„Es gibt fast keine Möglichkeit, die Technologie zu verbessern, die auf Funkfrequenzen funktioniert. „Einfache Lösungen enden“
Am 26. November 2018 um 22:53 Uhr Moskauer Zeit gelang der NASA erneut ein Erfolg: Die InSight-Sonde landete nach Wiedereintritts-, Abstiegs- und Landemanövern, die später als „sechseinhalb Minuten des Grauens“ bezeichnet wurden, erfolgreich auf der Marsoberfläche. Eine treffende Beschreibung, denn NASA-Ingenieure konnten aufgrund der Zeitverzögerung bei der Kommunikation zwischen Erde und Mars, die etwa 8,1 Minuten betrug, nicht sofort wissen, ob die Raumsonde erfolgreich auf der Oberfläche des Planeten gelandet war. In diesem Zeitraum konnte sich InSight nicht auf seine moderneren und leistungsstärkeren Antennen verlassen – alles hing von der altmodischen UHF-Kommunikation ab (diese Methode wird seit langem in allen Bereichen eingesetzt, von Fernsehsendungen über Walkie-Talkies bis hin zu Bluetooh-Geräten).
Infolgedessen wurden kritische Daten über den Zustand von InSight über Funkwellen mit einer Frequenz von 401,586 MHz an zwei Satelliten übertragen –, WALL-E und EVE, die dann Daten mit einer Geschwindigkeit von 8 Kbit/s an 70-Meter-Antennen auf der Erde übermittelten. Die Cubesats wurden mit derselben Rakete wie InSight gestartet und begleiteten sie auf ihrer Reise zum Mars, um die Landung zu beobachten und die Daten sofort nach Hause zu übermitteln. Andere umlaufende Marsschiffe, wie z (MRS) befanden sich in einer unbequemen Position und konnten zunächst keine Echtzeitnachrichten mit dem Lander übertragen. Das heißt nicht, dass die gesamte Landung von jeweils zwei experimentellen Cubesats in Koffergröße abhing, aber das MRS wäre erst nach einer noch längeren Wartezeit in der Lage, Daten von InSight zu übertragen.
Die InSight-Landung stellte tatsächlich die gesamte Kommunikationsarchitektur der NASA, das „Mars-Netzwerk“, auf die Probe. Das an umlaufende Satelliten gesendete Signal des InSight-Landers hätte die Erde trotzdem erreicht, selbst wenn die Satelliten ausgefallen wären. WALL-E und EVE wurden für die sofortige Informationsübertragung benötigt, und sie haben es geschafft. Wenn diese Cubsats aus irgendeinem Grund nicht funktionierten, war MRS bereit, ihre Rolle zu übernehmen. Jeder von ihnen fungierte als Knotenpunkt in einem internetähnlichen Netzwerk und leitete Datenpakete über verschiedene Terminals mit unterschiedlicher Ausrüstung weiter. Das effizienteste davon ist heute das MRS, das Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 6 Mbit/s übertragen kann (und das ist der aktuelle Rekord für interplanetare Missionen). Allerdings musste die NASA in der Vergangenheit mit viel langsameren Geschwindigkeiten arbeiten – und wird in Zukunft eine viel schnellere Datenübertragung benötigen.
Wie Ihr ISP ermöglicht die NASA Internetnutzern dies Kommunikation mit Raumfahrzeugen in Echtzeit.
Deep Space Network
Mit der zunehmenden Präsenz der NASA im Weltraum tauchen ständig verbesserte Kommunikationssysteme auf, die immer mehr Weltraum abdecken: Zuerst war es eine niedrige Erdumlaufbahn, dann eine geosynchrone Umlaufbahn und der Mond, und bald gelangte die Kommunikation tiefer in den Weltraum. Alles begann mit einem einfachen Handfunkgerät, das US-Militärstützpunkte in Nigeria, Singapur und Kalifornien nutzte, um Telemetriedaten von Explorer 1 zu empfangen, dem ersten Satelliten, der 1958 von den Amerikanern erfolgreich gestartet wurde. Langsam aber sicher hat sich diese Basis zu den heutigen fortschrittlichen Nachrichtensystemen entwickelt.
