Warum wird die optische Kommunikation quantitativ besser sein als das X-Band für die Weltraumkommunikation?

tl;dr: Betrachtet man Voyager-ähnliche Bedingungen, die von 3,66- und 70-Meter-Schüsseln zu 0,5- und 5-Meter-Teleskopen und von 3,6-cm- zu 1,55-Mikron-Wellenlängen gehen, erhalten wir eine 10.000-fache Erhöhung der Empfangsleistung und eine Erhöhung der Datenrate von 1.000 mal!

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Bezugssysteme

Referenzsysteme für die Abwärtsverbindung eines Raumfahrzeugs zur Erde werden lose auf Voyager für X-Band und DSOC (Deep Space Optical Communications) der NASA für optische Kommunikation basieren.

Type      Power(W)      f(GHz)     λ(cm)       TX diam(m)    RX diam(m)
------    --------    ---------    --------    ----------    ---------
X-band       22             8.4    3.6            3.66          70
Optical       4       193,500.     0.000155       0.5            5

Durch die Verwendung der längeren optischen Wellenlänge von 1550 nm anstelle von 850 nm können Sie eine schöne Singlemode-Laserdiode für die optische Faserkommunikation effizient an eine Singlemode-Faser koppeln und dann EDFAs (Erbium-dotierte Faserverstärker) verwenden, um das Signal optisch auf mehrere Watt zu verstärken während es in einer Singlemode-Faser bleibt. Dies ist notwendig, um die beugungsbegrenzte Optik des Teleskops zu nutzen, um einen schmalen Sendestrahl zu erzeugen.

Ich habe 0,5 Meter für die optische "Schüssel" des Raumfahrzeugs verwendet, da dies der Durchmesser eines tatsächlichen Teleskopspiegels ist, der sich jetzt auf jedem der Reisenden befindet .

Linkbudget

Aus dieser Antwort :

$$P_{RX} = P_{TX} + G_{TX} - L_{FS} + G_{RX}$$

• $P_{RX}$: Macht auf der Erde erhalten
• $P_{TX}$: Sendeleistung von Voyager
• $G_{TX}$: Gewinn der Voyager-Sendeantenne (im Vergleich zur isotropen)
• $L_{FS}$: Verlust von freiem Speicherplatz, was wir normalerweise nennen$1/r^2$
• $G_{RX}$: Gewinn der Empfangsantenne der Erde (im Vergleich zu isotrop)

$$G \sim 20 \times \log_{10}\left( \frac{\pi d}{\lambda} \right)$$

$$L_{FS} = 20 \times \log_{10}\left( 4 \pi \frac{R}{\lambda} \right).$$

Derzeit ist Voyager 1 etwa 2,1 E+13 Meter (ja, 21 Milliarden Kilometer!) entfernt.

Type      P_TX (dBW)    G_TX(dBi)    L_FS(dB)    G_RX(dBi)    P_RX(dBW)    photon/sec
------    ----------    ---------    --------    ---------    ---------    ----------
X-band       13.4          50.0        317.3        75.7        -178.2       272,000
Optical       6.0         120.1        404.6       140.1        -138.4       113,000

Das ist eine Steigerung der Empfangsleistung um das 10.000-fache!

Wir sehen also auf Anhieb, dass durch das 20.000-fache Verkleinern der Wellenlänge kleinere Durchmesser der "Gerichte" mehr als ausgeglichen werden.

Eine wirklich überraschende Sache für mich ist, dass die Anzahl der Photonen ($E = h \nu$) ist fast gleich! Bei einer Handvoll GHz sprechen wir normalerweise nicht über die Photonenrate, da sie sehr schwer zu zählen sind und selbst bei flüssigem Helium die Hintergrund-Photonenrate ziemlich hoch ist.

Aber bei optischen Frequenzen können wir durchaus einzelne Photonen zählen! Anstatt also die empfangene Leistung mit 1,5E-18 W zu vergleichen$k_B T$(ca. 1,4E-22W bei 10K) können wir einfach direkt zur Statistik der Photonenzählung gehen. Selbst bei Raumtemperatur ist die Rate thermisch erzeugter optischer Photonen sehr gering. Wir befinden uns nicht mehr im Rayleigh-Jeans-Regime, das hier weiter diskutiert wird .

Ich werde die weitere Diskussion der Photonenzählung einer zukünftigen Frage-und-Antwort-Sitzung überlassen. Anstelle von Photomultiplier-Röhren, die gut für sichtbares und kaum infrarotes (z. B. 800 nm) funktionieren, sind jetzt zumindest für die Downlink-Empfänger supraleitende, positionsempfindliche Nanodraht-Photonendetektoren im Trend. Sehen Sie sich zum Beispiel die Bilder unten an (gezeigt durch LADEE's Lunar Laser Communication Demonstration .

Laut der Lunar Laser Communication Demonstration von Spaceflight 101 und der LADEE- Effizienz der ESA liegen die Wirkungsgrade im Bereich von 1 Bit pro detektiertem Photon. Es beruht auf der präzisen zeitlichen Abstimmung der Photonen und etwas mehr Mathematik, als ich heute lernen möchte, um dies zu zeigen.

Stattdessen zitiere ich einfach @MarkAddler :

Nein, Sie brauchen nicht "mindestens einige Photonen pro Datenbit". 13 Bits pro Photon wurden mit Laserkommunikation demonstriert.

Sie sollten die vollständige Antwort lesen, um den Kontext zu erhalten und die zitierten Quellen anzuzeigen.

Das ist eine (potenzielle) Erhöhung der empfangenen Datenrate um das 1.000-fache!

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Screenshots von Übersicht und Status der Lunar Laser Communications Demonstration :

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VERWEISE:

• DESCANSO Voyager Telekommunikation
• Poster von Deep Space Optical Communications (DSOC).
• Präsentation über Deep Space Optical Communications
• Wikipedia zur optischen Kommunikation im Weltraum
• Übersicht und Status der Lunar Laser Communications Demonstrationspräsentation in Researchgate
• Deep Space Communications via Faraway Photons NASA JPL News
• Psyche-Raumschiff Wikipedia

X-Band-Mikrowellen haben eine Wellenlänge von etwa 3 cm. Die Wellenlänge des Lichts beträgt ungefähr 1 Mikrometer (IR) oder weniger; Faktor 30.000 kleiner. Das bedeutet, dass es viel einfacher ist, einen schmalen Strahl von einem Raumfahrzeug zurück zu erzeugen und mehr Leistung auf den Bereich des Empfängers zu konzentrieren.

Um beispielsweise einen 10-m-Xband-Sender so gut wie möglich zu machen, benötigen Sie (theoretisch) einen 0,3-mm-Sender (!). Dieser Xband-Sender sendet möglicherweise an einen 30-m-Empfänger, und diese sind optisch schwer einzubauen. Sie könnten also den Strahl um weitere 30 verengen, um die Gesamtleistung in einem 1-m-Teleskop zu erhalten, und dennoch nur ein 1-cm-Sendeteleskop verwenden.

Setzen Sie ein größeres Teleskop an jedes Ende, und Ihre gesamte empfangene Leistung beginnt stark zu steigen.