Wie schwierig ist es, direkte Signale von Fahrzeugen auf der Marsoberfläche zu empfangen, und hat jemand anderes als das DSN dies getan?

Die Antworten in Kürze sind: Es ist schwer, aber ja , jemand anderes als der DSN hat es getan.

Also zuerst einmal, wie schwer ist es? Die Antwort ist ziemlich schwierig: Sie benötigen sehr beträchtliche Ressourcen, um Signale von den aktuellen Fahrzeugen auf dem Mars und wahrscheinlich auch von früheren Fahrzeugen hören zu können.

Die Hardware

Ein Funkamateur, Scott Tilley (ja, dieser Scott Tilley: die gleiche Person, die verlorene Satelliten gefunden hat ) hat Signale von MRO und anderen Raumfahrzeugen auf dem Weg zum und um den Mars gehört , indem er eine Schüssel mit einem Durchmesser von 0,6 m benutzte. Wir wissen also, dass diese Signale auf der Erde mit ziemlich bescheidener Ausrüstung von jemandem nachweisbar sind, der weiß, was sie tun.

Das ist eine beeindruckende Leistung, aber nicht so überraschend, denn einer der Gründe, warum diese Raumfahrzeuge existieren, ist die Weiterleitung von Signalen von Landern zur Erde. Da sie sich im Orbit befinden, können sie sich große, zerbrechliche Antennen leisten: Die High-Gain-Antenne von MRO hat einen Durchmesser von 3 m : Das ist ungefähr die gleiche Größe wie die gesamte Perseverance , die 3 m lang ist. Eine solche Antenne wird die EDL nicht überleben, und wenn sie es täte, würde sie den Rover vollständig dominieren (wo würde der Arm hingehen?). Deshalb tragen Rover keine so großen Antennen: Sie können es nicht.

Im Gegensatz dazu hat die High-Gain-X-Band-Antenne von Perseverance einen Durchmesser von 0,3 m, und ihre omnidirektionale Low-Gain-Antenne ist viel kleiner als dieser. Die High-Gain-Antenne hofft, über 500 Bit/Sekunde zu einer 34-Meter-DSN-Antenne auf der Erde und 3000 Bit/Sekunde zu einer 70-Meter-DSN-Antenne zu erreichen. Die Low-Gain-Antenne hofft, 10 Bit/s zu einer 34-m-Antenne auf der Erde und 30 Bit/s (oder sogar noch schneller, sagen sie) zu einer 70-m-Antenne auf der Erde zu verwalten.

Es gibt auch eine UHF-Antenne, die hauptsächlich verwendet wird, um mit den Orbitern zu sprechen, die als Relais fungieren, und die Mbit / s mit ihnen machen kann.

Ich bin mir nicht sicher, welches System die Töne übertragen hat, die zur Statusanzeige während der EDL verwendet wurden: Ich denke, es ist mit ziemlicher Sicherheit das X-Band-System mit niedriger Verstärkung, aber es könnte möglicherweise das UHF-System sein. Vermutlich war die High-Gain-X-Band-Antenne zu diesem Zeitpunkt noch nicht eingesetzt, und selbst wenn, wäre es nicht möglich, sie von einem sich drehenden und dann unter einem Fallschirm herumschwingenden Fahrzeug auszurichten. Diese Töne wurden natürlich vom DSN auf der Erde entdeckt, aber sie enthalten fast keine Informationen.

Etwas Mathematik

Es stellen sich also zwei interessante Fragen: Wie verhält sich die Signalstärke auf der Erde von etwas, das vom Mars sendet, als Funktion der verschiedenen Faktoren, und wie verhält sich die Fähigkeit, das zu hören, als Funktion verschiedener Faktoren (eigentlich: des Empfangs Geschirrgröße). Diese stellen sich aufgrund einer wunderbaren Reihe von Theoremen, die zusammenfassend als Reziprozität bezeichnet werden, als das Gleiche heraus .

Versionen der folgenden Formeln sind meiner Meinung nach ziemlich bekannt. Genügend Informationen, um sie abzuleiten, finden sich auf der Wikipedia-Seite für Parabolantennen .

Zum Senden mit einer Parabolantenne auf der Achse haben wir Folgendes:

$$S = \frac{\pi}{4} \eta_t P_t\left(\frac{d}{\lambda r}\right)^2$$

Wo

• $S$ist die empfangene Signalstärke (Leistung pro Flächeneinheit);
• $\eta_t$ist ein Maß dafür, wie effizient der Sender ist;
• $P_t$Sendeleistung ist;
• $d$der Durchmesser der Sendeschüssel ist;
• $\lambda$die Wellenlänge ist;
• $r$ist die Entfernung zum Sender.

Dies ignoriert Dinge wie die Dämpfung in der Atmosphäre, aber wir können das hineinrammen$\eta_t$, oder fügen Sie einen zusätzlichen Fudge-Faktor hinzu. (Ich werde die Atmosphäre tatsächlich ignorieren, um das Signal leichter hörbar zu machen.)

