Wie fangen die kleinen Funkempfänger auf Raumsonden genug Signal ein, um mit uns zu kommunizieren?

Wie Sie anmerken, kommunizieren wir über Funk, aber es ist nicht ganz so schwierig, wie Ihre Frage klingt. Verstehen Sie mich nicht falsch, es ist immer noch eine erstaunliche technische Leistung, aber wir können durchgehen, wie es möglich ist.

Zunächst können wir uns dies anhand einer Analogie vorstellen. Sie denken vielleicht, dass dies so ist, als wären Sie nachts in einem Stadion, mit riesigen, hellen, weißen Lichtern, die von oben herab scheinen, und Sie versuchen, jemanden mit einer winzigen stiftgroßen Taschenlampe auszusuchen, die direkt daneben leuchtet diese großen Lichter. Aber das ist keine gute Analogie. Stattdessen verwenden wir Radiowellenlängen, die relativ leise sind, soweit es die meisten anderen Signale aus dem Kosmos betrifft. Es ist also eher so, als hätten Sie diese wirklich hellen Stadionlichter, die nur Licht von Blau bis Rot ausstrahlen, und Sie strahlen ein kleines ultraviolettes Licht davon ab. Wenn Sie einen Ultraviolettfilter haben, werden diese hellen Stadionlichter praktisch nicht einmal eingeschaltet, und Sie können das winzige ultraviolette Licht, das daneben scheint, leicht erkennen.

Zweitens haben wir das Problem der Signalstärke. Wenn die NASA (oder die ESA oder eine andere Weltraumbehörde) ein Signal sendet, das sie von einem Raumfahrzeug empfangen möchten, ist dieses Signal extrem stark. Die Antennen können ein Signal mit bis zu etwa 20 kW übertragen ( siehe zum Beispiel diese andere StackExchange-Frage ). Genug Energie, um ein großes Haus zu betreiben, alles konzentriert in einem Funksignal auf einer sehr, sehr spezifischen Frequenz. Diese Sender sind außerordentlich gut und variieren um weniger als 1 Teil von 1.000. Es ist ähnlich, warum ein grüner 5-Milliwatt-Laserpointer so hell aussehen kann, aber eine 100-Watt-Glühbirne ein angenehmes Leselicht ist: Die gesamte Leistung konzentriert sich nur auf diese bestimmte Frequenz (dies ist keine perfekte Analogie, da dies auch der Fall ist). damit zu tun, wie Ihr Auge Licht fokussiert).

Drittens, wie viele Informationen pro Zeiteinheit (z. B. pro Sekunde) übertragen werden können, hängt davon ab, wie viel Sie diese Leistung aufteilen und dennoch vom Raumschiff empfangen können. Wenn Sie dieses 20-kW-Signal in 20 Teile pro Sekunde aufteilen, senden Sie 20 Bits pro Sekunde, und jedes Bit hat bei der Übertragung 1 kW Leistung.

Viertens breitet sich das Licht natürlich aus und wird gedämpft, während es sich bewegt, und folgt dem Gesetz des umgekehrten Quadrats. Daher müssen wir die Empfängerantennen des Raumfahrzeugs so konstruieren, dass sie diese kleinen Signale über dem Pegel des Hintergrundrauschens erkennen können. Wenn das Raumschiff weiter von der Erde entfernt ist, müssen wir die Bitrate verringern, damit jedes Bit genug Energie hat, um erkannt zu werden. Die empfangene Leistung wird oft wie Schall in dB (Dezibel) ausgedrückt. Ich habe keine Zahlen für Marsfahrzeuge, aber ich kann Ihnen sagen, dass die Antenne bei New Horizons bei Pluto mit einem 10-kW-Signal ein Signal von etwa 50–55 dB erhalten würde, was weit über dem Hintergrundrauschen von allen liegt andere Quellen. Wenn es laut wäre, wäre das ein normaler Geräuschpegel für Haushaltsgespräche.

Fünftens erhält ein Signal vom Raumschiff zur Erde. Vielleicht haben die Sender auf diesen Raumfahrzeugen offensichtlich keine 10 kW, um sie in ihr Signal zu stecken. Stattdessen müssen sie sich auf zwei Dinge verlassen: Verringern Sie die Bitrate, damit jedes Bit mehr Leistung enthält, und verlassen Sie sich darauf, dass die Teleskope des Deep Space Network größer sind und daher schwächere Signale erkennen können als diese Raumfahrzeuge. Die 70-m-Schüsseln des Deep Space Network selbst können Signale im pW-Bereich (Picowatt oder 10 ^-12 Watt) erkennen, bevor sie im Rauschen verloren gehen, vorausgesetzt, dass dieses Signal auf ähnliche Weise mit einer Wellenlänge übertragen wird, die andere zufällige kosmische Quellen nicht haben laut an. Wenn ich meine Konvertierung richtig mache, ist 1 pW -90 dBm oder -120 dBW (dB bezogen auf 1 mW oder 1 W Leistung).

Die Mathematik ist dann ziemlich einfach zu sagen: (a) Sie können mit einer bestimmten Gesamtleistung senden, (b) Sie können Signale mit einer bestimmten Mindestleistung empfangen, (c) diese Gesamtleistung wird basierend auf einem bestimmten Faktor abfallen wie weit sind Sie entfernt, (d) wie viel kann ich dann diese verringerte Leistung teilen, um meine Bitrate zu erhalten?

Aus diesem Grund hat New Horizons in der Nähe von Pluto Daten mit etwa 1300–2400 Bit pro Sekunde übertragen, aber im Moment liegt die Bitrate näher bei etwa 600–700 Bit pro Sekunde, da das Fahrzeug etwa 5 AE weiter entfernt ist und es hat weniger Energie, die es in seinen Sender stecken kann, da seine Plutonium-Energiequelle weiter zerfällt.

Insbesondere bei Rovern sind diese Schalen oft kleiner und verlassen sich auf umlaufende Raumfahrzeuge mit größeren Schalen, um Signale von der Erde zu empfangen und Signale zur Erde zu übertragen, effektiv als Relais zwischen der Erde und dem Rover.

Und der Teleskopdurchmesser wird verwendet, also von Kante zu Kante "in der Luftlinie", im Gegensatz dazu, wie die Ameise geht.

PS Ich habe geholfen, diese Infografik / Informationsbroschüre für New Horizons zu entwerfen , die viele dieser Fragen behandelt.