Будут ли будущие «наземные станции» оптической связи в дальнем космосе находиться в космосе или на земле?

Наземные станции дальней космической связи находятся на земле, потому что одна только их передающая и принимающая электроника громоздка и тяжела, не говоря уже об их 34- и 70-метровых параболических антеннах!

Но эти ограничения меняются, когда это может быть телескоп диаметром 1 метр или меньше с лазерным диодом или фотодиодом (или сверхпроводящей штуковиной) в фокальной плоскости, использующий гораздо меньший теоретический предел дифракции. Например прямо сейчас в DSN Теперь я вижу DSS-14 70-метровую антенну, принимающую сигналы от Juno 8,4 ГГц. Это длина волны 3,6 см, поэтому ( Д / λ ) 2 ≈ 3,8 × 10 6 .

Если бы вместо этого использовался 0,85-метровый телескоп на длине волны 850 нм (случайная, типичная длина волны лазера AlGaAs), мы бы получили ( Д / λ ) 2 ≈ 10 12

Помните, что гораздо более высокий выигрыш также доступен на другом конце канала, поэтому этот анализ является грубой недооценкой общего улучшения бюджета канала при переходе на оптический канал, но это нормально, потому что я не включил некоторые проблемы. .

Лазер мощностью в несколько ватт сравним с передатчиком зонда для дальнего космоса мощностью в несколько ватт, и всего на четыре порядка ниже, чем у передатчика DSN (за исключением таких моментов, как «Использовался ли когда-либо DSS-43 в режиме высокой мощности (> 20 кВт) для Чрезвычайная ситуация? ) Таким образом, наша «наземная станция» с телескопом около одного метра превосходит 70-метровую тарелку, если ее можно наводить устойчиво и вокруг любых промежуточных облаков.

Хаббл можно наводить стабильно и вокруг любых промежуточных облаков, и есть несколько высокогорных мест по всему миру, где оптические телескопы можно постоянно наводить и обычно вокруг промежуточных облаков, часто с использованием адаптивной оптики . (см. также удивительные ответы на вопрос «Почему наземные обсерватории не используют адаптивную оптику для видимых длин волн? »)

Вопрос: Оптические приемные станции дальнего космоса диаметром около одного метра могут находиться на околоземной орбите или на земле в нескольких местах, при необходимости с адаптивной оптикой. Каковы наиболее важные технические компромиссы, которые определят, где они, скорее всего, будут развернуты?

Ниже этого ответа я резюмировал следующую подборку вопросов и ответов по оптической связи для дальнего космоса:

«межпланетная радиосвязь» исчезнет и в не столь отдаленном будущем будет заменена оптической, потому что передатчик мощностью 20 кВт или фронтальный приемник с жидким гелиевым охлаждением на конце 34-метровой антенны на Земле можно заменить несколькими ваттный лазерный диод и лавинный фотодиод или одна из тех сверхпроводящих штук на конце телескопа диаметром 20 или 50 см. ( см. также )

См. также Количественно, почему оптическая связь будет лучше, чем X-диапазон для связи в дальнем космосе? Как продвигается дальняя оптическая связь в космосе? и Существуют ли планы или программа оптического ретранслятора для дальнего космоса? Какая оптическая схема используется в приемном телескопе GEDI и как удерживается на месте вторичный телескоп? (оптический ком будет выглядеть аналогично)

и когда STP-3 запустится с новым тестом оптической космической связи и почему так поздно? и Какой геостационарный спутник-ретранслятор будет использовать МКС для сквозной оптической связи с наземной станцией?

Скриншот DSN сейчас

Очень тяжелая наземная станция, которая, скорее всего, останется на земле в обозримом будущем:

введите описание изображения здесь

DSS-43 отсюда из НАСА.

