¿Estarán las futuras "estaciones terrestres" de comunicaciones ópticas en el espacio profundo en el espacio o en tierra?

Las estaciones terrestres de comunicaciones del espacio profundo están en tierra porque su transmisión y recepción electrónica por sí sola es voluminosa y pesada, ¡sin mencionar sus antenas parabólicas de 34 y 70 metros!

Pero esas restricciones cambian cuando puede ser un telescopio de 1 metro o menos con un diodo láser o un fotodiodo (o una cosa superconductora) en el plano focal, explotando el límite de difracción teórico mucho más pequeño. Por ejemplo ahora mismo en DSN Ahora veo DSS-14 un plato de 70 metros recibiendo señales de Juno 8.4 GHz. Esa es una longitud de onda de 3,6 centímetros, así que ( D / λ ) 2 ≈ 3.8 × 10 6 .

Si en su lugar se utilizara un telescopio de 0,85 metros a 850 nm (una longitud de onda aleatoria típica del láser de AlGaAs) tendríamos ( D / λ ) 2 ≈ 10 12

Recuerde que la ganancia mucho mayor también está disponible en el otro extremo del enlace, por lo que este análisis es una gran subestimación de la mejora total en el presupuesto del enlace óptico, pero está bien porque no he incluido algunos de los desafíos. .

Un láser de unos pocos vatios es comparable a un transmisor de sonda de espacio profundo de unos pocos vatios, y solo cuatro órdenes de magnitud inferior a un transmisor DSN (excepto por cosas como ¿Se ha utilizado alguna vez el DSS-43 en modo de alta potencia (>> 20 kW) para un ¿situación de emergencia? ), por lo que nuestra "estación terrestre" de telescopio de alrededor de un metro supera a un plato de 70 metros si se puede apuntar de manera constante y alrededor de las nubes intermedias.

El Hubble se puede apuntar de manera constante y alrededor de las nubes intermedias, y hay varios lugares de gran altitud en todo el mundo donde los telescopios ópticos se pueden apuntar de manera constante y, por lo general , alrededor de las nubes intermedias, a menudo utilizando óptica adaptativa . (Vea también las sorprendentes respuestas a ¿ Por qué los observatorios terrestres no usan óptica adaptativa para longitudes de onda visibles? )

Pregunta: Las estaciones transceptoras ópticas del espacio profundo de alrededor de un metro de diámetro podrían estar en órbita terrestre o en tierra en varios lugares, con óptica adaptativa si es necesario. ¿Cuáles son las compensaciones técnicas más importantes que determinarán dónde es más probable que terminen siendo implementadas?

Debajo de esta respuesta , resumí la siguiente colección de preguntas y respuestas sobre comunicaciones ópticas para el espacio profundo:

La "comunicación por radio interplanetaria" desaparecerá y será reemplazada por óptica en un futuro no muy lejano porque un transmisor de 20 kW o un receptor frontal enfriado con helio líquido al final de un plato de 34 metros en la Tierra puede ser reemplazado por unos pocos diodo láser de vatios y un fotodiodo de avalancha o una de esas cositas superconductoras al final de un telescopio de 20 o 50 cm de diámetro. ( ver también )

Consulte también Cuantitativamente, ¿por qué la comunicación óptica será mejor que la banda X para las comunicaciones en el espacio profundo? y ¿ Cómo van las comunicaciones ópticas de larga distancia en el espacio? y ¿ Existen planes o un programa para un explorador de retransmisión óptica para el espacio profundo? y ¿ Qué diseño óptico utiliza el telescopio receptor de GEDI y cómo se mantiene en su lugar el secundario? (Com óptica se verá similar)

y ¿ Cuándo se lanzará STP-3 con la nueva prueba de comunicaciones espaciales ópticas y por qué llega tarde? y ¿ Qué satélite de retransmisión GEO utilizará la ISS para la comunicación óptica de extremo a extremo con una estación terrestre?

Captura de pantalla de DSN ahora

Una estación terrestre muy pesada, muy probable que permanezca en tierra en el futuro previsible:

ingrese la descripción de la imagen aquí

DSS-43 de aquí de la NASA.

