Wie wird die Konnektivität durch die Kommunikation im Weltraum aufrechterhalten? Der Detektor hat eine „gute Stimme“ und der Boden hat ein Paar „gute Ohren“.

Im Weltraum gibt es viel hochenergetische Strahlung und Funksignale können gestört werden. Wie also halten wir die Kommunikation mit Tiefenraumsonden aufrecht?

Am 5. September 1977 startete die Raumsonde „Voyager 1“. Von diesem Zeitpunkt an stand es in ständiger Kommunikation mit dem Bodenkontrollzentrum und zeigte ständig den tiefen Weltraum, den der Mensch noch nie betreten hatte. Doch im November 2023 verlor der Mensch den Kontakt zu Voyager 1. Genauer gesagt sendet Voyager 1 immer noch Signale zur Erde, aber leider sind diese Signale zu bedeutungslosen, verstümmelten Codes geworden. Erst Ende April dieses Jahres gelang es dem Bodenteam und Voyager 1 unter großen Schwierigkeiten, wieder Kontakt aufzunehmen. Während die Menschheit immer weiter in den Weltraum vordringt, stellt sich allmählich eine sehr wichtige Frage: Wie kann die Kommunikation im Weltraum aufrechterhalten werden?

Darstellung der Voyager-1-Sonde auf ihrer Reise durch den Weltraum

Wie schwierig ist die Kommunikation mit einer Raumsonde?

Im Jahr 1965 entdeckte Gary Flandreau, ein Doktorand der Luftfahrt am California Institute of Technology, der nebenberuflich bei der NASA arbeitete, dass Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren einen Bogen mit der Erde bilden würden. Es wird geschätzt, dass dieser Bogen alle 176 Jahre einmal auftritt. Wenn ein Raumschiff über jeden Planeten auf diesem Bogen fliegt, erhält es durch die Schwerkraft des Planeten Beschleunigung. Wenn der Flugzeitfehler auf einige zehn Minuten begrenzt werden kann, können mehrfache Gravitationsbeschleunigungen die Zeit, die eine Sonde für den Flug von der Erde zum Neptun benötigt, von 30 auf 12 Jahre verkürzen. Zuvor hatte die Sonde Mariner 10 die Schwerkraft genutzt, um ihre Vorbeiflüge an Venus und Merkur zu beschleunigen, und damit die Vorteile ähnlicher Operationen vorläufig bestätigt.

Schematische Darstellung der Beschleunigung eines Raumfahrzeugs mithilfe der Schwerkraft eines Himmelskörpers

Um diese Jahrhundertchance zu nutzen, startete die NASA im Sommer 1977 innerhalb von 15 Tagen zwei „Schwester“-Raumfahrzeuge – Voyager 2 und Voyager 1. Ihre „Wege trennten sich“ in der Nähe des Saturns, und dann passierte Voyager 1 die Ringe des Saturns, passierte Titan und verließ die Planetenebene des Sonnensystems. Voyager 2 setzte seinen Weg zu Uranus und Neptun allein fort.

Am 25. August 2012 überflog Voyager 1 die Heliosphäre und entdeckte das Phänomen des Plasmadichtesprungs, das Wissenschaftler zuvor vorhergesagt hatten. Im Jahr 2024, nach fast 47 Flugjahren, ist Voyager 1 etwa 24 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, was dem 160-fachen Abstand zwischen Erde und Sonne entspricht. Angesichts der enormen Entfernung muss das Bodenteam mindestens 22,5 Stunden warten, um das Funksignal von Voyager 1 zu empfangen, und mindestens ebenso lange, bis Voyager 1 das Erdsignal über das Deep Space Network empfangen kann. Wenn man zudem bedenkt, dass Voyager 1 täglich eine Distanz von 3 bis 4 Lichtsekunden (fast 300.000 Kilometer) zurücklegt, wird sich die Wartezeit für die Kommunikation zwischen der Erde und Voyager 1 weiter erhöhen.

