Wie würde ein extrasolares Raumschiff mit der Erde kommunizieren?

Welche Art von Bandbreite können Sie angesichts der modernen Technologie für die Kommunikation mit einem extrasolaren Raumschiff erwarten? Ist beispielsweise HD-Video möglich? Ist es sicher anzunehmen, dass es je nach Entfernung variieren würde? Oder ist das nur der Strombedarf?

Ich hoffe eigentlich auf eine geringe Bandbreite, bei der es lange dauert, einfache Textdaten zu übermitteln. Ein Teil der Handlung beinhaltet ein Mysterium, das nicht vollständig erkannt werden kann, bis die Sonde zur Erde zurückkehrt.

Als Hinweis sollte die Leistung kein Problem sein, aber wenn es hilft, die Bandbreite zu verringern, kann die Leistung eingeschränkt werden. Es ist mir egal, welche Art von Technologie zur Kommunikation verwendet wird, Funkwellen oder etwas anderes, obwohl es etwas sein sollte, das wir heute schaffen können.

Wenn Sie extra solar sagen, welche Art von Entfernungen stellen Sie sich vor?
Ich habe noch kein Sonnensystem ausgewählt, gehe aber davon aus, dass die Sonde von einer Mission zur Erkundung eines nahe gelegenen Sonnensystems zurückkommt.
Sie haben Glück, es wird Jahre dauern, bis ein Signal aufgenommen werden kann, denn das Senden über solche Entfernungen erfordert eine enorme Menge an Energie. Also muss die Sonde in die Nähe kommen.

Antworten (2)

Ein Schiff in extremen Entfernungen von der Erde würde über das Deep Space Network oder etwas sehr Ähnliches kommunizieren, bei dem es sich um eine Reihe von Funkschüsseln handelt, die im Abstand von 120 Grad über den Globus verteilt sind. Diese Kommunikationsstationen senden in einem festgelegten Satz von Frequenzen ( x- und ka -Band) zwischen 20 kW und 400 kW Leistung.

Die Betriebsgeschwindigkeiten für die Kommunikation reichen von 150 Mbps bis zu 10 bps. In der Nähe der Erde ist die Kommunikation schneller, je weiter Sie herauskommen, desto langsamer ist die Kommunikation. Die New-Horizons-Sonde kommuniziert mit 1 kbit pro Sekunde, was ausreichend schnell ist, um Textinformationen zu senden. Ein einzelnes Bild dauert mehrere Minuten, sodass Video mit der aktuellen Technologie nicht in Frage kommt.

Die gute Nachricht ist, dass die maximale Reichweite, mit der Signale empfangen werden können, wirklich unbegrenzt ist, solange sie mit genügend Leistung gesendet werden. Dieses Dokument besagt, dass das DSN Signale mit einer Stärke von nur einem Milliardstel eines Milliardstel Watts Leistung aufnehmen kann. Dies bringt die minimale Signalleistung von 1 × 10 − 25 w

Jetzt können wir die maximale Entfernung berechnen, aus der ein Signal empfangen werden könnte, indem wir die Leistungsdichtegleichung verwenden

P D = P G 4 π d 2

Woher:

P D Leistungsdichte

P ist Sendeleistung

G Gewinnen Sie, für neue Horizonte ist es 16000 , also werden wir das verwenden.

d ist die Entfernung zum Sender

Jetzt können wir die maximale Reichweite schätzen, die ein Signal für eine bestimmte Ausgangsleistung empfangen könnte, indem wir das Folgende lösen d mit New Horizons Gain und einem großzügigen 100-Watt-Sender:

1 × 10 − 25 w / m 2 = 16 , 000 × 100 w 4 π d 2

Gibt uns einen nachweisbaren Bereich von 1.1 × 10 fünfzehn m oder 8.000 astronomische Einheiten oder 47 Lichttage.

Ich bin eigentlich kein EE, also lass es mich wissen, wenn es einen Fehler gibt. Ich weiß auch, dass die Leistungsdichte kein 1:1 ist, um etwas erkennen zu können, aber das ist ein Anhaltspunkt. *Auch verlustfrei vorausgesetzt.

