Wie werden Phased-Array-Antennen in der Raumfahrt eingesetzt? Vorteile und Einschränkungen

Es scheint mir, dass eine Phased-Array-Antenne für Raumfahrzeuge großartig wäre, da sie die Notwendigkeit beseitigt, das gesamte Raumfahrzeug umzudrehen, um die Funkschüssel auf die Erde zu richten. Viele Raumfahrzeuge müssen sich bereits drehen, um ihre Instrumente, Sonnenkollektoren und Strahlungsschilde in die richtige Richtung zu richten, daher sollte es sowohl für das Raumfahrzeug- als auch für das Betriebsdesign hilfreich sein, die Antennenausrichtung zu beseitigen. Eine interplanetare Sonde wie New Horizons hätte in der Lage sein können, Daten zu senden, während sie Beobachtungen macht, und, was noch wichtiger ist, immer in der Lage sein, einen Last-Minute-Befehl zu erhalten. Die Kosten für die Stationshaltung könnten für umlaufende Satelliten, einschließlich der ISS, gesenkt werden. Warum tragen Raumfahrzeuge also immer noch eine feste Schüssel anstelle eines Phased Array?

Ich stelle fest, dass der 285 kg schwere und 90 Watt starke Mercury Magnetospheric Orbiter , ein geplanter JAXA-Mercury-Orbiter, über ein Phased Array für die Kommunikation mit der Erde mit 160 Gbit/Jahr verfügen wird und Merkur etwa 90 bis 210 Millionen km von der Erde entfernt ist. Kosten, Masse, Größe, Leistungsbedarf, Datenrate und Entfernungen scheinen also keine Hindernisse für Phased Arrays im Weltraum zu sein. Was ist also das Problem mit ihnen? Oder übernehmen sie vielleicht schon?

Meine Vermutung wäre Gewinn. Eine Parabolschüssel verstärkt Ihr Signal stark (20-30 dB?). Das Replizieren dieses Signals mit einem Phased Array bedeutet, dass Sie die 1000-fache Leistung benötigen.
@Hobbes Ja, 20-30 dB Verstärkung im UHF- oder niedrigen SHF-Bereich (wenige Gigahertz) sind bei einer Parabolantenne fast trivial. Es wäre wahrscheinlich selbst in der Raumfahrt nicht allzu schwer, das auf 40 dB zu bringen. Solange die Antenne genau ausgerichtet werden kann, ist das ein enormer Schub.
160 Gbit/Jahr sind etwas mehr als 5 kbit/s. Das klingt selbst in Merkur-Entfernung nicht ganz so beeindruckend, oder? Rosetta schaffte etwa 28 kbit/s.
@Hobbes Aber das kleine MMO soll es bei Mercury tun. Und ich bin sicher, dass mehrere andere Raumfahrzeuge, einschließlich Werbespots, dies bereits tun. Funktioniert es gut oder schlecht und aus welchen Hauptgründen?
@MichaelKjörling 160 Gigabit für 90 W auf der einjährigen Primärmission scheinen sicherlich genug zu sein, damit ein so billiges winziges Raumschiff die magnetische Umgebung von Merkur untersuchen kann. Klingt skalierbar in Entfernung, Verstärkung, Leistung und vielem mehr. Ich sehe die Grenze nicht, ich verlange danach.

Antworten (2)

Um den letzten Teil Ihrer Frage anzusprechen: "... oder übernehmen sie bereits", werden Phased Arrays bereits seit einiger Zeit in kommerziellen Kommunikations- und Fernerkundungssatelliten eingesetzt, obwohl ich nicht glaube, dass sie als solche "übernehmen".

Diese Beispiele sind nicht die interplanetare Verwendung, die Sie vorgeschlagen haben, aber sie dienen dazu, zu demonstrieren, dass die Technologie für die Verwendung von Satelliten gut etabliert ist.

Inmarsat 4 verwendet ein Phasenarray für seine Haupt- L-Band-Empfangs- und Sendeantenne:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das Synthetic Aperture Radar ist eng verwandt mit einem Phased Array. Der Satellit Sentinel 1 verwendet ein Phased Array als Basis für seine C-Band-SAR- Nutzlast:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich vermute, dass die Kosten der Lösung in der Vergangenheit höher waren, sich vielleicht jetzt mit breiterer Nutzung verbessern und dass dies wahrscheinlich den Kompromiss für wissenschaftliche Missionen bis heute verdrängt hat.

Phased-Arrays haben mathematische Grenzen, daher müssen Sie möglicherweise noch Gimbals haben oder das Array ausrichten. Insbesondere leiden sie unter einer verringerten Verstärkung außerhalb der Ziellinie. Je mehr Elemente zur Antenne, desto enger der Strahl, aber desto schlimmer die Off-Boresight-Probleme. Die NASA hat diese Probleme untersucht, und es gibt Lösungen (z. B. mehrere Arrays). In dem Beispiel aus diesem Artikel brauchten sie 8 separate Antennen, jede ein Phased Array. Das ist eine Menge Masse und Kraft, obwohl es sicherlich seine Vorteile hat!

Die wahre Stärke von Phased Arrays ist ihre Fähigkeit, elektronisch gesteuert zu werden. Die beste Verwendung davon ist in Situationen, in denen man einen Bereich schnell scannen muss, aber diese Situationen treten selten bei der Kommunikation von Raumfahrzeugen auf.

Es gibt mehrere Satelliten, die mit einem Phased Array kommunizieren, aber soweit ich das beurteilen konnte, sind sie normalerweise entweder dort, weil sie das Array für einen anderen Zweck (z. B. SAR-Bildgebung) benötigten, oder weil sie schnell zwischen ihnen wechseln mussten mehrere Kommunikationskanäle mit verschiedenen Fahrzeugen, ohne dass eine physische Kardanbewegung erforderlich ist.

Vielen Dank, Ihre Antwort hat zu weiteren Gedanken über Phased Arrays geführt. Es war etwas zu lang, um sie hier hinzuzufügen, daher habe ich hier eine neue Frage dafür erstellt: space.stackexchange.com/questions/12874/…
Wie werden Phased-Array-Antennen in der Raumfahrt eingesetzt? Vorteile und Einschränkungen
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