Ist es möglich, die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit Lasern auf die Entfernung Erde-Mars auszudehnen?

Nein, Sie brauchen nicht "mindestens einige Photonen pro Datenbit". 13 Bits pro Photon wurden mit Laserkommunikation demonstriert. Sie berechnen die Datenratenfähigkeit auf die gleiche Weise wie bei jeder anderen Wellenlänge, die Leistung, Reichweite, Sende- und Empfangsaperturen, Rauschen, Modulationsschema und Codierungsverstärkung verwendet.

Dieses Papier fasst detaillierte Analysen der Leistungs- und Massenvergleiche von Raumfahrzeugfunkgeräten für die gleiche Datenrate im Ka-Band und bei der Laserkommunikation zusammen$1.55\,\mathrm{\mu m}$. Die Bodenstationen wurden auf der Grundlage der Baukosten äquivalent gemacht, was schließlich zu einer Reihe von Funkschüsseln mit einer Öffnung von 1,00 äquivalent wurde$80.5\,\mathrm m$Antenne und ein optisches Teleskop mit a$10\,\mathrm m$Öffnung.

Auch für den Vergleich von Äpfeln zu Äpfeln gingen beide Systeme von der gleichen Ausrichtungsgenauigkeitsanforderung für das Raumfahrzeug aus, wobei das Laserterminal für die Feinabstimmung seiner Teleskopausrichtung mit der zusätzlichen Genauigkeit verantwortlich ist, die für die kleinere Strahlbreite erforderlich ist.

Der Vorteil ist weit über den Mars hinaus viel dramatischer, aber bei maximaler Entfernung zum Mars wäre die Masse eines 1-Gbit/s-HF-Systems mehr als doppelt so groß wie die eines Lasersystems, und die für dieses HF-System erforderliche Leistung wäre das 13-fache der Lasersystem . Es steht außer Frage, dass Sie bei 1 Gbps selbst auf dem Mars ein Lasersystem verwenden würden.

Generell gilt, dass die Fehlerrate bei der Kommunikation proportional zur Energie pro Bit ist. Streng genommen können Sie dies durch Dinge wie sehen$E_b/N_0$und das Shannon-Hartley-Theorem . Um die größere Entfernung zum Mars auszugleichen, könnte man entweder die Sendeleistung oder den Antennengewinn erhöhen, um die gleiche Leistung beizubehalten, oder jedes Bit länger senden, wodurch mehr Energie in jedem Bit akkumuliert wird.

GEO ist eine Entfernung von ungefähr 36e3 km, während Mars zwischen 55e6 km und 401e6 km liegt, abhängig von den relativen Umlaufbahnen von Mars und Erde.

Bei Anwendung des Abstandsquadratgesetzes bedeutet dies, dass die Leistung mindestens um einen Faktor von reduziert wird

aber nicht mehr als

Das Reduzieren der Bitrate um die gleichen Faktoren bedeutet, dass das im Beispiel angegebene Kommunikationssystem zwischen 648 und 12 Bit pro Sekunde arbeiten würde, wenn alles andere gleich wäre.

Das soll nicht heißen, dass die Laserkommunikation zum Mars nicht funktionieren könnte, nur dass die größere Entfernung eine speziell für diesen Zweck entwickelte Ausrüstung erfordert. Ein Mars-Kommunikationssystem wird zwangsläufig höhere Leistungen, größere Aperturen und eine teurere Infrastruktur haben, die für ein GEO-System einfach nicht notwendig war.