Сводка диаметров DSN и мощности передачи в этом ответе

Примечательно, что, насколько публично обсуждалось, Starlink будет иметь оптические интерлинки только для связи между спутниками. Для связи с землей он использует радио.
Если оптическая приемная станция дальнего космоса размещена в районе (почти) без облаков, например, в пустыне Атакама, она должна работать.
@Uwe Я думаю, некоторые из них понадобятся для круглосуточного освещения, например, как настроен DSN. Ищите радиотелескопы миллиметрового диапазона или инфракрасные обсерватории; они чувствительны к содержанию воды и поэтому расположены в высокогорных районах с небольшим количеством воды и, следовательно, с небольшим количеством облаков.
Насколько я понимаю отрасль, лазерная связь все еще рассматривается как возможная только для прилично больших космических кораблей и только для связи в космосе. Космос на Землю приводит к множеству искажений из-за атмосферы (DSN предоставляет информацию об ионной и тропосферной поправках, а также информацию о погоде). Только приличные большие космические корабли обычно имеют достаточно хорошее управление ориентацией, чтобы поддерживать лазерную связь: требования к наведению довольно строгие.
@ChrisR причина, по которой я обсуждаю адаптивную оптику в этом вопросе, заключается в том, что она может исправить большую часть искажений в атмосфере, особенно когда цель маленькая, а не широкое поле, а апертура скромная (около 1 метра). Это зависит от того, что вы находитесь на довольно большой высоте (как для снижения турбулентности, так и для более низкого уровня водяного пара и, следовательно, меньшего количества облаков), что означает, что текущие сайты DSN не оптимальны для оптики.
@ChrisR Я также не согласен с тем, что размер космического корабля важен; единственное, что нужно, это быстрый актуатор в фокальной плоскости, такой же, как активная стабилизация изображения работает в камерах и даже некоторых биноклях, и некоторая скромная артикуляция с более низкой частотной характеристикой, так что след на космическом корабле будет в основном только размер самого телескопа. 20- или 30-сантиметровый телескоп Кассегрена на космическом корабле (с крошечной оптической муфтой, активируемой МЭМС, в фокальной плоскости) и около 1-метрового телескопа на земле в нескольких астрономических обсерваториях — это все, что нужно.
Я сделал некоторые случайные цифры и бюджет канала, даже с нескорректированным лучом в 1 угловую секунду для наземной станции из-за атмосферных явлений намного лучше, чем тарелка в космосе и тарелка на земле на частоте 8 ГГц. Единственная проблема, которую я вижу, заключается в том, что он работает только ночью и в хорошую погоду, что делает астрономические объекты вокруг Земли главными кандидатами.
Я доверюсь вашим расчетам, поскольку я их не делал, но скажу, что, учитывая загруженность DSN, только ночная связь не очень хороша. Что касается быстрого актуатора, не имеет значения, если ваш космический корабль не сможет удерживать правильное наведение на землю. Представьте себе кубсат с магнитным стержнем в качестве системы управления ориентацией на низкой околоземной орбите. Скорее всего, он не сможет непрерывно указывать на наземную станцию ​​более нескольких секунд. Заявление о «космическом корабле большего размера» было сокращением от «космического корабля с хорошим ADCS».
Еще одна вещь, которую следует учитывать для окололунных космических аппаратов и космических аппаратов дальнего космоса, заключается в том, что DSN также используется для измерения дальности, а это требует непрерывного отслеживания космического корабля в течение нескольких часов (обычно от 2 до 8 часов). Это будет генерировать данные о дальности и скорости дальности с использованием той же частоты передачи, что и для передачи данных. Наконец, создание мощного лазера на борту требует большого количества энергии, и этим тоже нельзя пренебрегать.
@ChrisR Название вопроса начинается «Будет ли в будущем оптическая связь в дальнем космосе ...», поэтому в нем не спрашивается о замене всех аспектов DSN и подобных сетей. Вместо этого он спрашивает только о расширении возможностей связи с космическими кораблями дальнего космоса с помощью оптических сигналов. Но тут возникает интригующий вопрос! Ближайшее расстояние, на котором кубсат связывался с сетью дальнего космоса? Цис-лунный когда-либо?
@ChrisR, ваш комментарий о ранжировании действительно важен и заставляет задуматься. Поскольку телескоп с апертурой в 1 метр может вращаться намного быстрее, чем параболическая антенна с диаметром 34 или 70 метров, теперь вы можете подумать о прерывистой выборке. Несмотря на то, что может потребоваться длительный временной интервал данных, вам не обязательно проводить непрерывный мониторинг, если фазовый шум кодированного сигнала достаточно мал. Полоса пропускания сигналов измерения дальности должна составлять не более десятков МГц, для точности требуется длительное время выборки, полоса пропускания оптического канала может достигать десятков ГГц, поэтому модулированный код Голда может передаваться в 1000 раз быстрее!
@uhoh Звучит очень интересно. Можете ли вы уточнить, что вы подразумеваете под прерывистой выборкой, и привести пример?
@ChrisR спасибо, я сделаю это в форме вопроса в течение следующих 24 часов.
SpaceX уже развертывает лазерные интерлинки на спутниках Starlink, которые, безусловно, можно отнести к малым космическим кораблям. Им нужно всего лишь оборудовать несколько спутников в одной или двух плоскостях некоторыми дополнительными линиями для межпланетных спутников-ретрансляторов, и они будут иметь значительно избыточные возможности нисходящей линии связи через антенны с фазированной решеткой, используемые для предоставления интернет-услуг.
@ChristopherJamesHuff действительно «... оснащает ... некоторыми дополнительными ссылками ...» означает, что они могут добавить несколько космических кораблей с оптическими линиями связи с большей апертурой (более высоким коэффициентом усиления) с лучшими возможностями наведения, необходимыми «... для межпланетных спутников-ретрансляторов. .."?
@uhoh стандартные спутники Starlink оснащены достаточным количеством лазерных каналов для подключения к соседним Starlinks (вероятно, предыдущий и следующий в одной плоскости и еще несколько для пересечения самолетов), и я в основном думал, что им понадобятся дополнительные каналы для выполнения обязанностей. помимо этого... хотя вместо этого они могут просто перенаправить одну из обычных ссылок. Я бы не ожидал, что низковысотные Starlinks будут напрямую обрабатывать межпланетные коммуникации, но я вижу, что стандартного оборудования для связи между Starlink достаточно для достижения спутника-ретранслятора на более высокой орбите.
@ChristopherJamesHuff меня тоже, спасибо!