Douglas Abraham, Leiter der strategischen und systemischen Vorhersage im Interplanetary Network Directorate der NASA, hebt drei unabhängig voneinander entwickelte Netzwerke für die Nachrichtenübermittlung im Weltraum hervor. Das Near Earth Network arbeitet mit Raumfahrzeugen in einer erdnahen Umlaufbahn. „Es handelt sich um eine Reihe von Antennen, meist 9 bis 12 m. Es gibt ein paar große, 15 bis 18 m“, sagt Abraham. Dann gibt es über der geosynchronen Umlaufbahn der Erde mehrere Tracking- und Datensatelliten (TDRS). „Sie können auf Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn herabblicken, mit ihnen kommunizieren und diese Informationen dann über TDRS zur Erde übertragen“, erklärt Abraham. „Dieses Satellitendatenübertragungssystem wird NASA-Weltraumnetzwerk genannt.“
Aber selbst TDRS reichte nicht aus, um mit einem Raumschiff zu kommunizieren, das weit über die Umlaufbahn des Mondes hinaus zu anderen Planeten flog. „Wir mussten also ein Netzwerk schaffen, das das gesamte Sonnensystem abdeckt. Und das ist das Deep Space Network, DSN“, sagt Abraham. Das Martian Network ist eine Erweiterung .
Angesichts des Umfangs und der Pläne ist DSN das komplexeste der aufgeführten Systeme. Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine Reihe großer Antennen mit einem Durchmesser von 34 bis 70 m. Jeder der drei DSN-Standorte verfügt über mehrere 34-m-Antennen und eine 70-m-Antenne. Ein Standort befindet sich in Goldstone (Kalifornien), ein weiterer in der Nähe von Madrid (Spanien) und der dritte in Canberra (Australien). Diese Standorte sind rund um den Globus etwa 120 Grad voneinander entfernt und bieten rund um die Uhr Abdeckung für alle Raumfahrzeuge außerhalb der geosynchronen Umlaufbahn.
34-m-Antennen sind die Kernausrüstung von DSN und gibt es in zwei Varianten: alte Hochleistungsantennen und relativ neue Hohlleiterantennen. Der Unterschied besteht darin, dass die Hohlleiterantenne über fünf präzise HF-Spiegel verfügt, die die Signale über ein Rohr in einen unterirdischen Kontrollraum reflektieren, wo die Elektronik, die diese Signale analysiert, besser vor allen Störquellen geschützt ist. Die 34-Meter-Antennen, die einzeln oder in Gruppen von 2-3 Schüsseln betrieben werden, können den größten Teil der von der NASA benötigten Kommunikation bereitstellen. Aber für besondere Fälle, in denen die Entfernungen selbst für ein paar 34-m-Antennen zu groß werden, setzt das DSN-Management 70-m-Monster ein.
„Sie spielen in mehreren Fällen eine wichtige Rolle“, sagt Abraham über große Antennen. Der erste Fall tritt ein, wenn das Raumschiff so weit von der Erde entfernt ist, dass es unmöglich ist, mit einer kleineren Schüssel eine Kommunikation mit ihm herzustellen. „Gute Beispiele wären die New Horizons-Mission, die bereits weit über Pluto hinausgeflogen ist, oder die Raumsonde Voyager, die sich außerhalb des Sonnensystems befindet. Nur 70-Meter-Antennen sind in der Lage, zu ihnen durchzudringen und ihre Daten zur Erde zu liefern“, erklärt Abraham.
Die 70-Meter-Antennen kommen auch dann zum Einsatz, wenn das Raumschiff die Boosterantenne nicht bedienen kann, sei es aufgrund einer geplanten kritischen Situation wie einem Orbitaleintritt oder weil etwas völlig schief geht. Die 70-Meter-Antenne diente beispielsweise dazu, Apollo 13 sicher zur Erde zurückzubringen. Sie übernahm auch den berühmten Satz von Neil Armstrong: „Ein kleiner Schritt für den Menschen, ein großer Schritt für die Menschheit.“ Und auch heute noch ist DSN das fortschrittlichste und sensibelste Kommunikationssystem der Welt. „Aber aus vielen Gründen ist es bereits an seine Grenzen gestoßen“, warnt Abraham. „Es gibt fast keine Möglichkeit, die Technologie zu verbessern, die auf Funkfrequenzen funktioniert. Einfache Lösungen gehen zur Neige.“
Drei Bodenstationen im Abstand von 120 Grad
DSN-Schilder in Canberra
DSN-Komplex in Madrid
DSN in Goldstone
Kontrollraum im Jet Propulsion Laboratory
Radio und was danach kommt
Diese Geschichte ist nicht neu. Die Geschichte der Weltraumkommunikation besteht aus einem ständigen Kampf um die Erhöhung der Frequenzen und die Verkürzung der Wellenlängen. Explorer 1 verwendete Frequenzen von 108 MHz. Die NASA führte daraufhin größere Antennen mit besserer Verstärkung ein, die Frequenzen aus dem L-Band von 1 bis 2 GHz unterstützten. Dann kam das S-Band mit Frequenzen von 2 bis 4 GHz an die Reihe, und dann wechselte die Agentur zum X-Band mit Frequenzen von 7 bis 11,2 GHz.
