¿Cómo se utilizan las antenas de matriz en fase en los vuelos espaciales? Beneficios y limitaciones

Me parece que una antena de matriz en fase sería excelente para las naves espaciales, ya que elimina la necesidad de girar toda la nave espacial para apuntar el plato de radio hacia la Tierra. Muchas naves espaciales ya tienen que girar para apuntar sus instrumentos, paneles solares y escudo de radiación en la dirección correcta, por lo que deshacerse de la orientación de la antena debería ser útil tanto para la nave espacial como para el diseño de operaciones. Una sonda interplanetaria como New Horizons podría haber podido enviar datos mientras realizaba observaciones y, lo que es más importante, siempre pudo recibir un comando de último minuto. Los costos de mantenimiento de la estación podrían reducirse para los satélites en órbita, incluida la ISS. Entonces, ¿por qué las naves espaciales todavía llevan un plato fijo en lugar de una matriz en fase?

Observo que el Orbitador Magnetosférico de Mercurio de 285 kg y 90 Watts , un orbitador JAXA de Mercurio planificado, tendrá una matriz en fase para comunicarse con la Tierra a 160 Gbit/año, y Mercurio está entre 90 y 210 millones de km de la Tierra. Por lo tanto, el costo, la masa, el tamaño, los requisitos de energía, la velocidad de datos y las distancias no parecen ser obstáculos para las matrices en fase en el espacio. Entonces, ¿cuál es el problema con ellos? ¿O tal vez ya se están haciendo cargo?

Mi conjetura sería ganancia. Un plato parabólico da una gran cantidad de amplificación a su señal (¿20-30 dB?). Replicar esa señal con una matriz en fase significa que necesita 1000 veces más potencia.
@Hobbes Sí, la ganancia de 20-30 dB en la región UHF o SHF baja (pocos gigahercios) es casi trivial con una antena parabólica. Probablemente no sería demasiado difícil, incluso en vuelos espaciales, empujar eso hacia 40 dB. Siempre que la antena pueda apuntar con precisión, es un gran impulso.
160 Gbit/año es un poco más de 5 kbits/segundo. Incluso a la distancia de Mercurio eso no suena tan impresionante, ¿verdad? Rosetta logró unos 28 kbits/segundo.
@Hobbes Pero se supone que el pequeño MMO lo hará en Mercury. Y estoy seguro de que varias otras naves espaciales, incluidos los comerciales, ya lo están haciendo. ¿Funciona bien o funciona mal, y por qué razones principales?
@MichaelKjörling 160 gigabits para 90 W en la misión principal de un año ciertamente parece suficiente para que una nave espacial tan pequeña y barata investigue el entorno magnético de Mercurio. Suena escalable en distancia, ganancia, potencia y muchas cosas. No veo el límite, lo estoy pidiendo.

Respuestas (2)

Para abordar la última parte de su pregunta "... o ya se están haciendo cargo", las matrices en fase se han utilizado en comunicaciones comerciales y satélites de detección remota durante un tiempo, aunque no creo que se estén "tomando el control" como tales.

Estos ejemplos no son el uso interplanetario que ha sugerido, pero sirven para demostrar que la tecnología está bien establecida para el uso satelital.

Inmarsat 4 utiliza una matriz de fase para su antena principal de recepción y transmisión de banda L :ingrese la descripción de la imagen aquí

El radar de apertura sintética está estrechamente relacionado con una matriz en fase. El satélite Sentinel 1 utiliza una matriz en fase como base para su carga útil SAR de banda C :ingrese la descripción de la imagen aquí

Sospecho que los costos de la solución han sido más altos en el pasado, tal vez mejorando ahora con un uso más amplio y que esto probablemente haya impulsado el intercambio de misiones científicas hasta la fecha.

Los arreglos en fase tienen límites matemáticos, por lo que es posible que aún necesite tener cardanes u orientar el arreglo. En particular, sufren de disminución de la ganancia fuera de puntería. Cuantos más elementos haya en la antena, más estrecho será el haz, pero peores serán los problemas de visión fuera de borda. La NASA ha estudiado estos problemas y existen soluciones (como tener múltiples matrices). En el ejemplo de ese documento, necesitaban 8 antenas separadas, cada una de ellas en fase. Eso es mucha masa y poder, ¡aunque ciertamente tiene sus ventajas!

El verdadero poder de los arreglos en fase es su capacidad para ser dirigidos electrónicamente. El mejor uso de esto es en situaciones en las que se necesita escanear un área rápidamente, pero esas situaciones rara vez surgen en las comunicaciones de naves espaciales.

Hay varios satélites que se comunican con una matriz en fase, pero por lo que he podido decir, generalmente están allí porque necesitaban la matriz para otro propósito (como imágenes SAR) o porque necesitaban cambiar rápidamente entre múltiples canales de comunicación con diferentes naves sin involucrar un movimiento de cardán físico.

Gracias, su respuesta ha provocado algunos pensamientos más sobre los arreglos en fase. Fue un poco demasiado largo para agregar aquí, así que creé una nueva pregunta aquí: space.stackexchange.com/questions/12874/…
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