Wie haben LADEE und LDRC ihre Entfernung von der Mondumlaufbahn zur Erde mit einer Genauigkeit von 1 cm mithilfe optischer Kommunikation gemessen?

Bei der optischen Kommunikation haben wir es nicht mit elektromagnetischen Wellen zu tun, die in einer Antenne mit lächerlich geringer Leistung gesammelt, um viele Größenordnungen verstärkt und dann mit einer bekannten Signalform korreliert werden müssen, um aussagekräftige Informationen daraus zu extrahieren reichlich Lärm.

Bei optischen Verbindungen (hier: Infrarotlicht bei 1500 nm) trägt jedes vom Teleskop empfangene Photon genug Energie, um einzeln detektiert und seine eigene Ankunftszeit auf wenige Dutzend Pikosekunden genau bestimmt zu werden.

Aber gehen wir einen Schritt zurück, in Anlehnung an Boroson et al. in "The Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD)": Der Laser auf LADEE überträgt Daten mit einer Rate von bis zu 622 MBit/s mit einer Lasermodulation bei 3 GHz, die 300 ps lange Lichtpulse erzeugt. Auf der Empfängerseite wird Licht mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPD) detektiert, die Zeitinformationen mit einer Genauigkeit von 30 ps liefern. Diese bestehen aus einem supraleitenden Material, das jedes Mal, wenn es von einem Photon getroffen und absorbiert wird, für einen kurzen Moment die Supraleitfähigkeit verliert, was von einer empfindlichen Elektronik erkannt werden kann, die den Spannungsabfall entlang des Drahtes misst.

Mit dieser Timing-Funktion läuft der gesamte Messprozess darauf hinaus, einen kurzen Bitstrom zu senden und die Zeit zu messen, bis er vom Satelliten zurückkehrt. Ein einzelnes Photon (das zu einem bekannten Bit im Stream gehört) gibt Ihnen bereits eine Genauigkeit von 150 ps (weil es unbekannt ist, wann genau es während eines 300 ps langen Pulses gesendet wurde) oder eine Entfernungsgenauigkeit von 10 cm. Das Fortsetzen der Messung für die nächsten paar tausend Photonen (dh höchstens einige Mikrosekunden) reduziert die Unsicherheit, indem es auf die behauptete Genauigkeit von 1 cm mittelt.

Eine Sache, die oben fehlt, ist die Tatsache, dass die Zeit, die der Satellit zwischen dem Empfang eines Bits und dem Senden der Antwort benötigt, ebenfalls mit hoher Genauigkeit bekannt sein muss. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder sie misst diese Zeit nach dem gleichen Prinzip wie bei der Bodenstation beschrieben - oder der Satellit nutzt einen erweiterten Bitstrom, um das Taktsignal zurückzugewinnen und dieses für seinen Sender zu verwenden, also mit einer festen zu senden und vorbestimmter Latenz.

Eine Doppler-Messung zum Erhalten der radialen Geschwindigkeitskomponente könnte auch basierend auf der 3-GHz-Modulation durchgeführt werden, aber aufgrund der sehr kurzen Zeit einer Entfernungsmessung wird sie wahrscheinlich nicht benötigt – sie könnte auch durch mehrere nachfolgende Entfernungsmessungen ersetzt werden.