Frage:
Alternative Datenübertragungskanäle für interstellare Sonden?
Danubian Sailor
2013-07-22 00:19:45 UTC
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Das Problem, wie es überhaupt möglich ist, Daten von Voyager I zu empfangen, wird in dieser Frage behandelt: https://physics.stackexchange.com/questions/13227/how-earth-communicates-with-voyager- i

Es gibt jedoch immer noch Probleme, wenn wir wirklich weit weg gehen und dennoch wissenschaftliche Daten zur Erde zurücksenden möchten:

  1. Die Empfänger auf der Erde muss wirklich groß werden
  2. Mit immer präziseren Richtantennen ist immer mehr Präzision erforderlich, um sie zu positionieren, sonst verfehlt das Signal einfach die Ziel-Übertragungsbitrate für Voyager Ich bin ziemlich niedrig, zu niedrig, um Fotos oder andere großvolumige Daten senden zu können.
  3. ol>

    Gibt es Alternativen, die derzeit von Raumfahrtagenturen entwickelt oder konzipiert werden? Ich kann mir 2 vorstellen:

    1. Zwischenempfangsstationen bauen, was ebenfalls problematisch ist, da es sehr schwierig wäre, sie in konstantem Abstand zu Sonde und Erde zu halten.
    2. Senden Alle paar Jahre werden Daten auf einer Flash-Karte zurückgesendet, aber wir haben eine begrenzte Anzahl solcher Übertragungen. Wir benötigen viel Energie, um sie in Richtung Erde zu starten, und es kann ziemlich schwierig sein, sie abzufangen.
    3. ol>
Quantenverschränkung?
Speicherkarte?? Im Ernst, Sie können das Energiebudget der Sonde erhöhen und eine Reihe von Schalen auf der Erde verwenden ... Sie können die Schalen auch auf die andere Seite des Mondes stellen.
* "Die Übertragungsbitrate für Voyager I ist ziemlich niedrig, zu niedrig, um Fotos oder andere großvolumige Daten senden zu können." * Wie haben wir dann [diese Bilder, die die Voyager aufgenommen haben, zurück zur Erde] (http: //voyager.jpl) erhalten .nasa.gov / imagesvideo / imagesbyvoyager.html)? (Vergessen wir nicht [Pale Blue Dot] (https://en.wikipedia.org/wiki/File%3aPale_Blue_Dot.png).) Ich glaube nicht, dass diese auf per Post verschickten Flash-Karten verschickt wurden.
Verwenden Sie anstelle der Flash-Karte ein wirklich langes Kabel wie das [Saggers] (http://en.wikipedia.org/wiki/9M14_Malyutka).
@Undo 1,5 Jahre später - aber da es bereits dreimal hochgestuft wurde: Mit Quantenverschränkung können Sie keine Informationen senden, keine Möglichkeit, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit mit ihnen zu kommunizieren. Das ist also definitiv keine Alternative.
@MichaelKjörling Voyager 1 ist jetzt ca. 130 AU von uns entfernt. Saturn ist ungefähr 10 AU entfernt. Die Signalstärke sinkt mit dem inversen Quadrat, so dass das Signal beim Saturn-Vorbeiflug fast 170-mal stärker war als jetzt. Es war ungefähr 700 Mal so stark, als es von Jupiter geflogen wurde.
@HopDavid OP postulierte "Die Übertragungsbitrate für Voyager I ist ziemlich niedrig, zu niedrig, um Fotos senden zu können". Mein Kommentar sollte im Grunde sagen, dass an der Bitrate, zu der das Raumschiff fähig ist, nichts falsch ist, nur an der Bitrate, die es * in der aktuellen Entfernung * kann. [Und ich weiß, dass die Voyager ziemlich weit weg ist.] (Http://space.stackexchange.com/a/3011/415)
Quantenverschränkung kann nicht nur nicht verwendet werden, um Informationen schneller als Licht zu senden, sondern auch nicht, um Informationen * überhaupt * zu senden.
Wenn die Voyager etwas Interessantes zu fotografieren hätte (nicht), könnte sie ein unkomprimiertes 400 x 400-Farbfoto in etwa 6 Stunden über ihren 160-Bit-pro-Sekunde-Telemetriekanal senden. Was hast du eilig?
@pericynthion Sind Sie sicher, dass das tatsächlich stimmt? Dies wurde zum Beispiel [auf phys.org] dokumentiert (https://phys.org/news/2017-07-physicists-transmit-earth-to-space-quantum-entanglement.html)
@zediiiii Artikel ist irreführend. Der Quantenzustand kann transportiert werden, aber um auf diese Weise "Informationen zu senden", müssen Sie mit herkömmlichen Mitteln genau so viele Bits übertragen.
Sechs antworten:
#1
+8
PearsonArtPhoto
2013-07-22 04:15:52 UTC
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Um das Problem der Empfängerstärke zu lösen, müssen zunächst nur höhere Frequenzen verwendet werden. Der Grund dafür ist, dass ein kleineres Gericht eine hohe Verstärkung aufweist, was eine effizientere Datenverarbeitung ermöglicht. Der Hauptgrund, warum der Mars Reconnaissance Orbiter so viel mehr Daten verarbeiten kann als seine Vorgänger, ist die Verwendung des X-Bandes bei 8 GHz. Die Technologie ermöglicht höhere Datenraten von Raumfahrzeugen, Algorithmen, Frequenz und Richtgenauigkeit. Alles sieht besser aus. MRO hätte, wenn es magisch dort platziert würde, wo sich die Voyager-Sonden befinden, erheblich mehr Datenkapazität als die Voyager-Sonden. Der Schlüssel muss darin bestehen, mehr Richtungsausrichtung zu verwenden, um die Schüssel direkt auf die Erde auszurichten.