Heutzutage unterliegen die Weltraumkommunikationssysteme erneut Veränderungen – jetzt erfolgt die Umstellung auf das 26-40-GHz-Band, das Ka-Band. „Der Grund für diesen Trend ist, dass man umso höhere Datenraten erzielen kann, je kürzer die Wellenlängen und je höher die Frequenzen“, sagt Abraham.
Es gibt Gründe für Optimismus, da die Geschwindigkeit der Kommunikationsentwicklung bei der NASA in der Vergangenheit recht hoch war. In einem Forschungsbericht des Jet Propulsion Laboratory aus dem Jahr 2014 werden zum Vergleich die folgenden Durchsatzdaten angeführt: Wenn wir die Kommunikationstechnologien von Explorer 1 nutzen würden, um ein typisches iPhone-Foto vom Jupiter zur Erde zu übertragen, würde dies 460-mal länger dauern als im heutigen Zeitalter des Universums. Die Pioniere 2 und 4 aus den 1960er Jahren hätten 633 Jahre gebraucht. Mariner 000 von 9 hätte es in 1971 Stunden geschafft. Heute benötigt der MPC drei Minuten.
Das einzige Problem besteht natürlich darin, dass die Menge der von Raumfahrzeugen empfangenen Daten genauso schnell wächst, wenn nicht sogar schneller als die Übertragungskapazitäten. Im Laufe ihres 40-jährigen Betriebs produzierten die Voyager 1 und 2 5 TB an Informationen. Der Erdwissenschaftssatellit NISAR, dessen Start für 2020 geplant ist, wird 85 TB Daten pro Monat produzieren. Und wenn die Erdsatelliten dazu durchaus in der Lage sind, ist die Übertragung einer solchen Datenmenge zwischen Planeten eine ganz andere Geschichte. Selbst ein relativ schnelles MRS wird 85 Jahre lang 20 TB Daten zur Erde übertragen.
„Die geschätzten Datenübertragungsraten für die Erforschung des Mars in den späten 2020er und frühen 2030er Jahren werden 150 Mbit/s oder mehr betragen, also lasst uns rechnen“, sagt Abraham. – Wenn ein Raumschiff der MPC-Klasse in der maximalen Entfernung von uns zum Mars etwa 1 Mbit/s an eine 70-Meter-Antenne auf der Erde senden kann, wäre ein Array von 150 150-Meter-Antennen erforderlich, um eine Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 70 Mbit/s herzustellen . Ja, natürlich können wir clevere Wege finden, um diese absurde Menge etwas zu reduzieren, aber das Problem besteht offensichtlich: Die interplanetare Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 150 Mbit/s zu organisieren ist äußerst schwierig. Darüber hinaus gehen wir aus dem Spektrum der erlaubten Frequenzen hervor.“
Wie Abraham demonstriert, belegt eine einzelne Mission mit einer Kapazität von 25 Mbit/s im S- oder X-Band das gesamte verfügbare Spektrum. Im Ka-Band gibt es mehr Platz, aber nur zwei Marssatelliten mit einer Bandbreite von 150 Mbit/s werden das gesamte Spektrum belegen. Einfach ausgedrückt: Das interplanetare Internet wird mehr als nur Funk benötigen, um zu funktionieren – es wird auf Laser angewiesen sein.
Das Aufkommen der optischen Kommunikation
Laser klingen futuristisch, aber die Idee der optischen Kommunikation geht auf ein Patent zurück, das Alexander Graham Bell in den 1880er Jahren angemeldet hat. Bell entwickelte ein System, bei dem auf einen sehr schmalen Strahl fokussiertes Sonnenlicht auf eine reflektierende Membran gerichtet wurde, die aufgrund von Geräuschen vibrierte. Die Vibrationen verursachten Schwankungen im Licht, das durch die Linse in den Rohfotodetektor gelangte. Änderungen im Widerstand des Fotodetektors veränderten den durch das Telefon fließenden Strom.
