¿Qué tan difícil es recibir señales directas de vehículos en la superficie de Marte? ¿Alguien más que no sea el DSN lo ha hecho?

Las respuestas en resumen son: es difícil, pero sí , alguien que no sea el DSN lo ha hecho.

Entonces, en primer lugar, ¿qué tan difícil es? La respuesta es bastante difícil: se necesitan recursos muy considerables para poder escuchar las señales de los vehículos actuales en Marte, y probablemente también de los vehículos anteriores.

el hardware

Un radioaficionado, Scott Tilley (sí, ese Scott Tilley: la misma persona que ha encontrado satélites perdidos ) ha escuchado señales de MRO y otras naves espaciales en tránsito y en órbita alrededor de Marte , utilizando un plato de 0,6 m de diámetro. Entonces sabemos que estas señales son detectables en la Tierra con un equipo bastante modesto por alguien que sabe lo que está haciendo.

Esa es una hazaña impresionante pero no tan sorprendente, porque una de las razones por las que existen estas naves espaciales es para transmitir señales de los módulos de aterrizaje a la Tierra. Debido a que están en órbita, pueden permitirse el lujo de tener antenas grandes y frágiles: la antena de alta ganancia en MRO tiene 3 m de diámetro : eso es aproximadamente del mismo tamaño que todo el Perseverance , que tiene 3 m de largo. Una antena como esa no sobrevivirá a la EDL, y si lo hiciera, dominaría por completo al rover (¿dónde iría el brazo?). Es por eso que los rovers no llevan antenas tan grandes: no pueden.

En contraste, la antena de banda X de alta ganancia de Perseverance tiene 0,3 m de diámetro y su antena omnidireccional de baja ganancia es mucho más pequeña que eso. La antena de alta ganancia espera lograr más de 500 bits/segundo para una antena DSN de 34 m en la Tierra y 3000 bits/segundo para una antena DSN de 70 m. La antena de baja ganancia espera administrar 10 bits/s a una antena de 34 m en la Tierra y 30 bits/s (o incluso más rápido dicen) a una antena de 70 m en la Tierra.

También hay una antena UHF que se usa principalmente para hablar con los orbitadores que funcionan como repetidores y que pueden hacerles Mbits/s.

No estoy seguro de qué sistema transmitió los tonos que se usaron para indicar el estado durante EDL: creo que es casi seguro que es el sistema de banda X de baja ganancia, pero posiblemente sea el sistema UHF. Presumiblemente, la antena de banda X de alta ganancia no se desplegó en ese momento, e incluso si lo fuera, no sería posible apuntarla desde un vehículo que gira y luego se balancea debajo de un paracaídas. Estos tonos fueron, por supuesto, detectados en la Tierra por el DSN, pero casi no hay información en ellos.

algo de matematicas

Entonces, ahora hay dos preguntas interesantes: cómo va la intensidad de la señal en la Tierra desde algo que se transmite desde Marte en función de varios factores, y cómo va la capacidad de escuchar eso en función de varios factores (realmente: de recibir tamaño del plato). Estos resultan ser más o menos lo mismo debido a un maravilloso conjunto de teoremas llamados colectivamente reciprocidad .

Las versiones de las siguientes fórmulas son bastante conocidas, creo. Se puede encontrar suficiente información para derivarlos en la página de Wikipedia para antena parabólica .

Para transmitir, con una antena parabólica en el eje, tenemos esto:

$$S = \frac{\pi}{4} \eta_t P_t\left(\frac{d}{\lambda r}\right)^2$$

Dónde

• $S$es la intensidad de la señal recibida (potencia por unidad de área);
• $\eta_t$es alguna medida de cuán eficiente es el transmisor;
• $P_t$es la potencia del transmisor;
• $d$es el diámetro del plato transmisor;
• $\lambda$es la longitud de onda;
• $r$es la distancia desde el transmisor.

Esto ignora cosas como la atenuación en la atmósfera, pero podemos meter eso en$\eta_t$, o agregue algún factor de fudge adicional. (De hecho, voy a ignorar la atmósfera en un intento de que sea más fácil escuchar la señal).

Para el sistema receptor, asumiendo que es un disco parabólico obtenemos esta expresión:

$$P_r = \frac{\pi}{4} \eta_r D^2 S$$

Dónde

• $S$es la intensidad de la señal;
• $D$es el diámetro de la antena;
• $\eta_r$es la eficiencia del sistema.

Entonces, juntando esto obtenemos esto:

$$\tag{*} P_r = \eta_r \eta_t \frac{P_t}{16} \left(\frac{d D}{r\lambda}\right)^2$$

En esta expresión, las cosas que podemos cambiar de manera útil son$d$y$D$, y quizás, en tiempo de diseño,$\lambda$,$\eta_t$, y$\eta_r$. Pero$d$y$D$son los interesantes para nosotros.

No he abordado la relación señal-ruido aquí y no lo haré.

algunos numeros

Hay algunos números que conozco y otros que no conozco. No sé$\eta_t$o$\eta_r$para cualquier cosa: asumiré que son todos iguales (es decir, todos son diseños bastante buenos, lo que parece plausible). También asumiré que todo funciona al mismo valor de$\lambda$: en otras palabras, solo consideraré el sistema de banda X (esta es una frecuencia mucho más alta que la UHF que usan los rovers para hablar con los orbitadores, y dado que$P_r$depende de$1/\lambda^2$por lo tanto, también es mucho mejor). Y asumiré que$r$es el mismo, lo cual es cierto en una muy buena aproximación en cualquier momento.

Como dije anteriormente, asumiré que no hay atenuación a través de la atmósfera de Marte, lo que probablemente no sea el caso, pero ignorarlo hace que sea más fácil escuchar a los rovers en la superficie.

Un número importante es la potencia del transmisor. Sabemos que MRO tiene un transmisor de banda X de 100 vatios y también sabemos que la potencia total disponible en Perseverance es de 110 vatios. Asumiré que Perseverance puede transmitir a 33 W: sospecho que esto es bastante optimista y en realidad es de 5 a 10 W, pero ser optimista hace que sea más fácil escucharlo.

Finalmente, asumiré que Scott Tilley solo pudo escuchar MRO: en otras palabras, una antena de 0,6 m es lo que necesita para escucharlo, y que el$P_r$en el que puede detectar cosas es el mismo que el de cualquier otra persona: en otras palabras, su receptor es tan bueno como el de cualquier otra persona.

Entonces podemos reorganizar (*) para obtener esto

$$\begin{aligned} P_t d^2 D^2 &= \frac{16 P_r r^2 \lambda^2}{\eta_r \eta_t}\\ &= K \end{aligned}$$

dónde$K$es constante, ya que todos sus componentes son por suposición. Entonces, sabiendo que Scott Tilley solo podía escuchar MRO, sabemos que

$$K = 100 \times 3^2 \times 0.6^2\,\mathrm{Wm^4}$$

Y así sabemos que, para poder escuchar Perseverancia en la superficie

$$\begin{aligned} D^2 &= \frac{100}{33}\times \left(\frac{3}{0.3}\right)^2 \times 0.6^2\,\mathrm{m^2}\\ D &= \sqrt{300}\times 0.6\,\mathrm{m} \end{aligned}$$

o

$$D\approx 10.4\,\mathrm{m}$$

Y este es el número que buscamos: para poder escuchar Perseverance en la superficie, necesita un plato de aproximadamente 10,4 m o 34 pies de diámetro, necesita un buen receptor de banda X atado a la parte posterior y necesita estar apuntando a Marte.

Esto está muy por fuera de lo que tienen los aficionados, por decirlo de forma más bien media (quizás si Bill Gates o Elon Musk o alguien se interesara en el tema podrían permitirse tal cosa). No es tan grande para los estándares de un radiotelescopio, pero casi todos los que tienen un radiotelescopio a mano lo usan para astronomía, no para escuchar naves espaciales en Marte, por lo que no tendrán un receptor de banda X atado a la parte posterior y no lo apuntará a Marte.

quien esta escuchando

El DSN, obviamente, tiene las instalaciones adecuadas para escuchar las señales de los vehículos en Marte. Pero estamos buscando personas que no sean del DSN.

