Ich bin sicher, viele von Ihnen haben von der jüngsten gehört oder gelesen Ausdauernde Landung auf dem Mars, und bald wartet der Rote Planet bereits auf die arabische Hoffnung und die chinesische Tianwen-1. Ich frage mich, wie all diese Sonden die Daten ihrer Forschung zur Erde übertragen? Weltraumkommunikation wird heute besprochen.
Flüge zu anderen Planeten waren schon immer ein Menschheitstraum. Zu diesem Thema sind viele Spielfilme und Dokumentationen gedreht worden, die fast detailliert erzählen, wie der Flugvorgang selbst abläuft, wie sich die Besatzungsmitglieder fühlen oder fühlen werden, was in einer solchen Umgebung zu tun ist.
Kürzlich hat die ganze Welt mit Freude zugesehen, wie der Perseverance-Rover auf der Oberfläche des Roten Planeten gelandet ist und die ersten Bilder nach der Landung gemacht hat. Wir haben bereits die ersten Fotos des Rovers, der, ich erinnere Sie daran, am 18. Februar 2021 auf dem Mars gelandet ist, sowie das erste Foto des Geräts selbst.
Dies sind technische Fotos, die unmittelbar nach der Landung aufgenommen wurden, Fotos der Räder sowie ein Foto des Rovers selbst während der Landung, das von auf dem Raketenmodul montierten Kameras aufgenommen wurde.
Aber ich habe mich immer dabei ertappt zu denken, wie schaffen sie es, sich so schnell mit der Erde zu verbinden und das Filmmaterial zu übertragen? Ich fragte mich, ob das wahr oder Science-Fiction ist? Heute werde ich versuchen, meine Gedanken zu diesem Thema zu teilen.
Lesen Sie auch: Was werden Beharrlichkeit und Einfallsreichtum auf dem Mars bewirken?
Wie weit ist der Mars entfernt und was bedeutet das?
Ich möchte Sie daran erinnern, dass der Mars je nach Jahreszeit etwa 55 bis 401 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Hier hängt alles vom Zusammentreffen der Rotationsbahnen ab, auch um die Sonne. Und da die schnellste Form der Kommunikation elektromagnetische Wellen sind, wird die Zeit, die zum Senden von Informationen zum Roten Planeten benötigt wird, von der Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Das heißt, wenn wir einen Befehl an einen solchen Rover oder eine solche Sonde senden oder Daten empfangen möchten, müssen wir ein wenig warten.
Maschinen können Signalverzögerungen nicht so beeinflussen wie Menschen, daher kann die Verzögerung bis zu 60 ms betragen. Und in dieser Zeit legt das Funksignal etwa 18 Kilometer zurück. Bei Raumfahrzeugen ist die negative Seite dieses Phänomens die Unmöglichkeit, sie in Echtzeit zu steuern. Bleibt nur noch der Übergang zum autonomen Betrieb, und das gilt für Perseverance selbst und wohl noch mehr für den Helikopter Ingenuity, der in den nächsten Dutzend Tagen seine 000-tägige Mission antreten soll. Das heißt, von der Marsoberfläche erhalten wir ein Signal mit erheblicher Verzögerung, aber moderne Geräte haben es fast minimiert. Ja, es hat uns die Möglichkeit genommen, Geräte von der Erde aus zu steuern, aber es hat die Entwicklung einer noch stärkeren Automatisierung solcher Geräte vorangetrieben.
Lesen Sie auch: Die 10 wichtigsten Fakten über massive Schwarze Löcher, die 2020 entdeckt wurden
Wie funktioniert die direkte Kommunikation zwischen der Erde und den Missionen, die auf dem Mars operieren?
Ich bin sicher, dass diese Frage fast jeden interessiert, der ähnliche Missionen verfolgt. Zu diesem Zweck wurde ein Netzwerk von Radioteleskopen namens Deep Space Network (DSN) geschaffen, das Teil einer noch größeren Struktur namens SCaN (Space Communication and Navigation) ist.
Dieses Zentrum verbindet alle Sender und Empfänger auf der Erde, die zur Kommunikation mit Raumfahrzeugen und Astronauten im Weltraum verwendet werden. DSN wird vom Jet Propulsion Laboratory der NASA kontrolliert.
