Würde das Hinzufügen von Satelliten zwischen Erde und Mars die Kommunikationslatenz verbessern?

Würde das Hinzufügen von Satelliten auf dem Weg von der Erde zum Mars die Zeit verringern, die zum Senden und Empfangen von Nachrichten zwischen ihnen benötigt wird?

Antworten (2)

Nein. Die Kommunikationslatenz (die Zeit zwischen dem Senden eines Bits und dem Empfang am anderen Ende) zwischen Erd- und Marssonden wird fast vollständig durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, da es sich um Radiowellen auf einem direkten Weg im Vakuum handelt. (Es gibt auch Pläne für optische Kommunikation, aber soweit ich weiß, wurde noch kein Mars-Orbiter mit dieser Kapazität gestartet. Dies würde jedoch die Latenz nicht ändern, da sich alle EM-Wellen unabhängig von der Frequenz / Wellenlänge mit der Geschwindigkeit fortbewegen von Licht im Vakuum per Definition.)

Andererseits Kommunikationsbandbreite, die pro Sekunde übertragene Datenmenge, würde wahrscheinlich erheblich zunehmen, da die Bandbreite moderner Satellitenkommunikation hauptsächlich durch die grundlegenden Einschränkungen der Signal-Rausch-Unterscheidung bei einem gegebenen Sendeleistungspegel, einer gegebenen Strahlbreite, Entfernung und Empfängergröße begrenzt ist. Eine einfache Verringerung der Entfernung und der Einsatz von Repeatern würde die Bandbreite also stark erhöhen: Jede Verdopplung der Entfernung zwischen Links verringert die Verlustleistung auf ein Viertel und verbessert daher die Bandbreite um das entsprechende Vierfache oder sogar noch mehr. Sie benötigen jedoch einige zusätzliche Repeater, um kleinere Antennen und niedrigere Leistungsbudgets auszugleichen. da die größten schüsseln auf der erde etwa 70 m groß sind und satellitenschüsseln kaum ein zehntel davon erreichen, zeigt eine berechnung auf der rückseite des umschlags, dass sie d mindestens zehn Intermediäre in Folge benötigen, um dem aktuellen Stand der Technik zu entsprechen. Darüber hinaus erhöht jedes zusätzliche Intermediate die Bandbreite, solange sie gleichmäßig verteilt sind. Da sie wahrscheinlich nicht auf einer vollkommen geraden Linie liegen würden und wegen der Zeit für die interne Signalverarbeitung würde sich die Latenz etwas verschlechtern, wahrscheinlich um einen Bruchteil einer Sekunde während der Fahrt von insgesamt 200–1200 Sekunden, was ziemlich schön ist unerheblich.

Leider ist es derzeit nicht besonders praktisch, Satelliten zwischen Erde und Mars zu platzieren. Zwischenbahnen bringen die Satelliten unweigerlich aus der Ausrichtung, was entweder große Sonnensegel erfordert, die teilweise an Ort und Stelle schweben (und bis zu einem gewissen Grad hin und her manövrieren), oder eine große Konstellation ähnlicher Satelliten (wahrscheinlich Zehntausende), um sich in Position zu bewegen wenn sich jeder aus der Ausrichtung bewegt. Sonnensegel wurden nur wenige Male eingesetzt und nicht für etwas so Abenteuerliches, daher würde dies einige neue Ingenieursarbeiten erfordern.

Und selbst wenn Sie eine Satellitenkonstellation aufstellen, es sei denn, Sie sprechen von Tausenden von Satelliten, um eine Erhöhung der Latenz bei der nächsten Annäherung und zehn oder hundert bei der längsten zu vermeiden. Das heißt, es wäre wahrscheinlich besser, mehrere riesige Satelliten zu platzieren, um zwischen ihnen zu übertragen. Der Wechsel zur Laserkommunikation könnte die Bandbreite ebenfalls verbessern.
Bei der Bandbreite bin ich mir nicht so sicher - Verbindungen von Satellit zu Erde können an einem Ende eine große Schüssel verwenden, Satellit zu Satellit hat nur kleine Antennen an beiden Enden. Eine große Anzahl von Satelliten oder Laserkommunikation würden jedoch helfen.
@asdfex: Nur ein oder zwei Zwischensatelliten zu haben, würde wahrscheinlich nicht viel helfen, nein. Aber einige zu haben, würde die Dinge fast zwangsläufig verbessern. Offensichtlich ist es immer das schwächste Glied, das die Bandbreite bestimmt.
Das sind viele Satelliten, da Sie eine DSN-35-m-Schüssel durch Schüsseln von vielleicht 4-8 m ersetzen müssen, die Sie auf einen Satelliten passen können - vielleicht können Sie Ihrer Antwort einige Zahlen hinzufügen.
Sehr große (viele zehn Meter) leichte entfaltbare Antennen können im Weltraum verwendet werden, während sie auf der Erde unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen würden (oder eine viel umfangreichere Struktur erfordern würden). Beispielsweise haben die Orion SIGINT-Satelliten Antennen mit einem Durchmesser von mindestens 100 m, größer als die größte Deep-Space-Netzwerkantenne.
Kürzere Wellenlängen nicht vergessen! Gewinn variiert wie ( D / λ ) 2 , also ist der Wechsel zu THz oder besser noch optisch besser als alles andere. Ein 30-cm-Teleskop bei 1 Mikron ist in Bezug auf den Sendeantennengewinn wie eine 9-Kilometer-Schüssel bei 10 GHz (für den Uplink sollte man jedoch besser außerhalb der Erdatmosphäre beginnen).
Das Hinzufügen von Relais-Sats würde am Ende zu einer gewissen Latenz führen und gleichzeitig die Bandbreite erhöhen. Richtig gestaltete Sats würden dies minimieren und die Auswirkungen wären im Vergleich zur inhärenten Latenz aus dieser Entfernung eher gering, aber es würde es am Ende etwas schlimmer machen.
Die DSN auf der Erde verwenden nicht nur sehr große Antennenschüsseln, es werden auch Sender mit einer Leistung von 20 kW statt 10 bis 20 W verwendet. Und es gibt kryogene gekühlte rauscharme Vorverstärker. Für eine Kette von Relaissatelliten würden nur sehr große Antennenschüsseln nicht ausreichen. Für eine kontinuierliche Übertragung mit minimaler Latenz benötigt jeder Satellit zwei Antennenschüsseln, eine für den Empfang und eine für den gleichzeitigen Empfang. Uplink und Downlink sollten gleichzeitig möglich sein.

Nur für etwa zwei Wochen alle 26 Monate, wenn Erde und Mars in Konjunktion stehen. Die Sonne blockiert die Kommunikation, sodass die Latenz effektiv zwei Wochen oder wie viele Tage auch immer verbleiben. In diesem Fall würde ein Relaissatellit in einer mittleren Umlaufbahn um die Sonne, die sich nicht auf dieser Erde-Sonne-Mars-Linie befindet, die effektive Latenzzeit verringern.

Scheint den Aufwand aber kaum wert zu sein. Das Konjunktionsproblem könnte stattdessen mit Laserkommunikation stark reduziert oder sogar die meiste Zeit eliminiert werden.