Vergleich – optische und „herkömmliche“ Datenkommunikation

Optische Kommunikation ist in den letzten Jahrzehnten den Kinderschuhen entwachsen, wird aber vor allem noch im Erdorbit genutzt, so zwischen Erdbeobachtungssatelliten im LEO und einem Kommunikationssatelliten im GEO Orbit. Jenseits des GEO gab es bisher wenige Versuche mit der optischen Datenkommunikation. Ich gehe, nachdem für die Raumsonde Psyche ein weiterer Versuch geplant ist mal auf das dortige Experiment DSOC (Deep Space Optical Communications Technology Demonstration) ein.

Bisher haben Raumsonden ausschließlich für die Kommunikation Funkverbindungen genutzt. Das gängige Kommunikationsband ist seit 1977 das X-Band mit Uplinkfrequenzen (von der Bodenstation zur Raumsonde) von 7,2 GHz und Downlinkfrequenzen (von der Raumsonde zur Bodenstation) von 8,4 GHz. Seit 2005 wird es sukzessive durch das K-Band (Uplink 34,2 – 34,7, Downlink bei 31,8 – 32,2 GHz) ergänzt. Das Ka-Band lässt höhere Datenraten bei gleicher Sendestärke zu, da die Auffächerung der Antennenkeule von der Frequenz abhängt, bei der viermal höheren Frequenz ist also der Ausstrahlwinkel viermal kleiner und die Signalstärke pro Flächeneinheit beim Empfänger entsprechend höher. Das K-Band ist aber stark wetterabhängig und wird bisher nur wenigen Sonden als primäres Sendeband verwendet, unter anderem der Parker Solar Probe. Es könnten mehr Raumsonden sein, wenn Sonden mehr übergehen große Datenmengen an Bord zu speichern und auf Anforderung zu übertragen, da man so Schlechtwetterperioden überbrücken kann. Psyche setzt daher wie bisher auf das bewährte X-Band als Hauptkommunikationsband. Continue reading „Vergleich – optische und „herkömmliche“ Datenkommunikation“

Die Sache mit der optischen Datenübertragung

Ebenso lange, wie Ionentriebwerke als Antrieb postuliert werden, denkt man über optische Datenübertragung nach und in den letzten Jahren gab es da auch vermehrt Ansätze. Allerdings beschränkt auf den Erdorbit. Was mich viel mehr interessiert, ist natürlich, wie es bei der interplanetaren Kommunikation aussieht, denn natürlich ist die Datenrate bei Raumsonden ein wichtiger Parameter.

Fangen wir mit den Grundlagen an. Für die Praxis gibt es vier wichtige Größen eines Kommunikationssystems: Continue reading „Die Sache mit der optischen Datenübertragung“

Lohnt sich Laserkommunikation im All?

Laserkommunikation, so meine Meinung teilt vieles mit den Ionentriebwerken: Auf dem Papier der Kommunikation mit Radiowellen überlegen, doch es tut sich nicht wirklich viel. Daher denke ich ist es an der Zeit, dieses Thema zu vertiefen. Fangen wir zuerst einmal mit etwas Geschichte an.

Im November 2001 begann die ESA mit experimenteller Laserkommunikation zwischen den Datenrelay Satelliten Artemis und dem CNES-Satelliten SPOT 4. Die ESA ist seitdem sehr aktiv im Bereich Lasersatellitenkommunikation. Die Erderkundungssatelliten Sentinel 1A/B und Sentinel 2A/B haben Laserterminals eingebaut die 1,8 GBit/s auf ein Laserterminal an Bord eines geostationären Satelliten nun auch im regulären Betrieb übertragen sollen. Noch höhere Datenraten erreichte man beim Test zwischen dem deutschen Satelliten TerraSAR und dem amerikanischen NFIRE-Satelliten.

Die größte Entfernung, die man derzeit überbrückt hat, ist von der Erde zum Mond. In der Richtung Mond-Erde klappte das ganz gut. LADEE hat 622 Mbit/s zur Erde übertragen. Der Rückweg zum Satelliten immerhin mit 20 Mbit/s. Continue reading „Lohnt sich Laserkommunikation im All?“

Tune me up – eine bessere Kommunikation im Kuipergürtel

Ein Grund warum man nach dem Vorbeiflug von New Horizons so wenige Bilder von Pluto sieht, auch in den tagen vorher ist das Kommunikationssystem der Sonde. New Horizons hat eine Hauptantenne von 2,1 m Durchmesser und einen Sender von 12 Watt Leistung. Ihre Datenrate ist daher kleiner als die der Voyagers (3,66 m durchmessende Antenne, 23 Watt Sender). Je nach Quelle hat sie bei Pluto eine Datenrate von 1-2 KBit pro Sekunde. Komprimiert man nicht, so braucht ein LORRI Bild mit 8,368 MBit so über zwei Stunden zur Übertragung, Das Datensystem wurde auf eine Datenrate von 600 Bit in 36 AE Entfernung ausgelegt. Verbesserungen im Bodennetzwerk seit der Entwicklung vor 12 Jahren Start lassen eine etwas höhere Datenrate zu.

Die Sonde hat nur wenig Zeit die Objekte zu untersuchen. Pluto füllt das Kamerafeld der Telekamera LORRI erst 469.000 km vor der Begegnung, das sind 9 1/4 Stunden vor dem Vorbeiflug und bei der Farbkamera Ralph ist es sogar erst in 23.217 km Entfernung, das ist 13 Minuten vor dem Vorbeiflug der Fäll. So arbeitet die Sonde seit dem 13.Juli ein Jahre vorher festgelegtes Messprogramm ab, das nach den Plänen die veröffentlicht wurden, 107,8 GBit Messdaten erzeugt. Continue reading „Tune me up – eine bessere Kommunikation im Kuipergürtel“

Wie sieht es mit der Laserkommunikation aus dem Deep Space aus?

Wie versprochen mache ich mich gerade an die Aufsätze über die Raumsonden die in den letzten 1-2 Jahren gestartet sind, und über die es noch nichts gibt (mit Ausnahme von Curiosity, es sollen ja auch noch welche das Buch kaufen). Gerade bin ich bei LADEE und da ist eine der Hauptnutzlasten eine weitere Laser Communication Testumgebung. In einer verbesserten Form wird dieses auch bald auf einem Kommunikationssatelliten eingesetzt werden. Schon das nur 30 kg schwere Terminal an Bord von LADEE kann 622 MBit aus Mondentfernung senden. Ist damit das Problem der geringen Datenraten für Deep Space Missionen gelöst?

Leider noch nicht. Derzeit können wir 10 Gigabit/s mit Lasern aus dem GEO Orbit übertragen. Das klingt beeindruckend, doch aus Marsentfernung ist es noch 100 Bit/s und aus Pluto Entfernung 0,25 Bits/s. Kurzum, man braucht 40 db mehr.

Wie kommt man zu 40 db mehr? Continue reading „Wie sieht es mit der Laserkommunikation aus dem Deep Space aus?“