Radioteleskope, von denen die größten einen Durchmesser von bis zu 70 Metern haben, befinden sich in der Nähe von Madrid in Spanien, Canberra in Australien und Goldstone in der Mojave-Wüste in den Vereinigten Staaten. Diese Anordnung an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche minimiert das Risiko von Kommunikationsunterbrechungen und ermöglicht eine Erhöhung der Signalempfangs- und -übertragungsgeschwindigkeit.
Interessant ist, dass China, um von anderen Netzen unabhängig zu werden, ein eigenes, ebenfalls etwa 70 m großes Radioteleskop gebaut hat, mit dem es mit Tianwen-1 kommuniziert. Aus dieser Umlaufbahn wurden unter anderem die ersten Bilder des Planeten aufgenommen.
Lesen Sie auch: Was kann uns daran hindern, den Mars zu besiedeln?
Es gibt einen großen Unterschied zwischen der ausgegebenen und der empfangenen Signalleistung
Kommen wir nun zu den technischen Möglichkeiten dieser Sender. Auch hier gibt es viel Interessantes zu entdecken. Wir wissen also, dass die auf diesen Antennen montierten und auf Weltraumobjekte gerichteten Sender eine Leistung von 20 kW im X-Band (Frequenzen von 8 bis etwa 12 GHz) bis 400 kW haben (aber es sollte daran erinnert werden, dass die Verwendung von Leistung über 100 kW erfordert Anpassungen je nach Luftzusammensetzung und Verkehrsmanagement) im S-Band (Frequenzen um 2 bis 4 GHz, d. h. ähnlich wie Heim-WLAN oder einige Mobilfunknetze). Im Vergleich dazu liegt die Leistung der stärksten 5G-Basisstationssender bei 120 Watt, ist aber meist deutlich geringer und der Strahl wird anders geformt als bei Übertragungen zu Raumfahrzeugen.
Beim Empfang eines Signals können die größten Antennen des DSN-Netzwerks einen Strahl mit einer Leistung in der Größenordnung von 10-18 W einfangen. Eine solche Leistung hat zum Beispiel das Signal von Voyager 2. Signale vom Mars liegen angesichts der Entfernung und der begrenzten Energieressourcen der Sonden ebenfalls ungefähr in dieser Größenordnung.
Der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) verfügt über zwei 100-Watt-Signalverstärker für jedes X-Band, mit einem Backup, falls einer der Hauptverstärker ausfällt. Es hat auch einen experimentellen Sender, der im Ka-Band (Frequenzen im Bereich von 26 bis 40 GHz) arbeitet und mit 35 Watt sendet, aber nur zu Testzwecken.
DSN-Seite zeigt übersichtlich an wen oder von wem gerade Daten gesendet oder empfangen werden. Unter anderem können wir nach dem Klicken auf die Verknüpfung, die die Mission anzeigt, zusätzliche Daten sehen. Der Rover Perseverance heißt kurz M20, die Daten stammen hauptsächlich von MRO.
Lesen Sie auch: Platz auf Ihrem Computer: 5 beste Programme für die Astronomie
Je weiter ins All, desto langsamer das Signal
DSN kommuniziert auch mit anderen Sonden, aber Sie wissen, je weiter sie von der Erde entfernt sind, desto langsamer ist die Datenrate. Viel hängt auch von der Leistung des Senders an einem gegebenen Raumfahrzeug ab. Voyager 1, das am weitesten von der Erde entfernte, überträgt Daten mit 160 bps, nur geringfügig schneller als die ersten Modems der 1950er Jahre. Zum Öffnen einer Website root-nation.com Mit diesem Text aus einer solchen Entfernung müssen Sie mehr als einen Tag warten.
Das Signal, das die Sonde von der Erde erreicht, ist wiederum viel stärker, aber die Antenne von Voyager 1 hat nur einen Durchmesser von 3,7 Metern, was den Signalempfang natürlich viel schwächer macht als bei einer 70-Meter-Antenne.
Lesen Sie auch: Parker Solar Probe zeigte die Nachtseite der Venus
Wie viele Daten überträgt eine Marssonde oder ein Rover während seiner Mission?
Marsmissionen dauern in der Regel zwei Basisjahre plus die Dauer einer erweiterten Mission und können mehr als ein Jahrzehnt dauern. Sonden und Instrumente, die visuelle Beobachtungen durchführen, benötigen die meiste Bandbreite, da Fotos mindestens Megabyte an Daten umfassen. Das Signal kann viel mehr numerische Daten enthalten, die andere Messungen, Parameter der Atmosphäre, des Magnetfelds, der Temperatur usw. charakterisieren. Daher ist die Zeit reif für Raumsonden. Sie senden nicht zu schnell, aber sie tun es jahrelang beharrlich.
