Was genau ist die Wechselwirkung, die Junos Daten-Downlink in der Nähe der Sonnenkonjunktion blockiert hat?

Laut Space.coms Artikel Juno Phones Home: Jupiter Probe Reconnects with Earth After 8th Flyby fand Junos jüngster naher Vorbeiflug an Jupiter und die Datenerfassung statt, als Jupiter von der Erde aus zu nahe an der Sonne war, als dass die Daten zuverlässig von der Sonde empfangen werden könnten Deep-Space-Netzwerk.

Hier ist ein GIF aus einigen SOHO LASCO C3 -Bildern; Sie können sehen, wie Jupiter hinter der zentralen Okkultationsscheibe verschwindet, die jeden SOHO-Imager vor der Sonne schützt. (Das ist übrigens Comet 96P auf der rechten Seite; siehe NASA Goddard Feature Return of the Comet: 96P Spotted by ESA, NASA Satellites .)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Solare Konjunktionen von Jupiter – wenn die Umlaufbahnen von Erde und Jupiter die Planeten auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne nehmen – bedeuten, dass ein Raumschiff, das Jupiter umkreist, nicht zur Erde senden kann, ohne dass die geladenen Teilchen, die die Sonne aussendet, das Signal der Sonde verfälschen . Die letzte Sonnenkonjunktion von Jupiter fand im August 2015 statt, bevor Juno auf Jupiter angekommen war, und die nächste wird laut in-the-sky.org im November 2018 stattfinden .

Natürlich ist der Artikel falsch, und die vorherige Konjunktion wäre 2016 gewesen.

Ich habe die Winkel unten gezeichnet; Es sieht so aus, als wären etwa 1,5 Grad zu nah, aber 4 Grad sind in Ordnung. Diese entsprechen einer größten Annäherung der Sichtlinie an die Sonnenoberfläche von 3 gegenüber 10 Millionen Kilometern.

Frage: Ist das ein einfacher Plasmadichteeffekt? Wenn die Sichtlinie zu nahe an der Sonne vorbeigeht, fällt die Grenzfrequenz unter die, die vom Raumfahrzeug für die Abwärtsverbindung verwendet wird? Ist die Dichte des Sonnenwindes in dieser Entfernung quantitativ hoch genug, um bei dieser Frequenz undurchsichtig zu werden? Oder ist das Problem komplizierter und beinhaltet vielleicht auch zu viel Streuung? Oder vielleicht ein geometrisches Problem; Es ist zu schwierig, so nah auf die Sonne zu zeigen, ohne dass die Ausrüstung beschädigt wird oder sogar ein Funkstörungsproblem auftritt. es gibt zu viel Funkrauschen von der Sonne und das schwache Raumfahrzeugsignal kann nicht gut genug getrennt werden, um einen Downlink mit hoher Bandbreite zu ermöglichen?

Hinweis: Ich suche nach einer Erklärung und nicht nur nach einer Antwort, die besagt: "Wegen der Störung durch die Sonne". Danke!


Darstellung der berechneten Positionen und Trennungen mit dem Python-Paket Skyfield . Ich bin mir der genauen Zeit des Beginns des erfolgreichen Downlinks nicht sicher, daher habe ich die Zeit des Vorbeiflugs um sieben Tage verlängert (geschätzt von JPLs Horizons .)

Winzige Punkte sind in 1-Tages-Intervallen beabstandet, ein mittelgroßer roter Punkt links ist der Moment des Vorbeiflugs, ein großer grüner Punkt rechts daneben ist ungefähr der Zeitpunkt eines erfolgreichen Downlinks.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from skyfield.api import Loader  # http://rhodesmill.org/skyfield/

degs = 180./np.pi

load = Loader('~/Documents/SkyData')
data = load('de421.bsp')
ts   = load.timescale()
sun, earth, jupiter = data['sun'], data['earth'], data['jupiter barycenter']

ddays = np.arange(0, 10, 0.1)  # ten days by 0.1 day steps

times = ts.utc(2017, 10, 24+ddays, 17, 44) # with respect to 17:44 UTC, October 24th, 2017

observations = [earth.at(times).observe(thing) for thing in sun, jupiter]
separation   = degs*observations[1].separation_from(observations[0]).radians

if True:
    fig = plt.figure()

    ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)

    for obs in observations:
        RAdegs, Decdegs = [degs*thing.radians for thing in obs.radec()[:2]]
        ax1.plot(RAdegs, Decdegs)
        ax1.plot(RAdegs[::10],  Decdegs[::10],  '.k'                 )
        ax1.plot(RAdegs[:1],    Decdegs[:1],    'or', markersize =  8)
        ax1.plot(RAdegs[70:71], Decdegs[70:71], 'og', markersize = 12)

    ax1.set_xlim(208, 220)
    ax1.set_ylim(-16, -10)
    ax1.set_aspect(1.0) # https://stackoverflow.com/a/18576329/3904031
    ax1.set_xlabel('RA (degs)')
    ax1.set_ylabel('Dec (degs)')
    ax1.set_title('Sun and Jupiter observed from Earth geocenter, start 2017-10-24, 17:44 UTC')
    ax1.text(212, -11, 'Sun')
    ax1.text(212, -14, 'Jupiter')

    ax2  = fig.add_subplot(2, 1, 2)

    ax2.plot(ddays, separation)
    ax2.plot(ddays[:1],    separation[:1],    'or', markersize =  8)
    ax2.plot(ddays[70:71], separation[70:71], 'og', markersize = 12)
    ax2.set_xlim(-0.5, None)
    ax2.set_ylim(0, None)
    ax2.set_xlabel('days since flyby')
    ax2.set_ylabel('Jupiter/Sun separation (degs)')

    plt.show()
Vielleicht kann jemand eine Referenz finden, aber ich dachte immer, das liegt daran, dass: 1) die Sonne bei der in der Kommunikation verwendeten Frequenz laut ist, sodass Sie das Signal über dem Rauschen nicht hören können, 2) es nicht gut ist, einen parabolischen "Reflektor" zu zeigen. an der Sonne, sonst verbrennen Sie den im Fokus befindlichen Empfänger.
@JohnHoltz Ich glaube (obwohl ich das nicht überprüft habe), dass die Geschirroberfläche nicht "glänzend" oder spiegelnd für sichtbares oder IR-Sonnenlicht ist, sodass sie keine Wärme auf die Wellenleiter konzentriert oder fokussiert, selbst wenn sie direkt auf die Sonne gerichtet ist. In dieser Frage können Sie einige Fotos der 70-Meter-Schüssel des DSN in Goldstone sehen . Die Optik der Schüsseln ist ziemlich gut und kann im Allgemeinen Funkquellen in viel weniger als 1 Grad Entfernung ablehnen, wenn Sie nach einer Referenz dafür suchen.
"Die ersten Sonnenradarechos wurden 1959 von einer Forschungsgruppe an der Stanford University entdeckt." siehe . Wenn Radarsignale reflektiert werden, können Datenübertragungssignale blockiert werden, wenn die Sonne zwischen Sender und Empfänger steht.
@Uwe, aber das hier diskutierte Problem ist, wenn die Sichtlinie in der Nähe der Sonne verläuft (in der Größenordnung von 1 bis 4 Grad), aber nicht unbedingt durch die Sonne . Natürlich verstehe ich, dass die Signale nicht direkt durch die Sonne gehen können!
@uhoh: Wenn die Sonne nicht in direkter Sichtlinie, aber immer noch innerhalb einer Fresnel-Zone ist , kann die Datenübertragung immer noch beeinflusst werden. Wie wäre es, die Fresnel-Zonen für den Übertragungsweg zwischen Juno und Erde zu berechnen und mit dem Standort der Sonne zu vergleichen?
Einige Links zur elektromagnetischen Emission der Sonne im GHz-Bereich: 1 , 2 , 3 , 4 ,
Noch ein paar Links: 5 , 6 , 7 , 8 Sehr wissenschaftliches Zeug mit viel Mathematik und Physik.
@Uwe Ich frage mich immer noch, ob das Problem 1. die von DSN empfangene Störung aufgrund der geringen Winkeltrennung ist (die von Ihren Links angegangen würde) oder 2. ob das Signal, das physisch durch das Plasma in Sonnennähe geht, gestört wird durch das Plasma, oder 3. wenn die DSN-Teleskope ohne thermische Schäden einfach nicht so nah auf die Sonne zeigen können.
@Uwe Ich habe ein Kopfgeld hinzugefügt ... Sie haben viele hilfreiche Links erwähnt, aber diese Frage betrifft die Fähigkeiten des Deep Space Network, daher ist mehr als eine allgemeine hypothetische Antwort erforderlich. Haben Sie speziell etwas über die Fähigkeiten von DSN herausgefunden?
Vielleicht interessieren Sie sich für das DSN Link Design Handbook , Modul 105.
@TonioElGringo danke! Ich kann einige hilfreiche Diagramme in der Nähe von Seite 200 der PDF-Datei in Abschnitt 105 Atmospheric and Environmental Effects sehen
@TonioElGringo Ich habe ein Kopfgeld hinzugefügt; erwägen Sie, eine Antwort zu posten?
Wir mussten kürzlich das Raumschiff Wind von einem Lissajous in eine Halo-Umlaufbahn um L1 versetzen, weil die z-Komponente des ersteren dazu geführt hätte, dass Wind in die Sonnenausschlusszone oder SEZ (dh die Region um die Sonne in Bezug auf Ihre Frage) gefallen wäre. Es ist ein Problem mit dem Signal-Rausch-Verhältnis. Die Sonne ist radiolaut, so dass das sehr schwache Signal, das von weit entfernten Raumfahrzeugen empfangen wird, nicht mithalten kann. Im Allgemeinen liegt die SEZ für Wind bei etwa 1,5 bis 1,8 Grad, je nach Jahreszeit und verwendeter Bodenstation. Ich stelle mir vor, Juno ist ähnlich oder größer.
@honeste_vivere es ist so schön, wie immer deine tollen Antworten und informativen Kommentare zu sehen! Das erinnert mich daran, dass Sie hier auch Wind erwähnt haben: Warum befindet sich DSCOVR in einer Lissajous-Umlaufbahn? Würde eine Halo-Umlaufbahn die Sonnenausschlusszone nicht vollständig vermeiden? Aus der Lesung von DESCANSO und der Antwort hier beginnen die Signalprobleme für Raumfahrzeuge, die hinter der Sonne fliegen, mit der Verzerrung (Pfad- / Phasenverschiebungen und Amplitudenschwund) aufgrund der inhomogenen Elektronendichte des Sonnenwinds zuerst, selbst wenn Gerichte die noch räumlich trennen können Signale von der Sonne
@uhoh - Das ist interessant, daran hatte ich nicht gedacht. Obwohl Phasenverschiebungen aufgrund von Dichtegradienten entlang einer einzelnen Sichtlinie symmetrisch sein sollten, wenn man durch eine kugelsymmetrische Atmosphäre schaut, oder? Ich nehme an, in der Nähe der Sonne sind sogar ~1% Dichteschwankungen vergleichsweise groß für den Rest des Transitpfads des Signals ... Hmm ...
@honeste_vivere Kurzwellen-AM-Radiohörer sind damit vertraut, wie funky Signale klingen können, wenn sie von inhomogenen Elektronendichteverteilungen reflektiert werden . Zusätzlich zum allgemeinen Schwund, wenn Mehrwegsignale destruktiv interferieren, erfährt jede unterschiedliche Frequenz in den Seitenbändern unterschiedliche Phasenverschiebungen und Schwund. Einige Beispiele: 1 , 2 , 3 , obwohl das letzte auch einige Interferenzeffekte hat.
@honeste_vivere Die Übertragung durch Inhomogenitäten im räumlich viel größeren, aber viel geringeren Elektronendichte-Sonnenwind wird auch Mehrwegeffekte haben. Beim AM-Radio-Kurzwellen-Hören (z. B. derzeit besonders der 2. YouTube-Link) klingen die frequenzabhängigen Mehrwegstörungen ein wenig nach Flanging .
mehr Multipath-Effekte hier: youtu.be/PKUsl7PZNr4?t=66

