Wie soll die maximale Datenrate des DSOC-Systems (Deep Space Optical Communications) der Psyche-Mission mit der Entfernung skalieren?

Die Missionsseite Deep Space Optical Communications (DSOC) der NASA umfasst Folgendes:

Zu den wichtigsten DSOC-Technologien, die für das Projekt entwickelt wurden, gehören: eine massearme Raumfahrzeug-Störungsisolations- und Ausrichtungsanordnung; ein hocheffizienter Fluglasersender; und ein Paar hocheffizienter Photonenzähl-Detektorarrays für den optischen Flug-Sendeempfänger und den bodengestützten Empfänger. Diese Technologien sind in den DSOC-Fluglasersender und den bodengestützten Empfänger integriert, um eine photoneneffiziente Kommunikation mit der Fähigkeit zu ermöglichen, schwache Lasersignale von Hintergrundrauschen zu unterscheiden, das durch von der Erdatmosphäre gestreute Sonnenenergie verursacht wird.

Zwei vorangegangene Fragen und ihre Antworten heben hervor, dass für herkömmliche optische Kommunikationssysteme, die auf einer Fotodioden-Umwandlung von modulierter optischer Intensität in ähnlich modulierte elektrische Signale basieren, die erreichbare Datenrate (überraschenderweise) 1 / R 4 eher als das Gewohnte 1 / R 2 für herkömmliche Deep-Space-Funkkommunikationssysteme.

Es ist möglich, dass ein optisches System, das auf Photonenzählung basiert, eine günstigere Skalierung der Datenrate gegenüber der Entfernung aufweist als 1 / R 4 deshalb möchte ich fragen:

Frage: Wie soll die maximale Datenrate des DSOC-Systems (Deep Space Optical Communications) der Psyche-Mission mit der Entfernung skalieren?

Weiterlesen:

Aus der Nachricht von SPIE.org Optische Kommunikation funktioniert am besten über relativ kurze Entfernungen im Weltraum (06. April 2006 Morio Toyoshima, Walter Leeb, Hiroo Kunimori und Tadashi Takano)

Aus „Optische Kommunikation funktioniert am besten über relativ kurze Entfernungen im Weltraum“ Abbildung 1. Maximale Datenraten für optische und HF-Kommunikationssysteme im Vergleich zur Verbindungsentfernung. GEO steht für geostationäre Erdumlaufbahn, und Pfeile zeigen Entfernungen zu GEO, Mond und Mars an.

Abbildung 1. Maximale Datenraten für optische und HF-Kommunikationssysteme im Vergleich zur Verbindungsentfernung. GEO steht für geostationäre Erdumlaufbahn, und Pfeile zeigen Entfernungen zu GEO, Mond und Mars an.

Antworten (1)

Die Skalierung mit 1 / R 4 hält, wenn ein optisches Signal ähnlich wie ein HF-Signal empfangen wird, dh indem es als Amplitudensignal gelesen wird.

Photonen im IR/sichtbaren/UV-Bereich können jedoch einzeln detektiert und ihre genaue Ankunftszeit gemessen werden. Das ist es, was die Missionsseite als "Photonenzähldetektor" bezeichnet.

Mit einem solchen Detektor sind wir tatsächlich wieder beim Traditionellen 1 / R 2 Skalierung - alles, was zählt (kein Wortspiel beabsichtigt), ist die Anzahl der empfangenen Photonen, die eindeutig mit der Größe des Strahlflecks skaliert.

Folie 9 der Präsentation (1) zeigt eine Analyse der optischen Verbindung, die für die Raumsonde Psyche geplant ist. Betrachtet man den linearen Teil (*) des Diagramms zwischen 0,6 und 2,4 AE, ergibt sich eine Reduzierung der Datenrate um etwa 40 - eine Skalierung mit 1 / R 2.3 .

Eine allgemeinere Analyse findet sich in (2). Abbildung 19 zeigt die erwartete Änderung des Datendurchsatzes für verschiedene Codierungsschemata, und wiederum ist der Abfall der Datenrate für vernünftige Codierungsschemata (z. B. PPM = 256) in der Nähe 1 / R 2 .

(*) Eine lineare Kurve in einem logarithmischen Diagramm bedeutet, dass die Beziehung zwischen den beiden Achsen ein einfaches Potenzgesetz ist.

Verweise

(1) Status der Deep Space Optical Communications Technology Demonstration der NASA (JPL, Roberts, 2017)

(2) DSOC-Downlink-Simulation (Deep Space Optical Communications) mit unterschiedlicher PPM-Reihenfolge (Aboagye, 2021)

Das ist ausgezeichnet, danke! Für diejenigen, die weiterlesen möchten: Mark Adlers 13-Bit-pro-Photon- Antwort verweist auf die 2007 NASA 2007 forward-looking TM RF and Optical Communications: A Comparison of High Data Rate Returns From Deep Space in the 2020 Timeframe
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