Ответы (1)

Один отчет об исследовании по этой теме, финансируемом НАСА JPL в 2005 году, называется «Лазерная связь между дальним космосом и землей в облачном мире».. Основываясь на глобальной облачной статистике, они рассчитали вероятность успеха в зависимости от количества принимающих станций и оптимизировали их местоположение и обнаружили, что количество, необходимое для достижения желаемой доступности, значительно превышает бюджет. Одна наземная станция в Атакаме — это хорошо, но несколько станций в одной и той же пустыне — нет, потому что обнаруженная ими автокорреляционная длина сигнала облачности/отсутствия облачности составляет около 600 км, поэтому, если одна станция в Чили была скрыта облаками, то были бы другие, вероятно, в то же время. Вы хотите, чтобы они были все в высокогорных горных обсерваториях, но разбросаны по всем континентам, включая Халеакалу, Килиманджаро, если вы можете получить разрешение, и в других удаленных друг от друга высокогорных и сухих местах. Еще одной проблемой является турбулентность, которая, поскольку она вызвана в основном солнечным нагревом, хуже именно там, где облака менее часты, поэтому вам нужна адаптивная оптика астрономического уровня и, возможно, многометровые деформируемые зеркала, чтобы иметь возможность корректировать сигнал по мере его поступления. Аэрозоли - еще одно соображение, которое делает прибрежные районы менее привлекательными из-за морских брызг, даже отдельно от влажности, создающей облака. Мой собственный вывод, следуя за работой этой группы в течение нескольких лет, заключался в том, что правильный способ сделать это - это лазер из глубокого космоса на земную орбиту с радиосвязью космос-земля для доступной доступности.

Спасибо за вдумчивый и обстоятельный ответ! После прочтения полностью в этом убедился. Однако я понимаю, что мой вопрос предлагал ложный бинарный выбор; есть, конечно, и третий вариант; телескопы, свисающие с высотных воздушных шаров :-) Я как-то представляю что-то вроде коллажа Project Loon + ASTHROS . За этим могли бы наблюдать менеджеры по избытку из JWST и F-35, а SpinLaunch может помочь привлечь финансирование на раннем этапе.
Будут ли будущие «наземные станции» оптической связи в дальнем космосе находиться в космосе или на земле?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v