Das System war instabil, die Lautstärke war sehr niedrig und Bell gab diese Idee schließlich auf. Doch fast 100 Jahre später kehren die NASA-Ingenieure mit Lasern und Glasfasern zu diesem alten Konzept zurück.
„Wir wussten um die Grenzen von Hochfrequenzsystemen, deshalb begannen sie Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre im Jet Propulsion Laboratory die Möglichkeit zu diskutieren, Nachrichten aus dem Weltraum mithilfe von Weltraumlasern zu übertragen“, sagte Abraham. Um besser zu verstehen, was in der optischen Kommunikation im Weltraum möglich ist und was nicht, gab das Labor Ende der 1980er Jahre eine vierjährige Studie zum Deep Space Relay Satellite System (DSRSS) in Auftrag. Die Studie sollte kritische Fragen beantworten: Wie sieht es mit den Wetter- und Sichtproblemen aus (Radiowellen können schließlich problemlos durch Wolken dringen, Laser hingegen nicht)? Was passiert, wenn der Winkel zwischen Sonne, Erde und Sonde zu scharf wird? Wird ein Detektor auf der Erde ein schwaches optisches Signal vom Sonnenlicht unterscheiden? Und schließlich: Wie viel wird das alles kosten und wird es sich lohnen? „Wir suchen immer noch nach Antworten auf diese Fragen“, gibt Abraham zu. „Allerdings bestätigen die Rückmeldungen zunehmend die Möglichkeit einer optischen Datenübertragung.“
Das DSRSS schlug vor, dass ein Punkt über der Erdatmosphäre am besten für optische und Funkkommunikation geeignet wäre. Es wurde behauptet, dass das auf der Orbitalstation installierte optische Kommunikationssystem besser funktionieren würde als jede terrestrische Architektur, einschließlich der legendären 70-Meter-Antennen. Es sollte eine 10-Meter-Schüssel in eine erdnahe Umlaufbahn bringen und diese dann in den geosynchronen Zustand bringen. Allerdings waren die Kosten für ein solches System – bestehend aus einem Satelliten mit einer Schüssel, einer Startrakete und fünf Benutzerterminals – unerschwinglich. Darüber hinaus wurden in der Studie noch nicht einmal die Kosten für das notwendige Hilfssystem berücksichtigt, das im Falle eines Satellitenausfalls zum Einsatz kommen würde.
Als dieses System begann das Labor mit der Untersuchung der Bodenarchitektur, die in der Ground Based Advanced Technology Study (GBATS) beschrieben wurde, die etwa zur gleichen Zeit wie DRSS im Labor durchgeführt wurde. Die Leute, die an GBATS gearbeitet haben, haben zwei alternative Vorschläge gemacht. Die erste ist die Installation von sechs Stationen mit 10-Meter-Antennen und Meter-Ersatzantennen, die im Abstand von 60 Grad voneinander rund um den Äquator angeordnet sind. Stationen mussten auf Berggipfeln errichtet werden, wo mindestens 66 % der Tage im Jahr klar waren. Somit sind für jedes Raumschiff immer 2-3 Stationen sichtbar und das Wetter ist unterschiedlich. Die zweite Option besteht aus neun Stationen, die in Dreiergruppen gruppiert und im Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet sind. Die Stationen jeder Gruppe sollten 200 km voneinander entfernt liegen, damit sie in Sichtweite sind, sich jedoch in unterschiedlichen Wetterzellen befinden.
Beide GBATS-Architekturen waren günstiger als der Weltraumansatz, hatten aber auch Probleme. Erstens: Da die Signale die Erdatmosphäre passieren mussten, wäre der Empfang tagsüber aufgrund des beleuchteten Himmels viel schlechter als nachts. Trotz der cleveren Anordnung sind bodengestützte optische Stationen vom Wetter abhängig. Ein Raumschiff, das einen Laser auf eine Bodenstation richtet, muss sich irgendwann an schlechte Wetterbedingungen anpassen und die Kommunikation mit einer anderen Station wiederherstellen, die nicht von Wolken verdeckt wird.