Der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), der den Mars seit 2005 fotografiert, hat bereits mehr als 50 Erdumrundungen und mehr als 000 Fotos gemacht, die 90 % der Planetenoberfläche abdecken (Stand 000). Außerdem überträgt es Sendungen und Bilder von Mars-Rovern. Zum Beispiel hat Curiosity bereits fast eine Million Rohfotos gemacht (nicht alle davon wurden zu Bildern, die wir bewundern). Die Menge der von MRO auf der Erde gesammelten Daten nähert sich 99 Petabyte (geschätzte Daten von Anfang 2017).
MRO ist jedoch eine foto- und datenorientierte Mission. Zum Vergleich: Die Cassini-Sonde, die den Saturn und seine Monde seit mehreren Jahren untersucht, hat nur 635 GB an Daten zurück zur Erde geschickt, darunter 453 Fotos. Der Rover wiederum Opportunity, das 15 Jahre lang um den Mars reiste, schickte bis 2018 mehr als 225 Fotos zurück zur Erde (kurz nachdem wir den Kontakt zu ihr für immer verloren hatten).
Die zum Mars gesendete Datenmenge ist viel kleiner. Da es sich hauptsächlich um Befehle und Bestätigungen ihrer Ausführung oder um Softwarekorrekturen (die wichtigsten) handelt, benötigen sie nicht einmal sehr leistungsstarke Sender, um sie zu übertragen.
Lesen Sie auch: Es wurde bekannt, wann der Luftsauerstoff der Erde zur Neige gehen wird
Wie „spricht“ eine Sonde oder ein Rover mit der Erde?
Wir wissen bereits, wie Daten vom Mars auf der Erde empfangen werden, aber wie wird die Kommunikation von Geräten auf dem Roten Planeten initiiert? Sonden im Orbit haben günstigere Bedingungen, um mit der Erde zu kommunizieren und große Datenmengen zu senden. Für eine solche Kommunikation wird das am häufigsten genannte X-Band verwendet.Der Perseverance-Rover verwendet wie Curiosity zwei Sender (niedrige und hohe Leistung), die auf diesem Band für die Kommunikation arbeiten.
Mit ihrer Hilfe kann der Rover selbstständig nach Hause „rufen“, aber die Datenübertragungsrate des leistungsstarken Senders beträgt maximal 800 bps, wenn das Signal von einer 70-Meter-Antenne empfangen wird, oder 160 bps, wenn es sich um eine 34-Meter-Antenne handelt Antenne. Ein Sender mit geringer Leistung ist nur der letzte Ausweg, da er nur einen 10-Bit-Kanal zum Senden und einen 30-Bit-Kanal zum Empfangen von Daten hat.
Daher verbinden sich heute die Rover Curiosity und Perserance meist zunächst im UHF-Bereich mit ihrer „Basisstation“ im Marsorbit – Sonden, die über deutlich größere Sendeantennen verfügen. Dabei kommen MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey und European Mars Express sowie TGO (Trace Gas Orbiter) zum Einsatz. Sie bilden ein Netzwerk namens MRN (Mars Relay Network).
Bevor ein solches Relaisnetzwerk eingerichtet wurde, mussten sich Raumfahrzeuge wie Viking 1 und 2 auf Begleitumlaufbahnen verlassen. Für die direkte Kommunikation mit der Erde wurden 20-W-Sender und S-Band verwendet, die Kommunikation erfolgte auf einer Frequenz von 381 MHz (UHF-Band), ähnlich wie bei heutigen Rovern.
Lesen Sie auch: Crew Dragon ist nicht die einzige: Welche Schiffe werden in den kommenden Jahren ins All fliegen?
Was ist die maximale Geschwindigkeit der Mars-Erde-Kommunikation?
Hier gibt es viele Nuancen. Daher sendet Perserance zunächst Bilder und andere Daten mit 400 MHz an die umlaufenden Sonden, wobei eine Antenne verwendet wird, die sich auf der Rückseite des Rovers neben dem Bildschirm des thermoelektrischen Radioisotop-Generators befindet. Die Bandbreite der Kommunikationsleitung von der Oberfläche bis zur Umlaufbahn des Roten Planeten beträgt bis zu 2 Mbit/s. Die Effizienz der Verbindung mit der Umlaufbahn des Mars hängt von seiner Entfernung von der Erde ab, und diese ist, wie Sie wissen, sehr unterschiedlich.
