Stelle gehalten? (Optical Com sieht ähnlich aus)

und Wann wird STP-3 mit dem neuen Optical Space Com Test starten und warum ist es spät? und Welchen GEO-Relay-Satelliten wird die ISS für die optische End-to-End-Kommunikation mit einer Bodenstation verwenden?

DSN Now-Screenshot

Eine sehr schwere Bodenstation, die sehr wahrscheinlich auf absehbare Zeit am Boden bleiben wird:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

DSS-43 von hier von der NASA.

Zusammenfassung der DSN-Durchmesser und Sendeleistungen in dieser Antwort

Es ist bemerkenswert, dass Starlink, soweit öffentlich diskutiert wurde, optische Verbindungen nur für die Kommunikation von Satellit zu Satellit haben wird. Um mit dem Boden zu sprechen, verwendet es Funk.
Wenn die optische Deep-Space-Sende-/Empfangsstation in einem Gebiet mit (fast) keinen Wolken wie der Atacama-Wüste platziert wird, sollte es funktionieren.
@Uwe Ich denke, es werden einige von ihnen für eine 24-Stunden-Abdeckung benötigt, wie die Art und Weise, wie DSN eingerichtet ist. Suchen Sie nach Standorten für Millimeterwellen-Radioteleskope oder Infrarot-Observatorien. diese sind empfindlich gegenüber dem Wassergehalt und befinden sich daher in Höhenlagen mit wenig Wasser und daher wenig Wolken.
Mein Verständnis der Branche ist, dass Laserkommunikation immer noch als nur für anständig große Raumfahrzeuge und nur für die Kommunikation im Weltraum möglich angesehen wird. Der Weltraum zur Erde führt zu vielen Verzerrungen aufgrund der Atmosphäre (DSN bietet Ionen- und Troposphären-Korrekturinformationen sowie Wetterinformationen). Nur anständige große Raumfahrzeuge verfügen normalerweise über eine ausreichend gute Lagekontrolle, um eine Laserverbindung aufrechtzuerhalten: Die Anforderungen an die Ausrichtung sind ziemlich streng.
@ChrisR Der Grund, warum ich in der Frage adaptive Optik bespreche, ist, dass sie einen Großteil der Verzerrungen in der Atmosphäre korrigieren kann , insbesondere wenn das Ziel im Gegensatz zu einem weiten Feld klein und die Blende bescheiden ist (ca. 1 Meter). Es hängt davon ab, dass es sich in ziemlich großer Höhe befindet (sowohl für reduzierte Turbulenzen als auch für weniger Wasserdampf und damit weniger Wolken), was bedeutet, dass die aktuellen DSN-Standorte für die Optik nicht optimal sind.
@ChrisR Ich bin auch anderer Meinung, dass die Größe des Raumfahrzeugs wichtig ist; Das einzige, was benötigt wird, ist ein schneller Aktuator in der Brennebene, so wie die aktive Bildstabilisierung in Kameras und sogar einigen Ferngläsern funktioniert, und eine bescheidene Artikulation mit einem niedrigeren Frequenzgang, sodass die Stellfläche auf einem Raumschiff meistens genau das Richtige ist Größe des Teleskops selbst. Ein 20- oder 30-cm-Cassegrain auf dem Raumfahrzeug (mit einem winzigen MEMS-betätigten optischen Koppler in der Brennebene) und ein etwa 1-Meter-Teleskop am Boden an mehreren astronomischen Observatoriumsstandorten ist alles, was benötigt wird.
Ich habe einige zufällige Zahlen gemacht und das Verbindungsbudget ist selbst mit einem unkorrigierten 1-Bogensekunden-Strahl für die Bodenstation aufgrund der Atmosphäre viel besser als eine Schüssel im Weltraum und eine Schüssel am Boden bei 8 GHz. Das einzige Problem, das ich sehe, ist, dass es nur nachts und bei gutem Wetter funktioniert, was astronomische Standorte auf der ganzen Erde zu erstklassigen Kandidaten macht.
Ich vertraue Ihren Berechnungen, da ich sie nicht durchgeführt habe, aber ich werde sagen, dass angesichts der Auslastung des DSN nur Nachtkommunikation nicht großartig ist. In Bezug auf den schnellen Aktuator spielt es keine Rolle, ob Ihr Raumschiff nicht gut auf den Boden zeigen kann. Denken Sie an einen CubeSat mit einem Magnetstab als Lagekontrolle in LEO, er wird wahrscheinlich nicht länger als ein paar Sekunden ununterbrochen auf die Bodenstation zeigen können. Die Aussage „größeres Raumfahrzeug“ war eine Abkürzung für „Raumfahrzeug mit gutem ADCS“.
Die andere Sache, die bei cislunaren und Deep-Space-Raumfahrzeugen zu berücksichtigen ist, ist, dass das DSN auch für die Entfernungsmessung verwendet wird, und dies erfordert eine kontinuierliche Verfolgung des Raumfahrzeugs für einige Stunden (normalerweise 2 bis 8 Stunden). Dadurch werden Reichweiten- und Reichweitenratendaten unter Verwendung derselben Übertragungsfrequenz wie für Datenkommunikationen generiert. Schließlich erfordert die Erzeugung eines leistungsstarken Lasers an Bord eine Menge Energie, und das sollte auch nicht vernachlässigt werden.
@ChrisR Der Titel der Frage beginnt mit "Will future deep space optical communication ...", also wird nicht danach gefragt, alle Aspekte von DSN und ähnlichen Netzwerken zu ersetzen. Stattdessen fragt es nur nach der Erweiterung der Kommunikationsfähigkeiten zu Weltraumfahrzeugen über optische Signale. Aber das wirft eine spannende Frage auf! Die kürzeste Entfernung, in der cubesat mit dem Deep Space Network kommuniziert hat? Cis-Mond jemals?
@ChrisR Ihr Kommentar zur Reichweite ist wirklich wichtig und regt zum Nachdenken an. Da ein Teleskop mit 1-Meter-Apertur viel schneller schwenken kann als eine 34- oder 70-Meter-Parabolantenne, können Sie jetzt über eine intermittierende Abtastung nachdenken. Auch wenn eine längere Zeitspanne von Daten erforderlich sein kann, müssen Sie nicht unbedingt kontinuierlich überwachen, solange das Phasenrauschen des codierten Signals ausreichend klein ist. Die Bandbreite der Entfernungssignale darf höchstens einige zehn MHz betragen, Sie müssen für die Genauigkeit lange abtasten, die BW einer optischen Verbindung kann einige zehn GHz betragen, sodass der modulierte Goldcode 1000-mal schneller sein kann!
@uhoh Das klingt wirklich interessant. Können Sie erläutern, was Sie unter intermittierender Abtastung verstehen, und ein Beispiel geben?
@ChrisR danke, ich werde es in Form einer Frage innerhalb der nächsten 24 Stunden tun.
SpaceX setzt bereits Laserverbindungen auf Starlink-Satelliten ein, die sich sicherlich als kleine Raumfahrzeuge qualifizieren. Sie müssen nur einige wenige Satelliten in einer oder zwei Ebenen mit einigen zusätzlichen Verbindungen für interplanetare Relaissatelliten ausstatten, und sie verfügen über eine massiv redundante Downlink-Fähigkeit durch die Phased-Array-Antennen, die zur Bereitstellung von Internetdiensten verwendet werden.
@ChristopherJamesHuff bedeutet "... mit einigen zusätzlichen Verbindungen ... ausstatten ...", dass sie einige optische Verbindungen von Raumfahrzeugen mit größerer Apertur (höherer Verstärkung) mit besseren Ausrichtungsfähigkeiten hinzufügen könnten, die "... für interplanetare Relaissatelliten erforderlich sind. .."?
@uhoh Die Standard-Starlink-Sats sind mit genügend Laserverbindungen ausgestattet, um eine Verbindung zu benachbarten Starlinks herzustellen (wahrscheinlich vorherige und nächste in derselben Ebene und einige mehr zum Überqueren von Flugzeugen), und ich dachte hauptsächlich, dass sie zusätzliche Verbindungen benötigen würden, um Aufgaben zu erledigen außerhalb davon ... obwohl sie stattdessen möglicherweise nur einen der normalen Links umleiten. Ich würde nicht erwarten, dass die Starlinks in geringer Höhe direkt interplanetare Kommunikation handhaben, aber ich kann sehen, dass die Standard-Inter-Starlink-Verbindungshardware ausreicht, um einen Relaissatelliten in einer höheren Umlaufbahn zu erreichen.
@ChristopherJamesHuff ich auch, danke!