Doch ungeachtet der Probleme legten die Projekte DSRSS und GBATS den theoretischen Grundstein für optische Systeme im Weltraum und moderne Entwicklungen der Ingenieure der NASA. Es blieb nur noch, ein solches System zu bauen und seine Leistungsfähigkeit zu demonstrieren. Zum Glück dauerte es nur noch ein paar Monate.
Projektdurchführung
Zu diesem Zeitpunkt gab es bereits eine optische Datenübertragung im Weltraum. Der erste Test wurde 1992 durchgeführt, als die Galileo-Sonde auf Jupiter zusteuerte und ihre hochauflösende Kamera in Richtung Erde richtete, um erfolgreich eine Reihe von Laserimpulsen vom 60-cm-Teleskop des Table Mountain Observatory und dem 1,5-m-Starfire-Optikteleskop der USAF zu empfangen. Reichweite in New Mexico. Zu diesem Zeitpunkt war Galileo 1,4 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, aber beide Laserstrahlen trafen seine Kamera.
Den japanischen und europäischen Raumfahrtbehörden ist es außerdem gelungen, eine optische Kommunikation zwischen Bodenstationen und Satelliten in der Erdumlaufbahn aufzubauen. Anschließend konnten sie eine 50-Mbit/s-Verbindung zwischen den beiden Satelliten herstellen. Vor einigen Jahren baute ein deutsches Team eine kohärente bidirektionale optische Verbindung mit 5,6 Gbit/s zwischen einem NFIRE-Satelliten im Erdorbit und einer Bodenstation auf Teneriffa, Spanien, auf. Aber alle diese Fälle standen im Zusammenhang mit der erdnahen Umlaufbahn.
Die allererste optische Verbindung, die eine Bodenstation und ein Raumschiff im Orbit um einen anderen Planeten im Sonnensystem verbindet, wurde im Januar 2013 installiert. Ein 152 x 200 Pixel großes Schwarzweißbild der Mona Lisa wurde von der Next Generation Satellite Laser Range Station im Goddard Space Flight Center der NASA mit 300 bps an den Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) übertragen. Die Kommunikation war einseitig. LRO sendete das von der Erde empfangene Bild über konventionellen Funk zurück. Das Bild benötigte eine kleine Softwarefehlerkorrektur, aber auch ohne diese Kodierung war es leicht zu erkennen. Und zu diesem Zeitpunkt war bereits der Start eines leistungsstärkeren Systems zum Mond geplant.
Aus dem Lunar Reconnaissance Orbiter-Projekt im Jahr 2013: Um Übertragungsfehler zu beseitigen, die durch die Erdatmosphäre verursacht wurden (links), verwendeten Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center die Reed-Solomon-Fehlerkorrektur (rechts), die bei CDs und DVDs häufig verwendet wird. Typische Fehler sind fehlende Pixel (weiß) und falsche Signale (schwarz). Ein weißer Balken weist auf eine kurze Übertragungspause hin.
«» (LADEE) betrat am 6. Oktober 2013 die Umlaufbahn des Mondes und startete nur eine Woche später seinen gepulsten Laser zur Datenübertragung. Diesmal versuchte die NASA, eine bidirektionale Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 20 Mbit/s in die entsprechende Richtung und einer Rekordgeschwindigkeit von 622 Mbit/s in die Gegenrichtung zu organisieren. Das einzige Problem war die kurze Lebensdauer der Mission. Die optische Kommunikation LRO funktionierte nur wenige Minuten. LADEE kommunizierte insgesamt 16 Tage lang 30 Stunden lang mit seinem Laser. Mit dem für Juni 2019 geplanten Start des Laser Communications Demonstration Satellite (LCRD) soll sich diese Situation ändern. Seine Aufgabe ist es, zu zeigen, wie zukünftige Kommunikationssysteme im Weltraum funktionieren werden.