Resumen de diámetros DSN y potencias de transmisión en esta respuesta

Cabe destacar que, hasta donde se ha discutido públicamente, Starlink tendrá interconexiones ópticas solo para comunicaciones de satélite a satélite. Para hablar con el suelo, utiliza la radio.
Si la estación transceptora óptica del espacio profundo se coloca en un área sin (casi) nubes como el desierto de Atacama, debería funcionar.
@Uwe Supongo que se necesitarán algunos de ellos para una cobertura de 24 horas, como la forma en que se configura DSN. Busque sitios de radiotelescopios de ondas milimétricas u observatorios infrarrojos; estos son sensibles al contenido de agua y, por lo tanto, están ubicados en áreas de gran altitud con poca agua y, por lo tanto, sin muchas nubes.
Mi comprensión de la industria es que las comunicaciones láser todavía se consideran posibles solo para naves espaciales decentemente grandes y solo para comunicaciones en el espacio. El espacio a la Tierra genera muchas distorsiones debido a la atmósfera (el DSN proporciona información de corrección iónica y troposférica e información meteorológica). Solo las naves espaciales grandes decentes suelen tener un control de actitud lo suficientemente bueno como para mantener un enlace láser: los requisitos de orientación son bastante estrictos.
@ChrisR, la razón por la que analizo la óptica adaptativa en la pregunta es que puede corregir gran parte de las distorsiones en la atmósfera, especialmente cuando el objetivo es pequeño en lugar de un campo amplio, y la apertura es modesta (alrededor de 1 metro). Depende de estar a una altitud bastante alta (tanto para reducir la turbulencia como para reducir el vapor de agua y, por lo tanto, menos nubes), lo que significa que los sitios DSN actuales no son óptimos para la óptica.
@ChrisR Tampoco estoy de acuerdo con que el tamaño de la nave espacial sea importante; lo único que se necesita es un actuador rápido en el plano focal, de la misma manera que la estabilización de imagen activa funciona en las cámaras e incluso en algunos binoculares, y una articulación modesta con una respuesta de frecuencia más baja, por lo que la huella en una nave espacial será en su mayoría solo la tamaño del propio telescopio. Todo lo que se necesita es un Cassegrain de 20 o 30 cm en la nave espacial (con un diminuto acoplador óptico accionado por MEMS en el plano focal) y un telescopio de alrededor de 1 metro en tierra en varios sitios de observación astronómica.
Hice algunos números casuales y el presupuesto del enlace, incluso con un haz de 1 segundo de arco sin corregir para la estación terrestre debido a la atmósfera, es mucho mejor que un plato en el espacio y un plato en el suelo a 8 GHz. El único problema que veo es que solo funciona de noche y cuando hace buen tiempo, lo que hace que los sitios astronómicos alrededor de la Tierra sean los principales candidatos.
Confiaré en sus cálculos, ya que no los he hecho, pero diré que dado lo ocupado que está el DSN, las comunicaciones nocturnas no son excelentes. Con respecto al actuador rápido, no importará si su nave espacial no puede mantener una buena orientación hacia el suelo. Piense en un cubesat con una varilla magnética como control de actitud en LEO, probablemente no podrá apuntar continuamente a la estación terrestre durante más de unos segundos. La declaración de "nave espacial más grande" era un atajo para "nave espacial con buen ADCS".
La otra cosa a tener en cuenta para las naves espaciales cislunares y del espacio profundo es que el DSN también se usa para medir distancias, y eso requiere un seguimiento continuo de la nave espacial durante algunas horas (generalmente de 2 a 8 horas). Eso generará datos de rango y velocidad de rango utilizando la misma frecuencia de transmisión que para las comunicaciones de datos. Finalmente, generar un láser potente a bordo requiere una buena cantidad de energía, y eso tampoco debe descuidarse.
@ChrisR, el título de la pregunta comienza con "Las futuras comunicaciones ópticas en el espacio profundo ...", por lo que no pregunta sobre el reemplazo de todos los aspectos de DSN y redes similares. En cambio, solo pregunta sobre la extensión de las capacidades de comunicación a las naves espaciales profundas a través de señales ópticas. ¡Pero esto trae una pregunta intrigante! ¿La distancia más cercana a la que cubesat se ha comunicado con la Red del Espacio Profundo? Cis-lunar alguna vez?
@ChrisR su comentario sobre el rango es realmente importante y estimulante. Dado que un telescopio de 1 metro de apertura puede girar mucho más rápido que una antena parabólica de 34 o 70 metros, ahora puede pensar en el muestreo intermitente. Si bien es posible que se requiera un intervalo de tiempo prolongado de datos, no es necesario monitorear continuamente siempre que el ruido de fase de la señal codificada sea lo suficientemente pequeño. El ancho de banda de las señales de rango debe ser de decenas de MHz como máximo, necesita muestrear durante mucho tiempo para obtener precisión, el ancho de banda de un enlace óptico puede ser de decenas de GHz, por lo que el código Gold modulado puede llegar 1000 veces más rápido.
@uhoh Eso suena muy interesante. ¿Puede ampliar lo que quiere decir con muestreo intermitente y dar un ejemplo?
@ChrisR gracias, lo haré en forma de pregunta dentro de las próximas 24 horas.
SpaceX ya está implementando interconexiones láser en los satélites Starlink, que ciertamente califican como pequeñas naves espaciales. Solo necesitan equipar algunos satélites en uno o dos planos con algunos enlaces adicionales para satélites de retransmisión interplanetaria, y tendrán una capacidad de enlace descendente masivamente redundante a través de las antenas de matriz en fase que se utilizan para proporcionar el servicio de Internet.
@ChristopherJamesHuff "... equipa... con algunos enlaces adicionales..." significa que podrían agregar algunas naves espaciales con enlaces ópticos de mayor apertura (mayor ganancia) con mejores capacidades de puntería necesarias "... para satélites de retransmisión interplanetaria. .."?
@uhoh, los satélites Starlink estándar están equipados con suficientes enlaces láser para conectarse a Starlinks vecinos (probablemente anterior y siguiente en el mismo plano, y algunos más para cruzar planos), y principalmente estaba pensando que necesitarían enlaces adicionales para manejar tareas fuera de eso... aunque podrían redirigir a uno de los enlaces normales en su lugar. No esperaría que los Starlinks de baja altitud manejen directamente las comunicaciones interplanetarias, pero puedo ver que el hardware de enlace estándar entre Starlink es suficiente para alcanzar un satélite de retransmisión en una órbita más alta.
@ChristopherJames Huff yo también, ¡gracias!