Für das Empfangssystem erhalten wir unter der Annahme, dass es sich um eine Parabolschüssel handelt, diesen Ausdruck:

$$P_r = \frac{\pi}{4} \eta_r D^2 S$$

Wo

• $S$ist die Signalstärke;
• $D$der Antennendurchmesser ist;
• $\eta_r$ist die Effizienz des Systems.

Wenn wir das also zusammensetzen, erhalten wir dieses Ding:

$$\tag{*} P_r = \eta_r \eta_t \frac{P_t}{16} \left(\frac{d D}{r\lambda}\right)^2$$

In diesem Ausdruck sind die Dinge, die wir sinnvoll ändern können$d$Und$D$, und vielleicht, zur Entwurfszeit,$\lambda$,$\eta_t$, Und$\eta_r$. Aber$d$Und$D$sind die interessanten für uns.

Ich habe Signal-zu-Rauschen hier nicht angesprochen und werde es auch nicht tun.

Einige Zahlen

Es gibt einige Zahlen, die ich kenne, und einige, die ich nicht kenne. Ich weiß nicht$\eta_t$oder$\eta_r$für alles: Ich gehe davon aus, dass sie alle gleich sind (dh sie sind alle ziemlich gute Designs, was plausibel erscheint). Ich gehe auch davon aus, dass alles zum gleichen Wert funktioniert$\lambda$: Mit anderen Worten, ich werde nur das X-Band-System in Betracht ziehen (dies ist eine viel höhere Frequenz als die UHF-Frequenz, die von den Rovern verwendet wird, um mit den Orbitern zu sprechen, und seitdem$P_r$kommt drauf an$1/\lambda^2$es ist daher auch viel besser). Und davon gehe ich aus$r$gleich ist, was in sehr guter Näherung zu jedem Zeitpunkt zutrifft.

Wie ich oben sagte, gehe ich davon aus, dass es keine Dämpfung durch die Marsatmosphäre gibt, was wahrscheinlich nicht der Fall ist, aber das Ignorieren macht es einfacher, Rover auf der Oberfläche zu hören.

Eine wichtige Zahl ist die Sendeleistung. Wir wissen , dass MRO einen 100-Watt-X-Band-Sender hat, und wir wissen auch, dass die auf Perseverance verfügbare Gesamtleistung 110 W beträgt. Ich gehe davon aus, dass Perseverance mit 33 W senden kann: Ich vermute, das ist ziemlich optimistisch und es sind wirklich 5-10 W, aber optimistisch zu sein, macht es einfacher, es zu hören.

Abschließend nehme ich an, dass Scott Tilley gerade MRO hören konnte: mit anderen Worten, dass eine 0,6-m-Antenne das ist, was Sie brauchen, um es zu hören, und dass die$P_r$mit dem er Dinge erkennen kann, ist derselbe wie jeder andere: Mit anderen Worten, sein Empfänger ist so gut wie jeder andere.

Wir können (*) also neu anordnen, um dies zu erhalten

$$\begin{aligned} P_t d^2 D^2 &= \frac{16 P_r r^2 \lambda^2}{\eta_r \eta_t}\\ &= K \end{aligned}$$

Wo$K$ist konstant, da alle seine Komponenten durch Annahme sind. Da wir also wissen, dass Scott Tilley gerade MRO hören konnte, wissen wir das

$$K = 100 \times 3^2 \times 0.6^2\,\mathrm{Wm^4}$$

Und so wissen wir das, Perseverance nur an der Oberfläche hören zu können

$$\begin{aligned} D^2 &= \frac{100}{33}\times \left(\frac{3}{0.3}\right)^2 \times 0.6^2\,\mathrm{m^2}\\ D &= \sqrt{300}\times 0.6\,\mathrm{m} \end{aligned}$$

oder

$$D\approx 10.4\,\mathrm{m}$$

Und das ist die Zahl, nach der wir suchen: Um Perseverance an der Oberfläche hören zu können, benötigen Sie eine Schüssel mit einem Durchmesser von etwa 10,4 m oder 34 Fuß, Sie benötigen einen guten X-Band-Empfänger, der an der Rückseite befestigt ist, und Sie brauchen auf den Mars zu richten.

Das ist weit außerhalb dessen, was Amateure haben, um es mittelmäßig auszudrücken (vielleicht könnten sie sich so etwas leisten, wenn Bill Gates oder Elon Musk oder jemand anderes sich für das Thema interessieren würde). Für Radioteleskop-Standards ist es nicht so groß, aber fast jeder, der ein Radioteleskop zur Hand hat, verwendet es für die Astronomie und hört keine Raumfahrzeuge auf dem Mars, also haben beide keinen X-Band-Empfänger an der Rückseite und wird es nicht auf den Mars richten.

Wer hört zu

Das DSN verfügt offensichtlich über geeignete Einrichtungen, um Signale von Fahrzeugen auf dem Mars abzuhören. Aber wir suchen Leute, die nicht der DSN sind.

Nun, es gibt Leute mit astronomischen Radioteleskopen, die einen X-Band-Empfänger an ihren Teleskopen befestigt haben und ihn auf den Mars richten . Als beispielsweise InSight auf dem Mars ankam, wurden seine EDL-Töne sowohl vom Green Bank-Observatorium in West Virginia als auch von der Max-Planck-Einrichtung in Effelsberg, Deutschland, beobachtet . Obwohl diese Leute nicht der DSN sind, zählen sie vielleicht trotzdem zum DSN.