Betriebseffektdiagramm der Sonde Voyager 1

Je weiter sich Voyager 1 von der Erde entfernt, desto schwieriger wird es, eine effektive Kommunikation mit ihr aufrechtzuerhalten. Einerseits basieren die Signalübertragung und der Signalempfang von Voyager 1 hauptsächlich auf Radiowellen, und die Stärke der Radiosignale ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Mit zunehmender Entfernung wird das Funksignal schwächer und die vom Transceiver selbst und dem kosmischen Hintergrund erzeugten Rauschstörungen werden immer deutlicher. Andererseits sind im letzten halben Jahrhundert die Störungen der Funksignale von Rundfunk, Fernsehen, Mobiltelefonen usw. auf der Erde immer schwerwiegender geworden, und es wird für das Bodenteam zunehmend schwieriger, alle Informationen von Voyager 1 zu empfangen.

Wie kann also die Stabilität der Kommunikation im Weltraum gewährleistet werden? Dies erfordert eine Zusammenarbeit zwischen den Raumfahrzeug- und Bodenteams.

Tiefenraumsonden brauchen eine gute Stimme

Der erste Faktor ist die Energieversorgung.

Wenn wir wollen, dass die Erde deutlich „hört“, muss die Raumsonde eine laute „Stimme“ haben, das heißt, die Signalstärke muss „stark“ sein, daher darf der Energiebedarf nicht unterschätzt werden. Man kann sagen, dass, wenn die Kommunikation im Weltraum einen stabilen Kontakt aufrechterhalten soll, zunächst sichergestellt werden muss, dass die Sonde über eine ausreichende Energieversorgung verfügt.

Künstliche Satelliten sind im Allgemeinen auf Solarzellen angewiesen, um ihre Energiereserven aufzufüllen, Voyager 1 ist jedoch zu weit von der Sonne entfernt, um Solarenergie zu nutzen. Um dieses Problem zu lösen, nutzte Voyager 1 Atomenergie – eine thermoelektrische Radioisotopenbatterie. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das die durch den radioaktiven Zerfall von Plutonium-238 erzeugte Wärmeenergie nutzt, um direkt Gleichstrom zu liefern. Da die Energiemenge und die Freisetzungsrate des Isotopenzerfalls nichts mit der äußeren Umgebung zu tun haben, ist sichergestellt, dass Voyager 1 über ausreichend „physische Stärke“ verfügt, um über lange Zeit mit der Erde zu „sprechen“.

Sowohl Voyager 1 als auch Voyager 2 verwenden drei Plutonium-Isotopenbatterien als Energiequelle. Zu Beginn der Mission betrug die Anfangsleistung der Atombatterie etwa 470 Watt. Mit der Zeit verringerte sich die Leistung langsam um etwa 6,4 Watt pro Jahr, und auch die Leistung von Geräten wie Thermoelementen ließ allmählich nach, und die Energieversorgungswirkung wurde allmählich schlechter. Zuvor hatte die NASA zahlreiche Subsysteme, Heizungen und wissenschaftliche Instrumente von Voyager 1 abgeschaltet, in der Hoffnung, die Betriebsdauer bis 2027, dem 50. Jahrestag des Starts von Voyager 1, zu verlängern. Zu diesem Zeitpunkt wird Voyager 1 seine Reise fortsetzen, jedoch keine Daten mehr zur Erde senden können.

Die „Atombatterie“, mit der die Sonden der Voyager-Serie ausgestattet sind

Die zweite ist eine speziell angefertigte Hochleistungsantenne.

Die Stromversorgung von Voyager 1 ist nicht groß, daher muss der Verbrauch „sorgfältig kalkuliert“ werden. So verfügt der eingebaute Funksignalsender beispielsweise über eine Leistung von lediglich 22,4 Watt und ist damit sogar niedriger als die des von uns genutzten Handy-Ladegeräts. Die anfängliche Funksignalstärke ist so gering, dass sich die von Voyager 1 ausgesendeten Funkwellen ohne Maßnahmen gleichmäßig in alle Richtungen des Weltraums ausbreiten würden und das zur Erde „verteilte“ Signal zweifellos zu schwach wäre.

