Wie konnte New Horizons Daten so präzise zurück zur Erde leiten?

Die Raumsonde New Horizons sendet Bilder der 6,4 Milliarden Kilometer entfernten Ultima Thule zurück .

Abgesehen von einer sehr großen Macht, Informationen in einem sehr großen Winkel zurückzusenden, scheint es mir, dass das Maß an Präzision, um diese Informationen zurückzusenden, damit sie von einer Antenne auf der Erde erfasst werden können, unerschwinglich schwer zu erreichen ist. Wie erreicht die NASA das?

Verbunden: Es ist ein Standardverfahren, die Empfänger auf der Erde in Gefrierschränken zu unterkühlen, die für die zu empfangende Wellenlänge transparent sind, um das thermische Rauschen drastisch zu reduzieren. Sie können ein sehr schwaches ankommendes Signal erkennen.
@EmilioMBumachar Eines der größten Dinge, die wir für die Erkennungsgenauigkeit getan haben, war herauszufinden, wie viele Radarschüsseln zu großen Arrays miteinander verbunden werden können, um die funktionale Apertur des Detektors zu vergrößern. Die grundlegende Optik bestimmt, wie scharf Sie fokussieren können, und hängt von der Blende Ihrer Kamera ab. Nur dann können die Sensoren das Raumfahrzeug, das Daten sendet, eindeutig „sehen“. Außerdem gibt es einen hohen Grad an Redundanz in den Daten, um eine Fehlerkorrektur durchzuführen.
Vergiss New Horizons, wir bekommen immer noch Daten von Voyager 2, etwa 119 AE (~17,8 Milliarden km) entfernt, gesendet mit Technologie aus den 1970er Jahren... :-)

Antworten (1)

Die High-Gain-Antenne von New Horizon weist einen Öffnungswinkel ihres Strahls von etwa 0,6° auf. Das heißt, es muss mit einer Fehlermarge von 0,3° auf die Erde gerichtet sein. Als praktisches Beispiel entspricht dies eher dem Richten einer Taschenlampe (Taschenlampe) mit einem (gut fokussierten) Strahl auf ein weit entferntes Ziel als dem Zielen mit einem winzigen Laserpunkt. Zum Vergleich: 0,6° ist etwas größer als die scheinbare Größe des Mondes an unserem Himmel, der einen Durchmesser von 0,5° hat.

Die Antenne ist am Raumfahrzeug befestigt, sodass sich die gesamte Raumsonde drehen muss (deshalb gab es bei der Begegnung mit Pluto keinen direkten Datendownload). Die Drehung wird durch die an Bord befindlichen Triebwerke erreicht, mit denen die Drehung sehr genau eingestellt werden kann.

Jetzt bleibt nur noch herauszufinden, wo sich die Erde befindet. Glücklicherweise hat jemand relativ nahe an der Erde (besser bekannt als die Sonne) ein helles Leuchtfeuer installiert, mit dem es gefunden werden kann. Von Pluto ist die Erde höchstens 1,3° zu beiden Seiten der Sonne entfernt.

New Horizons ist mit einem Star Tracker ausgestattet – im Wesentlichen einer Kamera, die Bilder des Himmels aufnimmt, und einer Software, die die Position und Helligkeit von Sternen liest und sie mit einer Karte vergleicht. Wenn das Ausrichten der Antenne auf die Erde aus irgendeinem Grund fehlschlägt, kann die Raumsonde auf ihre kleinere Antenne mit mittlerer Verstärkung umschalten, die auch dann funktioniert, wenn sie die Erde um bis zu 10 ° verfehlt. Dies ermöglicht im Wesentlichen den Betrieb in einem reinen Sun-Tracking-Modus, ohne die genaue Ausrichtung der Sonde zu kennen.

Und als letztes Backup gibt es auch eine omnidirektionale Antenne, die unter fast allen Bedingungen Befehle empfangen kann, um zu helfen, das Raumschiff wieder einsatzbereit zu machen. Aufgrund ihres geringen Gewinns kann diese Antenne nur in der Anfangsphase des Fluges verwendet werden - nach mehr als ein paar AE ist das empfangene Signal zu schwach, um nützlich zu sein.

Neben Gyros und Sternentrackern ist New Horizons auch mit hellen Leuchtfeuerdetektoren, auch bekannt als Sonnensensoren, ausgestattet.
Ich bezweifle stark, dass der Omni noch in Reichweite ist.
@Joshua es scheint nicht Das Low-Gain-System sollte nur innerhalb von 1AU verwendet werden. Während es wahrscheinlich etwas Spielraum gab, um es mit einem leistungsstärkeren Sender in seiner aktuellen Entfernung oder ~ 44 AE zu pushen, wäre eine Erhöhung von ~ 2000x gegenüber 1 AU erforderlich. Arecibo ist zwar ein leistungsstärkerer Sender als jedes normale Radioteleskop der NASA, aber nicht viel leistungsstärker. spaceflight101.com/newhorizons/spacecraft-overview
Vielleicht sollte für Laienleser, die mit Winkelmaßen in der Praxis nicht vertraut sind, angemerkt werden, dass der Abstrahlwinkel von 0,6° in HNs Himmelsansicht etwas größer ist als der Vollmond an unserem Himmel. Es muss also nicht mit fantastischer Präzision gezielt werden, die das menschliche Auge übertrifft.
Selbst mit einem so eng fokussierten Strahl, der auf die Sonne gerichtet ist, würde es eine Abdeckung geben, um auf der Erde empfangen zu werden. Das Signal würde sich umgekehrt zum Quadrat der Entfernung ausbreiten und nach 6,3 Milliarden Kilometern ist das eine verdammt große Signalfläche.
@Old_Fossil Nur an wenigen Tagen im Jahr - die meiste Zeit würde sich die Erde außerhalb des Strahls befinden. Bei High-Gain-Antennen gibt es fast kein Signal außerhalb des vorgesehenen Öffnungswinkels, der Abfall ist sehr steil.
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