LCRD wird im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Zusammenarbeit mit dem Lincoln Laboratory am MIT entwickelt. Es wird über zwei optische Terminals verfügen: eines für die Kommunikation in der erdnahen Umlaufbahn, das andere für den Weltraum. Der erste muss die Differenzphasenumtastung (DPSK) verwenden. Der Sender sendet Laserimpulse mit einer Frequenz von 2,88 GHz. Mithilfe dieser Technologie wird jedes Bit durch die Phasendifferenz aufeinanderfolgender Impulse codiert. Es kann mit 2,88 Gbit/s betrieben werden, benötigt jedoch viel Strom. Detektoren sind nur in der Lage, Impulsunterschiede in hochenergetischen Signalen zu erkennen, sodass DPSK hervorragend für die erdnahe Kommunikation geeignet ist, es ist jedoch nicht die beste Methode für den Weltraum, wo die Energiespeicherung problematisch ist. Ein vom Mars gesendetes Signal verliert Energie, bevor es die Erde erreicht. Daher wird LCRD eine effizientere Technologie, die Pulsphasenmodulation, verwenden, um die optische Kommunikation mit dem Weltraum zu demonstrieren.
NASA-Ingenieure bereiten LADEE für Tests vor
Im Jahr 2017 testeten Ingenieure Flugmodems in einer thermischen Vakuumkammer
„Im Wesentlichen geht es darum, Photonen zu zählen“, erklärt Abraham. – Der für die Kommunikation vorgesehene kurze Zeitraum wird in mehrere Zeitabschnitte unterteilt. Um die Daten zu erhalten, müssen Sie lediglich prüfen, ob die Photonen an den einzelnen Lücken mit dem Detektor kollidiert sind. So werden die Daten im FIM kodiert.“ Es ist wie Morsecode, nur mit superschneller Geschwindigkeit. Entweder gibt es zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Blitz oder nicht, und die Nachricht wird durch eine Folge von Blitzen kodiert. „Obwohl dies viel langsamer ist als DPSK, können wir in einer Entfernung zum Mars immer noch optische Kommunikation mit Geschwindigkeiten von mehreren zehn oder mehreren Hundert Mbit/s herstellen“, fügt Abraham hinzu.
Natürlich geht es beim LCRD-Projekt nicht nur um diese beiden Terminals. Es soll auch als Internetknoten im Weltraum funktionieren. Vor Ort wird es drei Stationen geben, die LCRD betreiben: eine in White Sands in New Mexico, eine im Tafelberg in Kalifornien und eine auf der Insel Hawaii oder Maui. Die Idee besteht darin, die Umschaltung von einer Bodenstation auf eine andere bei schlechtem Wetter an einer der Stationen zu testen. Die Mission wird auch den Betrieb des LCRD als Datensender testen. Das optische Signal einer der Stationen wird zum Satelliten geleitet und dann an eine andere Station übertragen – und das alles über optische Kommunikation.
Wenn eine sofortige Übertragung der Daten nicht möglich ist, speichert das LCRD sie und überträgt sie, sobald dies möglich ist. Wenn die Daten dringend sind oder nicht genügend Speicherplatz an Bord vorhanden ist, sendet das LCRD diese sofort über seine Ka-Band-Antenne. Als Vorläufer zukünftiger Sendesatelliten wird LCRD also ein hybrides radiooptisches System sein. Dies ist genau die Art von Einheit, die die NASA im Orbit um den Mars platzieren muss, um ein interplanetares Netzwerk zu organisieren, das die menschliche Erforschung des Weltraums in den 2030er Jahren unterstützt.
Den Mars online bringen
Im vergangenen Jahr hat Abrahams Team zwei Artikel verfasst, die die Zukunft der Weltraumkommunikation beschreiben und auf der SpaceOps-Konferenz in Frankreich im Mai 2019 vorgestellt werden. Einer beschreibt die Weltraumkommunikation im Allgemeinen, der andere („“„) bot eine detaillierte Beschreibung der Infrastruktur, die in der Lage ist, einen internetähnlichen Dienst für Astronauten auf dem Roten Planeten bereitzustellen.
Die durchschnittlichen Spitzendatenraten wurden auf 215 Mbit/s im Download und 28 Mbit/s im Upload geschätzt. Das Mars-Internet wird aus drei Netzwerken bestehen: WiFi, das das Forschungsgebiet auf der Oberfläche abdeckt, dem planetaren Netzwerk, das Daten von der Oberfläche zur Erde überträgt, und dem terrestrischen Netzwerk, einem Kommunikationsnetzwerk im Weltraum mit drei Standorten, die für den Empfang dieser Daten und das Senden von Antworten verantwortlich sind zurück zum Mars.