Die maximale Verbindungsgeschwindigkeit variiert von 500 kbps, wenn der Mars am weitesten von der Erde entfernt ist, bis zu mehr als 3 Mbps, wenn der Mars unserem Planeten am nächsten ist. Normalerweise werden 34 m DSN-Antennen für etwa 8 Stunden am Tag verwendet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass immer mit der maximalen Geschwindigkeit gesendet wird, die aus den Daten der DSN-Antennen ersichtlich ist.
Es besteht auch die Möglichkeit, eine direkte Verbindung zwischen der Erde und den Geräten auf der Marsoberfläche herzustellen, wobei die Sonden umgangen werden, die sich in der Umlaufbahn des Planeten befinden. Aber solche Verbindungen können nur in Notsituationen hergestellt werden oder um nur einfache Steuerbefehle zu senden. Solche Einschränkungen sind darauf zurückzuführen, dass die Bandbreite des Signals zum Mars von der Umlaufbahn des Planeten 3-4 mal größer ist als bei einer direkten Übertragung von der Erde zur Marsoberfläche. Sowohl auf der Erde als auch auf dem Rover werden für diese Kommunikation Antennen verwendet, die im X-Band arbeiten.
Aber es gibt auch Unterbrechungen in der Kommunikation, die wir heute nicht beeinflussen können. Ihre Ursache ist die Sonne. Die Sonne selbst kann die Übertragung von Daten von Sonden stören, die in ihrer Nähe vorbeifliegen, weil sich der Rote Planet einfach von Zeit zu Zeit vor uns versteckt. Und da wir im Sonnensystem noch kein gut ausgebautes Kommunikationsnetz haben, braucht der Mars alle zwei Jahre etwa 10 Tage, um an der Sonnenscheibe vorbeizuschlüpfen. Während dieser Zeit fehlt die Kommunikation mit Rovern und Sonden vollständig.
Manchmal gibt es keinen anderen Ausweg, man muss hart arbeiten und tage- oder gar monatelang auf Daten warten
Bei Mars-Missionen hatten Wissenschaftler solche Probleme bisher glücklicherweise nicht. Aber wer sich an die Galileo-Sonde aus den 1990er Jahren erinnert, weiß, dass es damals große Probleme mit der Bodenkontrolle gab. Die Sendeantenne der Sonde war nur teilweise ausgefahren, sodass die vorgesehene Bandbreite von 134 kbps nicht erreicht werden konnte. Wissenschaftler mussten neue Datenkomprimierungsmethoden entwickeln, um den Kontakt zur Sonde nicht zu verlieren. Es gelang ihnen, die Leistung der zweiten Low-Gain-Antenne von 8-16 bps (ja, Bits pro Sekunde) auf 160 bps und dann auf etwa 1 kbit/s zu steigern. Es war immer noch sehr wenig, aber es stellte sich heraus, dass es ausreichte, um die Mission zu retten.
Andererseits müssen sehr weit entfernte Raumfahrzeuge mit sehr leistungsstarken Sendeantennen und Stromquellen ausgestattet werden, da die Übertragung lange dauert. Von der Sonde New Horizons, deren Sendeantenne eine Leistung von 12 W hat, warteten Wissenschaftler nach ihrem Vorbeiflug in der Nähe von Pluto monatelang auf einen vollständigen Satz übertragener Daten.
Kann dieses Problem gelöst werden? Ja, das ist möglich, aber dafür müssen wir Kommunikationsnetzwerke im gesamten Sonnensystem aufbauen, aber das erfordert viel Zeit und natürlich enorme finanzielle Zuflüsse.
Was können wir als nächstes erwarten?
Ich bin sicher, dass viele interessante Informationen von der Marsoberfläche und darüber hinaus auf uns warten. Die Menschheit ist bestrebt, aus der Erde auszubrechen und ferne Planeten und andere Sonnensysteme zu erforschen. Vielleicht bringt dieser Artikel von mir in ein paar Jahrzehnten nur Schulkinder auf dem Mars oder irgendwo in Alpha Centauri zum Schmunzeln. Vielleicht fliegt die Menschheit dann so leicht und einfach zu anderen Planeten, wie wir es jetzt von Kiew nach New York tun. Ich bin mir sicher, dass es unmöglich ist, den Wunsch der Menschheit, den Weltraum zu erforschen, zu stoppen!
Auch interessant:
