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So einfach ist es dann doch nicht...

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  1. So einfach ist es dann doch nicht...

    Autor: REDVIII 22.02.21 - 11:42

    ... wie der Autor es gerne darstellt.
    Ich hab erst neulich einen Artikel dazu auf Ars Technica gelesen. Leider darf ich keine Links posten, weil ich zu wenig kommentiere.
    Aber wer nach "Ars Technica deep space dialup" googelt wird da fündig.

    Wer das liest, wird verstehen, warum es nicht so einfach ist, die Datenraten, in dem vom Autor geforderten Umfang, zu skalieren.

  2. Re: So einfach ist es dann doch nicht...

    Autor: Frank Wunderlich-Pfeiffer 22.02.21 - 15:20

    Der Artikel ist hier:
    https://arstechnica.com/science/2019/03/how-et-phones-home-what-todays-interplanetary-internet-service-looks-like/

    Er bezieht sich auf das Paper hier:
    https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2018-2451

    Dort wird gesagt, dass im Ka-Band mit einer 6m Sendeantenne (doppelt so groß, 4-fache Fläche), mit 400-500 W Sendeleistung (4-5 mal so viel) mit sechs 34m Empfängerantennen auf der Erde eine Datenrate von 250MBit/s erreicht werden kann (im X-Band wird eine 70m Antenne benutzt mit 66% der Empfängerfläche) ... in der größtmöglichen Entfernung zur Erde, von rund 400 Millionen km, während die bestmögliche Datenrate von MRO bei 6MBit/s in 100 Millionen km erreicht wird. Was das Signal auf der Erde 16 mal so stark macht. Bei vergleichbarer Entfernung könnte die Datenrate also von 250 MBit/s auf 4 GBit/s gesteigert werden. Ungefähr das 700-fache der Datenrate von MRO im X-Band. Wenn man nur eine 34-m Antenne benutzt ist es immernoch mehr als ein Faktor 100. (Das ist nur etwas halb so viel, wie mit den Annahmen im Artikel geschätzt. Kann daran liegen, dass wegen der geringen Signalstärke und Störungen von der Sonne in größtmöglicher Erdentfernung eine aggressivere Fehlerkorrektur benutzt werden muss, die hier natürlich nicht berücksichtigt ist.)

    Das alles mit einem kleinen Satelliten mit einer Startmasse von 1,5 Tonnen, während der Standard für Kommunikationssatelliten im Geostationären Orbit bei ungefähr 6 Tonnen liegt und Satelliten mit nur 3-4 Tonnen vorzugsweise als Sekundärnutzlast transportiert werden.

    Frank Wunderlich-Pfeiffer (Twitter: @FrankWunderli13) - als freier Journalist bei Golem.de unterwegs - Countdown Podcast zur Raumfahrt @countdown_pod oder https://countdown.podigee.io/

  3. Re: So einfach ist es dann doch nicht...

    Autor: M_Hilmar 22.02.21 - 22:45

    Frank Wunderlich-Pfeiffer schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    >
    > Dort wird gesagt, dass im Ka-Band mit einer 6m Sendeantenne (doppelt so
    > groß, 4-fache Fläche), mit 400-500 W Sendeleistung (4-5 mal so viel) mit
    > sechs 34m Empfängerantennen auf der Erde eine Datenrate von 250MBit/s
    > erreicht werden kann

    Das gilt nur für eine kurze Zeit! Will man den Mars-Orbiter 24h empfangen, sind schon 18 solcher 34m Monster notwendig.

    Ich finde den Artikel nicht gut, weil er viele Dinge zu simplistisch sieht. Die Komplexität einer Raumfahrtmission erwächst daraus, dass viele Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden müssen. Ich behaupte nicht, dass es unmöglich ist die Datenrate vom/zum Mars signifikant zu erhöhen - Leicht ist es aber nicht, weil bestimmte Grenzen/Probleme gibt die man nicht so leicht überwinden kann, z.B.:

    1) Frequenz-Regulierung
    Siehe auch "ITU-R SA.2167 Factors affecting the choice of frequency bands for space research service deep-space (space-to-Earth) telecommunication links".
    Für Space-to-Earth Kommunikation sind von der ITU 500MHz Spektrum im Ka-Band vorgesehen.
    D.h. für die ach so leicht möglichen 4 Gbps geht das nur mit einer Modulation mit einer Spektralen Effizienz von 8 Bit/Hz. Schaut doch mal nach was das für das nötige Eb/N0 bedeutet!

    2) Transmit Power:
    Die Sendeleistung lässt sich theoretisch leicht steigern, praktisch gibts aber ein paar Hacken. Um einen Ka-Band TWTA (Wanderfeldröhrenverstärker) im linearen Bereich zu betreiben braucht man ca. 5-6 mal so viel Eingangsleistung. Die Leistung muss von den Solarzellen kommen, die im Marsorbit nur ca. 42% der Sonnenenergie (im Vergleich zum Erdorbit) abbekommen. Das hieße dann für die im Artikel genannten 10kW Sendeleistung benötigt man 50 kW el. Leistung. Viel Spass die Mechanik/Masse/Volumen für den nötigen Solarzellen-Fussballplatz an dem 1300 kg "Com-Sat-Umbau" anzubringen. Dass die Verlustleistung irgendwie weg muss und dass der Strahendruck Einfluss auf den Orbit hat reden wir nicht.