Bueno, hay personas con radiotelescopios astronómicos que tendrán un receptor de banda X atado a sus telescopios y que lo apuntan a Marte. Por ejemplo, cuando InSight llegó a Marte, sus tonos EDL fueron observados tanto por el observatorio Green Bank en West Virginia como por las instalaciones de max Planck en Effelsberg, Alemania . Aunque estas personas no son la DSN, tal vez todavía cuenten como la DSN.

También podemos suponer que al menos los chinos tienen sistemas capaces de escuchar vehículos en la superficie, ya que están a punto de poner uno allí. Pero, que yo sepa, no han anunciado si han escuchado señales de los vehículos actuales en la superficie: sin embargo, es seguro asumir que sí.

¿Quién más está escuchando?

¿Hay alguien más con un plato adecuadamente grande, debidamente motivado para escuchar? Bueno, sí, resulta que los hay: hay algunas personas en Cornualles que se han apoderado de algunos equipos de comunicaciones por satélite en desuso de una estación terrestre que antes era propiedad de la empresa estatal de telecomunicaciones. Y están en el proceso de reutilizar este equipo, incluido su plato más grande, 'Merlin', como un nodo DSN privado, que de hecho tendrá un equipo de banda X atado a la parte posterior, y también posiblemente como un nodo en muy grandes conjuntos de interferómetros de radioastronomía.

Estas personas son goonhilly.org (los nombres de lugares de Cornualles son simplemente maravillosos), y el 'Merlín' reutilizado ahora es GHY-6 , y es un plato de 32 m.

Y el 15 de febrero de 2021 hicieron un comunicado de prensa que dice, en parte:

Goonhilly ha estado trabajando con la ESA durante las últimas semanas, utilizando Mars Express, una nave espacial en una misión activa a Marte, como vehículo de prueba para validar su antena GHY-6. Actualmente están siguiendo la sombra de Mars Express mientras orbita el planeta rojo. Mientras sigue la sombra de Mars Express en esta fase preoperacional, Goonhilly también ha recibido señales de otra misión global: la Misión Hope de la Agencia Espacial de los EAU.

Recogiendo señales el 9 de febrero, Goonhilly pudo informar que la Misión Esperanza de la Agencia Espacial de los EAU entró con éxito en la órbita de Marte. En un mes significativo para las misiones a Marte, Hope fue seguida por la Misión a Marte Tianwen-1 de la CNSA el 10 de febrero. Hay esperanzas de que Tianwen-1, un satélite que sostiene un rover, aterrice en Marte en mayo.

Solo una semana después de que estas dos misiones entraran en la órbita de Marte, el 18 de febrero, el rover JPL Perseverance de la NASA aterrizará en la superficie de Marte, y la antena GHY-6 apuntará a Marte durante el intento de aterrizaje. Aunque no es un enlace descendente oficial, Goonhilly podrá recibir y potencialmente decodificar las señales del rover en caso de que la NASA necesite apoyo antes y durante el aterrizaje. Esta será la primera vez que se reciban comunicaciones directas desde la superficie de Marte en el Reino Unido .

[Énfasis mío]. Bueno, este comunicado de prensa fue antes del aterrizaje, como puede ver. Al momento de escribir, aún no han hecho otro comunicado de prensa, pero he hablado con ellos directamente y me han confirmado que sí, recibieron señales de Perseverance tanto durante EDL como desde entonces, desde la superficie. Yo pregunté:

Hola, ¿sabes si GHY-6 escuchó señales directas de Perseverance en el camino hacia abajo?

a lo que respondieron

De hecho, lo hicimos, en el camino hacia abajo Y desde la superficie, un par de días después. Actualmente estamos recopilando todos los datos y armaremos una infografía para publicar en las redes sociales.

(Anteriormente no incluí este intercambio porque no quería robarles el protagonismo, pero desde entonces han confirmado que está bien informar esto).

Entonces, en resumen: es significativamente difícil escuchar señales de vehículos en la superficie de Marte, pero otras personas además del DSN ciertamente lo han hecho: esas personas incluyen, al menos, a Goonhilly.

Actualización : aquí hay una publicación de blog de Goonhilly con información, incluidos espectrogramas durante la EDL (creo que no en la superficie).

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Tenga en cuenta que esta respuesta se originó como un borrador para otra pregunta que se cerró: la he editado para que esté mejor, espero, pero aún puede conservar algunos rastros de su existencia anterior.