Antworten (1)

Ein Bericht einer Studie zu diesem Thema, die 2005 von NASA JPL finanziert wurde, lautet "Deep-Space to Ground Laser Communications in a Cloudy World".. Basierend auf globalen Cloud-Statistiken berechneten sie die Erfolgswahrscheinlichkeit als Funktion der Anzahl der Empfangsstationen und optimierten deren Standort und stellten fest, dass die Anzahl, die zum Erreichen der gewünschten Verfügbarkeit benötigt wurde, weit über dem Budget lag. Eine Bodenstation in der Atacama ist gut, aber mehrere in der gleichen Wüste sind es nicht, weil die Autokorrelationslänge des Wolken/Keine-Wolken-Signals, das sie gefunden haben, etwa 600 km beträgt, also wenn eine Station in Chile bewölkt wäre, also würden die anderen wahrscheinlich gleichzeitig sein. Sie wollen sie alle in hoch gelegenen Bergobservatorien, aber über alle Kontinente verstreut, einschließlich Haleakala, Kilimanjaro, wenn Sie eine Erlaubnis bekommen, und andere weit voneinander entfernte, hohe und trockene Orte. Ein weiteres Problem sind Turbulenzen, die, da sie größtenteils durch Sonnenwärme verursacht werden, ist genau dort am schlimmsten, wo Wolken am wenigsten häufig sind, daher benötigen Sie eine adaptive Optik in Astronomiequalität und wahrscheinlich mehrere Meter verformbare Spiegel, um das Signal bei seiner Ankunft korrigieren zu können. Aerosole sind eine weitere Überlegung, die Küstenregionen aufgrund von Gischt weniger gut macht, sogar getrennt von der Feuchtigkeit, die Wolken erzeugt. Meine eigene Schlussfolgerung, nachdem ich die Arbeit dieser Gruppe mehrere Jahre lang verfolgt habe, war, dass der richtige Weg, es zu tun, ein Laser aus dem tiefen Weltraum in die Erdumlaufbahn ist, mit den Weltraum-Boden-Verbindungen in Funk für eine erschwingliche Verfügbarkeit.

Vielen Dank für die durchdachte und ausführliche Antwort! Nach der Lektüre bin ich restlos überzeugt. Mir ist jedoch klar, dass meine Frage eine falsche binäre Auswahl bot; es gibt natürlich eine dritte Option; Teleskope, die an Ballons in großer Höhe hängen :-) Ich stelle mir irgendwie so etwas wie ein Mashup von Project Loon + ASTHROS vor . Es könnte von Überschussmanagern von JWST und der F-35 überwacht werden, und SpinLaunch kann helfen, frühzeitig Mittel zu beschaffen.
Werden zukünftige "Bodenstationen" für die optische Kommunikation im Weltraum tatsächlich im Weltraum oder am Boden sein?
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