Es ist erwähnenswert, dass höhere Frequenzen weiterhin funktionieren, und es wird häufig vorgeschlagen, dass wirklich Fernmissionen beide Laser verwenden oder sogar höhere Frequenzen wie Röntgen- oder Gammastrahlen. Diese erfordern natürlich ein immer genaueres Zeigen, könnten aber theoretisch durchgeführt werden.

Alternativ könnten die Impulse eine kurze Zeitdauer haben und einen ähnlichen Effekt erzielen. Dies würde am besten für ein Leuchtfeuer der Quelle funktionieren. Wir könnten eines dieser Leuchtfeuer platzieren, um dem Satelliten mitzuteilen, wohin er die Antenne richten soll, und er sollte in der Lage sein, einen sehr genauen Ort zu finden. Siehe Optische SETI-Projekte. Trotzdem ist es eine Herausforderung, aber sie wird von Tag zu Tag lösbarer.

Tatsächlich kann mindestens Voyager 1 mindestens das X-Band für Downlink-Zwecke verwenden. [Wikipedia sagt DSN-Kanal 18, Downlink 2296,48 oder 8420,43 MHz] (https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1#Communication_system), mit Uplink auf 2114,68 MHz.
Das ist falsch. Eine höhere Frequenz kann Ihre Datenrate erhöhen, erleichtert jedoch nicht das Senden von Daten über große Entfernungen. Die Datenrate von Voyager wird durch die Tatsache begrenzt, dass Sie leicht lesbare Signale mit niedriger Geschwindigkeit (= langer Dauer) senden müssen, um in diesen Entfernungen überhaupt lesbar zu sein. Die Entfernungsgleichung für Radiowellen ist unabhängig von der Wellenlänge.
Eine höhere Frequenz macht es einfacher, eine höhere Verstärkung zu haben, was es einfacher macht.
Ich stehe korrigiert.
AilisksbkzCMT To what extent is from Voyager, New Horizons, etc. limited by sustained energy production/heat-dissipation limits, and to what extent is instantaneous power the limiting factor? I would think that transmitting data with 10x the sustainable power 10% of the time could achieve a faster data rate than transmitting continuously at the maximum sustainable power, unless either (1) the transmission power was sufficient to achieve 1bps of throughput per Hertz of bandwidth, or (2) the limits of instantaneous power-handling ability were reached, but I've not read about...
...space probes using intermittent transmissions. Do you know if they do so?
@supercat: würde es Ihnen etwas ausmachen, das als neue Frage zu stellen? Auf diese Weise erhält es mehr Aufmerksamkeit und es funktioniert besser, als zu versuchen, eine lange Antwort in die Kommentare zu packen
#2
+5
Jerard Puckett
2014-02-04 23:29:49 UTC
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David G. Messerschmitt hat sich mit diesem Thema befasst. Er argumentiert, dass "der Energieverbrauch in der interstellaren Kommunikation Vorrang haben sollte, im Gegensatz zu den meisten terrestrischen Systemen, die in erster Linie das knappe Spektrum erhalten". Seine Analyse legt nahe, dass "Sendesignale eine große Bandbreite haben und aus Energie bestehen sollten, die sowohl zeitlich als auch frequenzmäßig spärlich konzentriert ist."

