Wie erhält die NASA Informationen von Raumsonden?

Meistens durch Funkwellen.

Einige "Informationen" werden physisch zurück zur Erde transportiert. Die Apollo-Missionen brachten 382 kg Mondproben zurück zur Erde und das Luna-Programm der Sowjetunion brachte 0,326 kg Mondproben zurück zur Erde. Diese Art von Rücksendung ist eine sehr wertvolle Information. Selbst mit dem Erfolg der Mars-Rover-Programme würde eine Mars-Probenrückgabemission immer noch sehr nützliche Einblicke in die Geologie des Mars geben.

Kürzlich hat die NASA mit der Verwendung von Lasern anstelle von Funkkommunikation experimentiert. Die mit der Laserkommunikation verbundenen viel höheren Frequenzen haben das Potenzial einer viel höheren Kommunikationsrate. Die Lunar Laser Communication Demonstration auf dem Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer erreichte eine Downlink-Rate von 622 Megabit pro Sekunde. Das ist um Größenordnungen höher als die mit Funkwellen erreichbare Rate.

Update bezüglich Latenzen:
Die Lichtgeschwindigkeit diktiert die Latenz für Fahrzeuge weit jenseits der Erde, wie die Rover auf dem Mars und das New Horizons-Fahrzeug auf dem Weg nach Pluto. Die einfache Fahrtzeit zwischen New Horizons und der Erde beträgt etwa 4,5 Stunden, wenn das Fahrzeug an Pluto vorbeifliegt. Befehle müssen mindestens 4,5 Stunden im Voraus gesendet werden, was zu einer Verzögerung von 9 Stunden zwischen dem Senden eines Befehls und dem Empfang der Antwort des Fahrzeugs auf den Befehl führt.

Bei Fahrzeugen im erdnahen Orbit wie der ISS und dem Hubble ist die Lichtgeschwindigkeit nur ein kleiner Teil der Kommunikationsverzögerung. Sehen Sie sich ein NASA-Video an, in dem Missionsleiter mit den Astronauten an Bord der ISS sprechen. Es gibt ungefähr vier oder fünf Sekunden Verzögerung, selbst bei einfachen Fragen wie "ISS-Crew, bist du los?" Die Einweg-Reisezeit zwischen der niedrigen Erdumlaufbahn (oder Erdoberfläche) und der geosynchronen Umlaufbahn beträgt etwa eine Viertelsekunde. Verdoppeln Sie das und Sie erhalten eine halbe Sekunde für die Lichtverzögerung beim Hin- und Herfahren.

Woher kommen also diese zusätzlichen vier Sekunden oder so? Die Antwort sind Bits, die innerhalb und zwischen Computern herumspringen. Das "Are you go?" des Mission Controllers. Die Abfrage wird digitalisiert, mit anderen Signalen gemischt, die an die ISS gesendet werden, und über Bodenverbindungen nach White Sands übertragen. Das Signal tritt am NASA-Bodenterminal in White Sands ein, wo es mit anderen Signalen gemischt wird, die schließlich an den entsprechenden Verfolgungs- und Datenrelaissatelliten gesendet werden. Das von der NGT konstruierte Signal macht als nächstes einen kurzen Sprung zum White Sands Ground Terminal, das noch mehr Daten manipuliert. Das Signal wird als nächstes an eine Antenne gesendet und an das TDRS übertragen. Das am TDRS ankommende Signal muss in Einzelteile zerlegt werden, ein weiterer Computer am Werk. Dieses Signal wird an die ISS gesendet, wo es noch einen weiteren Computer durchläuft, bevor die Crew es hört. Der gesamte Vorgang wird umgekehrt, wenn die Besatzung "Los!" antwortet. zur Abfrage.

Wie David sagte, kommunizieren Sonden im Allgemeinen über Funk. Raumsonden mit großer Reichweite tragen oft eine Parabolantenne.

Eine Parabolantenne fokussiert das Signal in einen schmalen Kegel. Im Vergleich zu einer Standard-Wurfantenne, die gleichmäßig in alle Richtungen sendet, sorgt eine Schüssel dafür, dass so viel Signal wie möglich in Richtung des Empfängers gesendet wird.

Dies ergibt das stärkste Funksignal, das innerhalb des begrenzten Leistungsbudgets der Sonde möglich ist.

Für Raumsonden, die sich nicht in der Erdumlaufbahn befinden, betreibt die NASA das Deep Space Network (DSN): eine Reihe großer Parabolantennen, die dafür ausgelegt sind, die sehr schwachen Funksignale von weit entfernten Raumsonden zu empfangen. Sie können immer noch mit den Voyager-Sonden am anderen Ende des Sonnensystems kommunizieren.
Bei Mars-Bodenmissionen kommuniziert der Rover oder die Bodenstation oft mit einem Orbiter. Der Orbiter leitet das Signal zur Erde weiter.

Wenn Sie eine Parabolantenne auf der Erde verwenden, können Sie sie sehr groß machen, um mehr Signal zu sammeln. Je größer die Schüssel, desto schwächere Signale kann sie aufnehmen.

Als letzter Schritt ist der Empfänger auf der Erde sehr empfindlich. Der Empfänger wird oft auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt, um Rauschen zu reduzieren.

Dadurch kann diese Kette (Sender mit Parabolantenne, empfindlicher Empfänger mit großer Parabolantenne) einen 10-W-Sender aus 100 AE Entfernung empfangen.

Weitere Einzelheiten finden Sie in diesen verwandten Fragen:
Kommunikation mit Voyager
-DSN-Operationen

Hubble ist nahe genug, dass es den DSN nicht benötigt. Es befindet sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn, daher ist Latenz kein wirkliches Problem. Beim Mars liegt die Latenz in der Größenordnung von 15 Minuten. Für Voyager sind es etwa 15 Stunden (einfache Fahrt).