„Beim Aufbau einer solchen Infrastruktur gibt es viele Probleme. Es muss zuverlässig und stabil sein, selbst bei der maximalen Entfernung zum Mars von 2,67 AE. in Zeiten höherer Sonnenkonjunktion, wenn sich der Mars hinter der Sonne versteckt“, sagt Abraham. Eine solche Konjunktion findet alle zwei Jahre statt und unterbricht die Kommunikation mit dem Mars vollständig. „Heute können wir damit nicht umgehen. Alle Lande- und Orbitalstationen, die sich auf dem Mars befinden, verlieren für etwa zwei Wochen einfach den Kontakt zur Erde. Bei optischer Kommunikation wird der Kommunikationsausfall aufgrund der Solarverbindung sogar noch länger sein, nämlich 10 bis 15 Wochen.“ Für Roboter sind solche Lücken nicht besonders beängstigend. Eine solche Isolation bereitet ihnen keine Probleme, weil sie sich nicht langweilen, keine Einsamkeit erleben und ihre Lieben nicht sehen müssen. Aber für den Menschen ist das überhaupt nicht so.
„Deshalb erlauben wir theoretisch die Inbetriebnahme von zwei Orbitalsendern, die in einer kreisförmigen äquatorialen Umlaufbahn 17300 km über der Marsoberfläche platziert sind“, fährt Abraham fort. Der Studie zufolge sollen sie jeweils 1500 kg wiegen, über eine Reihe von Terminals verfügen, die im X-Band, Ka-Band und optischen Band arbeiten, und von Solarpaneelen mit einer Leistung von 20 bis 30 kW angetrieben werden. Sie müssen das Delay Tolerant Network Protocol – im Wesentlichen TCP/IP – unterstützen, das für die Bewältigung der hohen Verzögerungen ausgelegt ist, denen interplanetare Netzwerke unweigerlich ausgesetzt sein werden. Die am Netzwerk beteiligten Orbitalstationen müssen in der Lage sein, mit Astronauten und Fahrzeugen auf der Erdoberfläche, mit Bodenstationen und untereinander zu kommunizieren.
„Dieses Übersprechen ist sehr wichtig, da es die Anzahl der für die Datenübertragung mit 250 Mbit/s erforderlichen Antennen reduziert“, sagt Abraham. Sein Team schätzt, dass eine Anordnung von sechs 250-Meter-Antennen erforderlich wäre, um 34-Mbit/s-Daten von einem der umlaufenden Sender zu empfangen. Das bedeutet, dass die NASA an den Kommunikationsstandorten im Weltraum drei zusätzliche Antennen bauen muss, deren Bau jedoch Jahre dauert und extrem teuer ist. „Aber wir glauben, dass zwei Orbitalstationen Daten untereinander austauschen und sie gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 125 Mbit/s senden können, wobei ein Sender die eine Hälfte des Datenpakets und der andere die andere sendet“, sagt Abraham . Auch heute noch können 34 Meter tiefe Weltraumkommunikationsantennen gleichzeitig Daten von vier verschiedenen Raumfahrzeugen empfangen, sodass zur Erfüllung dieser Aufgabe drei Antennen erforderlich sind. „Um zwei 125-Mbit/s-Übertragungen aus demselben Himmelsbereich zu empfangen, sind genauso viele Antennen erforderlich wie für den Empfang einer Übertragung“, erklärt Abraham. „Mehr Antennen werden nur benötigt, wenn man mit höherer Geschwindigkeit kommunizieren muss.“
Um das Problem der Solarkonnektivität zu lösen, schlug Abrahams Team den Start eines Sendesatelliten zu den Punkten L4/L5 der Umlaufbahn Sonne-Mars/Sonne-Erde vor. Dann kann es während der Verbindungsperioden dazu verwendet werden, Daten rund um die Sonne zu übertragen, anstatt Signale durch sie zu senden. Leider sinkt die Geschwindigkeit in diesem Zeitraum auf 100 Kbit/s. Einfach ausgedrückt: Es wird funktionieren, ist aber scheiße.
In der Zwischenzeit müssen angehende Astronauten auf dem Mars etwas mehr als drei Minuten warten, bis sie ein Foto eines Kätzchens erhalten, Verzögerungen, die bis zu 40 Minuten betragen können, nicht eingerechnet. Glücklicherweise wird das interplanetare Internet die meiste Zeit bereits recht gut funktionieren, wenn die Ambitionen der Menschheit uns noch weiter als bis zum Roten Planeten treiben.
Source: habr.com