Wir können auch davon ausgehen, dass zumindest die Chinesen Systeme haben, die Fahrzeuge an der Oberfläche hören können, da sie dort gerade eines aufstellen werden. Aber meines Wissens haben sie nicht bekannt gegeben, ob sie Signale von den aktuellen Fahrzeugen an der Oberfläche gehört haben: Es ist jedoch sicher anzunehmen, dass sie es getan haben.

Wer hört noch zu?

Gibt es noch jemanden mit einer ausreichend großen Schüssel, der ausreichend motiviert ist, zuzuhören? Nun, ja, es stellt sich heraus: Es gibt einige Leute in Cornwall, die in den Besitz ausgedienter Satellitenkommunikationsgeräte von einer Bodenstation gekommen sind, die früher der staatlichen Telekommunikationsgesellschaft gehörte. Und sie sind dabei, diese Ausrüstung, einschließlich ihrer größten Schüssel „Merlin“, als privaten DSN-Knoten umzufunktionieren, an dessen Rückseite tatsächlich X-Band-Ausrüstung festgeschnallt sein wird, und möglicherweise auch als Knoten in sehr große Radioastronomie-Interferometer-Arrays.

Diese Leute sind goonhilly.org (kornische Ortsnamen sind einfach wunderbar), und das umfunktionierte „Merlin“ heißt jetzt GHY-6 und es ist ein 32-Meter-Gericht.

Und am 15. Februar 2021 gaben sie eine Pressemitteilung heraus , die teilweise lautet:

Goonhilly hat in den letzten Wochen mit der ESA zusammengearbeitet und Mars Express – ein Raumschiff auf einer aktiven Marsmission – als Testfahrzeug zur Validierung ihrer GHY-6-Antenne verwendet. Sie verfolgen derzeit Mars Express im Schatten, während er den roten Planeten umkreist. Während Mars Express in dieser präoperativen Phase im Schatten verfolgt wird, hat Goonhilly auch Signale von einer anderen globalen Mission empfangen – der Hope Mission der VAE Space Agency.

Goonhilly nahm am 9. Februar Signale auf und konnte berichten, dass die Hope-Mission der VAE Space Agency erfolgreich in die Umlaufbahn des Mars eingetreten war. In einem bedeutenden Monat für Marsmissionen folgte am 10. Februar die CNSA-Marsmission Tianwen-1 auf Hope. Es besteht die Hoffnung, dass Tianwen-1, ein Rover-tragender Satellit, im Mai auf dem Mars landen wird.

Nur eine Woche nachdem diese beiden Missionen in die Marsumlaufbahn eingetreten sind, soll am 18. Februar der NASA-Rover JPL Perseverance auf der Marsoberfläche landen, und die GHY-6-Antenne wird während des Landeversuchs auf den Mars gerichtet sein. Obwohl es sich nicht um einen offiziellen Downlink handelt, wird Goonhilly in der Lage sein, die Signale des Rovers zu empfangen und möglicherweise zu entschlüsseln, falls die NASA vor und während der Landung Unterstützung benötigt. Dies wird das erste Mal sein, dass Nachrichten direkt von der Marsoberfläche in Großbritannien empfangen werden .

[Meine Betonung]. Nun, diese Pressemitteilung war vor der Landung, wie Sie sehen können. Zum Zeitpunkt des Schreibens haben sie noch keine weitere Pressemitteilung herausgegeben, aber ich habe direkt mit ihnen gesprochen und sie haben bestätigt, dass sie Signale von Perseverance sowohl während der EDL als auch seitdem von der Oberfläche erhalten haben. Ich fragte:

Hallo, wissen Sie, ob GHY-6 auf dem Weg nach unten Signale direkt von Perseverance gehört hat ?

Worauf sie antworteten

Das haben wir tatsächlich getan - auf dem Weg nach unten UND von der Oberfläche, ein paar Tage später - Wir sammeln derzeit alle Daten und werden eine Infografik zusammenstellen, um sie in den sozialen Medien zu veröffentlichen

(Ich habe diesen Austausch zuvor nicht aufgenommen, da ich ihnen nicht den Donner stehlen wollte, aber sie haben seitdem bestätigt, dass es in Ordnung ist, dies zu melden.)

Zusammenfassend also: Es ist sehr schwer, Signale von Fahrzeugen auf der Marsoberfläche zu hören, aber andere Leute als das DSN haben dies sicherlich getan: Zu diesen Leuten gehört zumindest Goonhilly.

Update : Hier ist ein Blogbeitrag von Goonhilly mit einigen Informationen, einschließlich Spektrogrammen während der EDL (nicht an der Oberfläche, denke ich).

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Beachten Sie, dass diese Antwort als Entwurf für eine andere Frage entstand, die geschlossen war: Ich habe sie hoffentlich in eine bessere Form gebracht, aber sie behält möglicherweise noch einige Spuren ihrer früheren Existenz.