Antworten (1)

Dieser Artikel behauptet, dass es die von der Sonne emittierten geladenen Teilchen sind, die tatsächlich die Kommunikation mit Juno blockieren. https://www.space.com/38668-juno-8th-jupiter-science-flyby-success.html Dieser Artikel über die Marskonjunktion zitiert die gleiche Physik und weist prägnanter darauf hin, dass es der Befehls-Uplink ist, um dessen Beschädigung die Betreiber besorgt sind . https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7485

Aus Gesprächen mit den Leuten für Nutzlastoperationen bei Malin Space Science Systems, wo ich arbeite, kann ich Ihnen sagen, dass viele der Missionen, die sie unterstützen, einschließlich Juno und der Mars-Rover, versuchen werden, Daten außerhalb der Mitte der Konjunktion herunterzuladen, und Dies führt zu unterschiedlichen Graden von Datenbeschädigungen, die eine erneute Paketübertragung erfordern, sobald die Befehlsgebung wiederhergestellt ist. Ich würde also argumentieren, dass das eigentliche Problem darin besteht, dass die Uplink-Paketverlustrate zu hoch wird und es zu mühsam ist, so viele Uplink-Befehle erneut zu übertragen, sobald das HF-Grundrauschen für den Empfänger des Raumfahrzeugs zu hoch wird.

Ausgezeichnet, vielen Dank, dass Sie diese lange verlorene Frage gefunden und eine maßgebliche und gut fundierte Antwort gepostet haben!