Von der Zusammenfassung zu "Energieeffizienz in der interstellaren Kommunikation":

Ein Haupthindernis für die Kommunikation mit anderen Zivilisationen in interstellaren Entfernungen bei Funkwellenlängen ist die mangelnde Koordination beim Sender- / Empfängerdesign. Wir schlagen vor, dies durch Optimierung des relevanten Ressourcenverbrauchs im Lichte der beobachtbaren interstellaren Beeinträchtigungen zu beheben, zu denen interstellare Ausbreitungseffekte (Rauschen, Plasmadispersion und Streuung) und Bewegungseffekte gehören. Bei der Kommunikation gibt es zwei primäre Ressourcen, den Energiebedarf des Senders für Strahlungsleistung und die Signalbandbreite, und es gibt einen direkten Kompromiss zwischen den beiden.

Angesichts der großen Entfernungen und des großen verfügbaren Mikrowellenfensters Wir argumentieren, dass der Energieverbrauch in der interstellaren Kommunikation Vorrang haben sollte, im Gegensatz zu den meisten terrestrischen Systemen, die in erster Linie das knappe Spektrum erhalten. Die grundlegende Grenze des Energieverbrauchs für die interstellare Kommunikation ist ein Weckruf, bei dem die derzeit bei SETI-Suchen erwarteten Signaltypen um mehrere Größenordnungen ineffizient sind. Wir betrachten kurz einen Satz von fünf Prinzipien des Sendesignaldesigns, die sich gemeinsam asymptotisch dieser fundamentalen Grenze nähern können. Diese Prinzipien lehren uns, dass Sendesignale eine große Bandbreite haben und aus Energie bestehen sollten, die sowohl zeitlich als auch frequenzmäßig spärlich konzentriert ist. Obwohl Signale mit diesen Merkmalen von aktuellen SETI-Suchmethoden nicht erkannt werden, überprüfen wir die Erkennungsherausforderung und diskutieren, wie aktuelle Suchvorgänge geändert werden können, um diese energiesparenden Signale zu suchen. Informationsfreie Beacons sowie informationstragende Signale können gleichzeitig gesucht werden.

Aus seiner Arbeit von 2013 " Design eines interstellaren End-to-End-Kommunikationssystems für Energieeffizienz ":