    3) Sendeantenne:
    Eine 6m Sendeantenne ist mit CFK-Teilen sicher realisierbar, aber benötigt aber eine nicht ganz triviale Klapp-Mechanik. Für den Start ist die Masse der Antenne vernachläsigbar, aber das Volumen wird es nicht sein (Breidenthal et al, "Space and Earth Terminal Sizing for Future Mars Missions", SpaceOps 2018, geht von ca. 57m^3 für einen solchen Orbiter aus).
    Eine faltbare 22m Mesh-Antenne ist für Ka-Band ist schlicht utopisch.
    Je größer die Antenne, desto kleiner der Abstrahlwinkel. D.h. man muss auch die Ausrichtung genauer Regeln.

    4) Atmosphäre:
    Die atmosphärischen Effekte sind im Ka-Band anders als im X-Band.
    - Die Dämpfung ist ca. 6 dB höher als im X-Band.
    - Sky-Brightness Temperatur ist ca. 240K (vs. 70K im X-Band) - diese hat einen Einfluß auf die erreichbare Receiver-Noise-Temperature (thermisches Rauschen!).
    - Regen/Wettereffekte sind sehr stark schwankend. In den meisten Berechnungen für Ka-Band gibt man sich mit einer Availability von 90% zufrieden weil die sonst zu überbrückenden Dämpfuungen so hoch sind, dass man das Linkbudget nicht mehr schließen kann.

  4. Re: So einfach ist es dann doch nicht...

    Autor: Frank Wunderlich-Pfeiffer 23.02.21 - 01:26

    Mars Reconaissance Orbiter hatte zu Testzwecken einen Ka-Band Sender mit 35W Sendeleistung an Bord und konnte damit, allerdings Wetterabhängig, eine bessere Leistung als der 100W X-Band Sender erreichen. https://descanso.jpl.nasa.gov/DPSummary/MRO_092106.pdf

    Eine 8m Mesh-Antenne für Ka-Band ist z.Z. in Entwicklung. Der Hersteller erwartet, die Technik bis 25m skalieren zu können. https://www.hps-gmbh.com/en/portfolio/subsystems/deployable-antennas-lea/

    Northrop Grumman bietet sie seit 2017 an:
    https://www.northropgrumman.com/wp-content/uploads/AstroMesh-DataSheet.pdf

    Frank Wunderlich-Pfeiffer (Twitter: @FrankWunderli13) - als freier Journalist bei Golem.de unterwegs - Countdown Podcast zur Raumfahrt @countdown_pod oder https://countdown.podigee.io/



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 23.02.21 01:28 durch Frank Wunderlich-Pfeiffer.

  5. Re: So einfach ist es dann doch nicht...

    Autor: M_Hilmar 23.02.21 - 21:41

    Hallo Frank, danke für die Links!

    Frank Wunderlich-Pfeiffer schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Mars Reconaissance Orbiter hatte zu Testzwecken einen Ka-Band Sender mit
    > 35W Sendeleistung an Bord und konnte damit, allerdings Wetterabhängig, eine
    > bessere Leistung als der 100W X-Band Sender erreichen.

    Versteh mich nicht falsch, ich hab nichts gegen Ka-Band und das damit höhere Raten erreichbar sind verleugne ich nicht. Gemessen an deinen Forderungen ist dieser Ka-Band Transmitter aber nicht der große Wurf -- auch operationell gesehen.

    Worauf ich ein Augenmerk lenken will: Wenn du Figure 2-2 und Figure 2-3 vergleichst sieht du, dass das Pointing für Ka-Band viel kritischer ist. Im X-Band führt ein Fehlpointing der HGA Antenne um 2 mrad zu einem Pointing Loss von weniger als 0.5 dB, im Ka-Band sinds schon mehr als 4 dB. Bei einer größeren Antenne wird der Abstrahlwinkel kleiner und das Pointing der Antenne des Relay-Orbiters muss viel präzieser werden.

    > Eine 8m Mesh-Antenne für Ka-Band ist z.Z. in Entwicklung. Der Hersteller
    > erwartet, die Technik bis 25m skalieren zu können.

    Klasse das es in der EU Firmen gibt, die an sowas arbeiten. Ich hoffe blos, dass die ESA dann auch Missionen umsetzt, die diese Technologie nutzen.

    > Northrop Grumman bietet sie seit 2017 an:

    Die Reflektoren waren mir von Thuraya und Inmarsat bekannt, aber eben nur als L-Band Antennen. Dass Northrop-Grumman diese jetzt als Ka/V-Band tauglich vermarktet war mir neu.
    Genaue Details zu den Antennenparametern sucht man auf der Homepage allerdings vergebens.

    Kennst du eine Mission die so eine Antenne im Ka-Band einsetzt?

    Wenn man sowas schon seit 2017 von der Stange kaufen kann frage ich mich warum NASA/JPL nicht auf den Zug aufgesprungen sind? Die müssten doch schon Jahre vorher über die Technologie-Roadmap von Northrop-Grumman bescheid wissen.

    P.S. Das man die Links aus dem Quote Teil entfernen muss, um als Gelegenheits-Poster antworten zu können, ist lästig.

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