Ich versuche, die Gleichungen für Richtantennen zu finden, damit wir die maximale Reichweite für eine bestimmte Leistung erraten können.
Dies ist perfekt. Danke. Ich werde wahrscheinlich nicht all diese Details einbeziehen (ich verstehe es nicht gut genug, um es durchzuziehen), aber ich möchte, dass die kleinen Details, die ich habe, so genau wie möglich sind, damit Leute, die klüger sind als ich, weise nicken können und denke ich weiß wovon ich rede :)
@ Brian, das Hard-Science-Tag erfordert so viele Details in einer Antwort, ich bin froh, dass es übertrieben ist.
Die Detailtreue ist großartig. Ich habe bereits damit begonnen, herauszufinden, wie viel Energie das Raumschiff haben soll, um zum anderen Sonnensystem und zurück zu reisen und seine Sensoren und Kommunikation zu betreiben. Ich versuchte tatsächlich herauszufinden, wie ich erklären könnte, warum es die ganze Zeit keinen Kontakt hatte, also war es großartig zu wissen, dass dieser Teil echt war.
@Joe Kissling Ihre Reichweitenberechnungen sehen etwas optimistisch aus. Um die Berechnung zu vereinfachen, werde ich alles in dB umrechnen. Unser Mindestsignal beträgt also -250 dBW (10 * log10 (1E-25)), unser Antennengewinn beträgt 42 dBi (ich weiß, dass das i nicht gerechtfertigt ist, aber die Dokumente gehen nicht ins Detail, also gehe ich davon aus it), unser Sender ist 20 dBW. Also EIRP = 62 dBW. Dies gibt uns die "Fade-Marge" von 312 dB für die Pfaddämpfung, das heißt, wir können 312 dB Signalstärke entlang des Pfades verlieren und das Signal ist immer noch nachweisbar.
Wenn wir den Abstand mit 1100 Tm und die Betriebsfrequenz mit 8,42 GHz annehmen, dann beträgt der Freiraumpfadverlust etwa 352 dB, was höher ist als die 312 dB, die wir haben. Ich war nicht in der Lage, schnell eine Dokumentation über das DSN zu finden, das die tatsächliche Ingenieursprache verwendet, daher könnte es sein, dass es einen zusätzlichen Gewinn gibt, der irgendwo nicht berücksichtigt wird. Beispielsweise ist nicht klar, ob die genannten Leistungspegel mit oder ohne Berücksichtigung der Fehlerkorrekturcodierung, mit oder ohne Vorverstärker und so weiter sind.
@AndrejaKo danke für die zusätzlichen Informationen. Ich weiß, dass meine Mathematik äußerst optimistisch ist, und ich habe den Verlust des freien Speicherplatzes ignoriert. Die technische Dokumentation zum DSN fehlte stark, aber einer meiner Links verweist auf das System mit einem sehr ausgeklügelten Fehlerkorrektur-, Filter-, Verstärkungs- und Verarbeitungssystem. Es kann Informationen aus dem Rauschen herauslesen. Ich weiß aber nicht, ob das den Rückgang kompensieren kann.
@Joe Kissling Ich muss es mir dann ansehen, wenn ich mehr Zeit habe. Ich weiß, dass es zum Beispiel im Amateurfunk Modulationsformate gibt, die um die 30 dB sogenannten Processing Gain haben. Das heißt, das System sendet zusätzliche Daten für die Fehlerkorrekturcodierung, was einer Erhöhung der Sendeleistung um etwa 30 dB entspricht. Es ist also definitiv möglich, die Distanz mit zusätzlichen Fehlerkorrekturcodes zu überbrücken. Die im Amateurfunk verwendeten Methoden sind etwas brachial und erlauben nur kurze Textnachrichten, aber ich bin sicher, dass eine kompetente Weltraumbehörde gute Fehlerkorrekturcodes erstellen kann.
@AndrejaKo Fehlerkorrekturcodes geben nur abnehmende Renditen. Natürlich sind sie bereits im Einsatz! Aber sie skalieren nicht so gut. Indem Sie beispielsweise zwei zusätzliche Bits pro Byte ausgeben (das ist eine 8-2-Parität), können Sie einen Bitfehler in den jetzt 10 Bits korrigieren. Aber man muss 10 statt 8 Bytes übertragen und das erhöht die Wahrscheinlichkeit mehr Bitfehler zu bekommen.

Zitieren NASA auf Missionen Voyager

Wissenschaftliche Daten werden in Echtzeit mit 160 bps zur Erde zurückgesendet. Die Echtzeit-Datenerfassung nutzt 34 Meter Deep Space Network (DSN)-Ressourcen mit dem Projektziel, mindestens 16 Stunden Echtzeitdaten pro Raumfahrzeug pro Tag zu erfassen. Dieses Ziel wird aufgrund der Konkurrenz um DSN-Ressourcen mit Hauptmissionsprojekten und anderen erweiterten Missionsprojekten nicht immer erreicht.

Einmal pro Woche werden pro Raumfahrzeug 48 Sekunden PWS-Daten mit hoher Rate (115,2 kbps) zur späteren Wiedergabe auf dem Digital Tape Recorder (DTR) aufgezeichnet. Auf Voyager 1 werden jede Woche weitere 48 Sekunden aufgezeichnet. Diese Daten werden einmal alle 6 Monate pro Raumfahrzeug zur Erde zurückgespielt und erfordern eine 70-Meter-DSN-Unterstützung für die Datenerfassung.

Während Sie hier diese Daten finden:

Die Standardwerte für Blu-ray Discs sind:

MPEG-4 AVC-Video mit 18000 kbps für 1080p

MPEG-4 AVC-Video mit 8000 kbps für 720p

DTS-HD-Master-Audio

Die Bitrate des Audiocodecs ist variabel, sollte aber unter 4 Mbps bleiben. Das sind insgesamt 22 Mbit/s für 1080p und 12 Mbit/s für 720p. Eine verlustbehaftete Komprimierung kann zu viel niedrigeren Bitraten führen.

Im Vergleich einige Übertragungsgeschwindigkeiten:

USB 1.1 (full bandwidth): 12 Mbps
USB 2.0: 480 Mbps
PATA: up to 1064 Mbps
SATA I: 1500 Mbps
Ethernet: 10 Mbps
Fast Ethernet: 100 Mbps
Gigabit Ethernet2: 1000 Mbps

HD-Video ist also weit außerhalb der Möglichkeiten.

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