Zusammenfassung
Die Funkkommunikation über interstellare Entfernungen wird untersucht, wobei Rauschen, Streuung, Streuung und Bewegung berücksichtigt werden. Große Sendeleistungen legen nahe, die Energieeffizienz (Verhältnis der Informationsrate zur durchschnittlichen Signalleistung) zu maximieren, anstatt die Bandbreite einzuschränken. Die grundlegende Grenze für eine zuverlässige Kommunikation wird bestimmt und nicht durch Trägerfrequenz, Streuung, Streuung oder Bewegung beeinflusst. Der verfügbare Wirkungsgrad wird allein durch Rauschen begrenzt, und die verfügbare Informationsrate wird durch Rauschen und verfügbare Durchschnittsleistung begrenzt. Ein Satz von fünf Entwurfsprinzipien (innerhalb unserer eigenen technologischen Fähigkeiten) kann sich asymptotisch der grundlegenden Grenze nähern. Keine andere Zivilisation kann eine höhere Effizienz erreichen. Die Bandbreite kann so erweitert werden, dass eine Beeinträchtigung durch Dispersion oder Streuung vermieden wird. Die resultierenden energieeffizienten Signale weisen Eigenschaften auf, die sich stark von den aktuellen SETI-Zielen unterscheiden, mit einer großen Bandbreite im Verhältnis zur Informationsrate und einer spärlichen Verteilung der Energie sowohl in der Zeit als auch in der Frequenz. Es werden informationsfreie Beacons untersucht, die die niedrigste Durchschnittsleistung erzielen, die mit einer bestimmten Beobachtungszeit des Empfängers übereinstimmt. Sie müssen keine große Bandbreite haben, verteilen jedoch die Energie zeitlich sparsamer, da die durchschnittliche Leistung reduziert wird. Die Entdeckung sowohl von Beacons als auch von informationstragenden Signalen wird analysiert und ähnelt am ehesten den Ansätzen, die bei optischen SETI verwendet wurden. Es ist keine Verarbeitung erforderlich, um andere Beeinträchtigungen als Rauschen zu berücksichtigen. Ein direkter statistischer Kompromiss zwischen einer größeren Anzahl von Beobachtungen und einer niedrigeren Durchschnittsleistung (auch aufgrund einer niedrigeren Informationsrate) wird hergestellt. Die "Fehlalarme" bei aktuellen Suchvorgängen sind charakteristische Signaturen dieser Signale. Die gemeinsame Suche nach Beacons und informationstragenden Signalen erfordert einfache Änderungen an den aktuellen Ansätzen zur Erkennung von SETI-Mustern.

Auf YouTube gibt es auch ein Video von Prof. Messerschmitts Präsentation auf dem Starship Congress in diesem Sommer:

#3
+1
Hobbes
2014-02-05 01:56:28 UTC
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Wenn Sie eine Speicherkarte (oder etwas anderes) zur Erde zurücksenden, wird die Sonde aufgrund des Motors und des gesamten Kraftstoffs, den Sie benötigen, um die Speicherkarte auf 0 abzubremsen und dann auf einen anständigen Wert zu beschleunigen, erheblich belastet Geschwindigkeit in Richtung Erde. Außerdem benötigen Sie einen Hitzeschild, einen Funksender, damit Sie ihn wieder auf der Erde finden können, was wiederum ein Stromversorgungssystem usw. usw. bedeutet. Dies würde die Mission enorm verteuern. Aus dem gleichen Grund hatten wir schon einige Raumschiffe auf dem Mars, aber noch keine Rückkehrmissionen.

Andererseits wäre die Bandbreite enorm. Ich könnte dies als primäres Mittel betrachten, um extrem große Datenmengen zwischen interstellaren Kolonien zu erhalten, bei denen die Latenz kein Problem darstellt. Dies geht auf das alte Sprichwort zurück: "Unterschätzen Sie niemals die Bandbreite eines Kombis voller Bänder, die die Autobahn entlang rasen." (Vielleicht zu alt, um zu wissen, was ein "Kombi" oder "Bänder" sind.)
Ich denke, es wäre nur machbar, wenn es eine Möglichkeit gäbe, die Energie zu nutzen, die erforderlich ist, um die Speicherkarte zur Erde zurückzuschieben und auch die Sonde zu beschleunigen.
#4
+1
Steve U
2015-01-23 20:45:49 UTC
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Es kann erwähnenswert sein, dass das physische Zurücksenden von 'Speicherkarten' (oder in diesem Fall Filmkanistern) von den kürzlich freigegebenen KH-9 Hexagon-Spionagesatelliten durchgeführt wurde, von denen jeder mit 4 bis 5 Re-Satelliten ausgestattet war Eintrittskapseln, die zur Gewinnung mit Film verpackt waren. Diese Satelliten wurden jeweils nur einige Monate im erdnahen Orbit betrieben, sodass die Anforderungen an die Komplexität von Delta-V und Rückfahrfahrzeugen erheblich geringer sind als bei der Rückführung einer Kapsel von einer solaren Fluchtbahn.