Respuestas (1)

Un informe de un estudio sobre el tema financiado por NASA JPL en 2005 es "Comunicaciones láser del espacio profundo a tierra en un mundo nublado".. Con base en las estadísticas globales de la nube, calcularon la probabilidad de éxito en función de la cantidad de estaciones receptoras y optimizaron su ubicación, y descubrieron que la cantidad necesaria para lograr la disponibilidad deseada estaba muy por encima del presupuesto. Una estación terrestre en Atacama es buena, pero varias en el mismo desierto no lo son, porque la longitud de la autocorrelación de la señal de nube/no nube que encontraron es de alrededor de 600 km, por lo que si una estación en Chile quedó nublada, entonces los otros probablemente estarían al mismo tiempo. Los quiere a todos en observatorios de montaña a gran altitud, pero dispersos en todos los continentes, incluidos Haleakala, Kilimanjaro si puede obtener permiso y otros lugares altos y secos ampliamente separados. Otro problema son las turbulencias, que al ser causadas en gran parte por el calentamiento solar, es peor exactamente donde las nubes son menos frecuentes, por lo que necesita una óptica adaptativa de grado astronómico y probablemente espejos deformables de varios metros para poder corregir la señal a medida que llega. Los aerosoles son otra consideración, lo que hace que las regiones costeras sean menos buenas debido al rocío del mar, incluso separadas de la humedad que produce las nubes. Mi propia conclusión de seguir el trabajo de este grupo durante varios años fue que la forma correcta de hacerlo es láser desde el espacio profundo a la órbita terrestre, con los enlaces espacio-tierra en radio para una disponibilidad asequible.

¡Gracias por la respuesta reflexiva y completa! Después de leerlo estoy completamente convencido. Sin embargo, me doy cuenta de que mi pregunta ofrecía una opción binaria falsa; por supuesto, hay una tercera opción; telescopios colgando de globos de gran altura :-) Estoy imaginando algo así como una combinación de Project Loon + ASTHROS de alguna manera. Podría ser supervisado por gerentes excedentes de JWST y el F-35, y SpinLaunch puede ayudar a recaudar fondos tempranos.
¿Estarán las futuras "estaciones terrestres" de comunicaciones ópticas en el espacio profundo en el espacio o en tierra?
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