KH-9 Hexagon

Zusätzlich zu den Punkten, die Hobbes angesprochen hat, müssten Sie auch Folgendes berücksichtigen:

  • Das Design der Rückflugbahn eines solchen Fahrzeugs.
  • Die mit a physische Rückkehr - erinnern Sie sich an den Genesis-Absturz? Sowohl Hexagon als auch Genesis planten die Entnahme von Wiedereintrittskapseln in der Luft (unter Verwendung eines modifizierten C-130 bzw. eines Hubschraubers). Ein langfristiges Rinnsal von Daten kann einer risikoreichen, stückweisen Rückgabe größerer Mengen vorzuziehen sein.
  • Angesichts der bereits sehr engen Massenbeschränkungen ist es unwahrscheinlich, dass Masse für ein bestimmtes Rückgabesystem ausgegeben wird dass eine solche Mission in jedem Fall einen fähigen Sender / Empfänger erfordern würde.

Quellen:

Wikipedia: KH-9 Hexagon

Arbeiten im Schatten: Phil Pressel und die Hexagon-Spionagekamera

Speicherkarten könnten möglicherweise zusammen mit Erde aus Probenrückgabemissionen gesendet werden. Dies könnte empfindlichere Instrumente mit einer höheren Abtastfrequenz ermöglichen, die viel mehr Daten erzeugen. Und detaillierte kontinuierliche technische Daten.
#5
+1
Hobbes
2015-01-24 01:17:53 UTC
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Sie haben die Voyager erwähnt. Dies ist tatsächlich ein Beispiel für eine alternative Datenübertragungsstrategie. Die Voyager wurde für Vorbeiflugmissionen gebaut: Sie sauste mit hoher Geschwindigkeit von einem Planeten und sammelte wissenschaftliche Daten mit einer viel höheren Geschwindigkeit, als übertragen werden konnte. Diese Daten wurden an Bord gespeichert und später während der langen, langweiligen Kreuzfahrt zum nächsten Planeten zur Erde gesendet.
New Horizons wird dies auch während des Pluto-Vorbeiflugs tun. Tatsächlich kann es während des Vorbeiflugs nicht senden, da es seine wissenschaftlichen Instrumente auf Pluto richten muss, wodurch die Funkantenne von der Erde weg gerichtet wird.

Interstellare Sonden könnten eine ähnliche Strategie verfolgen, obwohl es schwer vorstellbar ist, dass eine Sonde über einen Funksender verfügt, der Signale über eine in Lichtjahren gemessene Entfernung senden kann. Die benötigte Kraft verwirrt den Geist.

#6
  0
LocalFluff
2015-01-23 17:25:34 UTC
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    Die interstellare Mission könnte aus einem kontinuierlichen Konvoi von Schiffen bestehen, die eine Kommunikationskette bilden. Wenn die interstellaren Schiffe Strahlkraft von der Erde erhalten, können die Schiffe in einem solchen Konvoi auch verwendet werden, um diesen Kraftstrahl auf das nächste Schiff zu fokussieren.

  1. Der Gravitationsfokus der Sonne könnte zum Linsen der Funksignale verwendet werden. Der Gewinn wäre erstaunlich. Wir würden es wahrscheinlich trotzdem gerne tun, um das interstellare Ziel im Detail teleskopisch zu untersuchen und die Staubmenge auf dem Weg zu messen, bevor wir eine Reise dorthin starten. Der Fokus ist eine Linie, kein Punkt, daher muss das Kommunikationsraumschiff mit Funkfokussierung niemals abbremsen. Geometrisch beginnt es 550 AE von der Sonne entfernt, aber aufgrund der Korona muss man möglicherweise 700 bis 1000 AE entfernt sein (in die entgegengesetzte Richtung vom Ziel), bevor es praktisch funktioniert. Das ist in der Nähe im Vergleich zum nächsten Stern, der 270.000 AE entfernt ist.

  2. ol>


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