Um sicherzustellen, dass das Funksignal mit geringer Gesamtleistung möglichst weit Richtung Erde übertragen wird, ist auf der Sonde eine Cassegrain-Antenne installiert. Dies ist eine Doppelreflektorantenne, die für die Mikrowellenkommunikation verwendet wird. Es bietet die Vorteile einer einfachen Struktur, eines flexiblen Designs, eines schmalen Strahls, einer hohen Verstärkung und eines geringen Rauschens. Es wird häufig in der Satellitenkommunikation verwendet.

Die Hauptparabolantenne von Voyager 1 hat einen Durchmesser von 3,66 Metern und umfasst eine Cassegrain-Antenne im X-Band (ca. 8,4 GHz) und eine vorwärtsgespeiste Parabolantenne im S-Band (ca. 2,3 GHz). Darunter beträgt die Hauptantennenverstärkung des X-Bands 47 dBi und es gibt zwei Leistungsübertragungsmodi von 12 W und 22 W. Auf dem Subreflektor ist eine S-Band-Antenne mit geringer Verstärkung installiert, die hauptsächlich dazu dient, zirkular polarisierte Wellen mit einer Strahlbreite von 90 Grad zur Erde zu senden. Dadurch wird sichergestellt, dass Voyager 1 in der Anfangsphase des Fluges nicht präzise ausgerichtet werden muss, was die Anforderungen an die Lageregelung reduziert. Die Antenne mit geringer Verstärkung wird hauptsächlich zur Anpassung der Fluglage in den frühen Phasen der Voyager-1-Mission verwendet.

Nahaufnahme der Antennenstruktur der Sonde Voyager 1

Durch den Einsatz von Hochleistungsantennen werden die Signalstrahlbreiten von Voyager 1 im S-Band und X-Band auf 0,5 Grad bzw. 2,3 Grad fokussiert, wodurch die zur Erde gesendete Signalstärke erheblich verbessert wird. Dabei wird das S-Band-Signal hauptsächlich zum Senden von Telemetriedaten verwendet, während das X-Band-Signal zur Übertragung hochauflösender Bilder und wissenschaftlicher Daten dient.

Dann gibt es noch eine präzise Lageregelung.

Um den Antennengewinn für die Signalübertragung zu erhöhen, steuert Voyager 1 den Funkstrahl so, dass er sehr schmal ist. Um die Hochleistungsantenne auf die Erde auszurichten, muss die Lage der Sonde präzise gesteuert werden. Andernfalls könne es leicht passieren, dass sich „ein hauchdünner Fehler einschleicht und ein großer Fehler entsteht“, der zur Trennung der Sonde von der Bodenstation führt.

Am 21. Juli 2023 kam es bei der Übermittlung von Befehlen der NASA an Voyager 2 zu einem Fehler, der dazu führte, dass die Antenne um zwei Grad von der Richtung der Erde abwich. Die Verbindung zwischen dem Bodenteam und der Sonde wurde daraufhin augenblicklich getrennt. Erst am 4. August nahm die Sonde endlich die Kommunikation mit dem Bodenteam wieder auf, nachdem sie ihre Antenne gemäß neuen Anweisungen kalibriert hatte.

Schließlich gibt es noch das Kommunikationssignal selbst.

Voyager 1 verwendet die Kommunikationsfrequenzen 8,4 GHz und 2,3 GHz, die zu den X-Band- und S-Band-Frequenzen gehören, die für Uplink- und Downlink-Frequenzen der Weltraumkommunikation reserviert sind. Der Grund für die Wahl dieser beiden Bänder liegt darin, dass in den entsprechenden Frequenzbändern nahezu keine Störungen auftreten und das künstlich erzeugte Funkrauschen gering ist, was das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und der Aufrechterhaltung der Funkkommunikation zwischen Boden und Weltraum förderlich ist.

Allerdings ist Voyager 1 zu weit von der Erde entfernt und im Weltraum gibt es viele komplexe und unbekannte hochenergetische Strahlungen, sodass die Funksignale weiterhin gestört werden. Gemäß der Shannon-Formel hängt die zuverlässige Rate, mit der tatsächlich eine Kommunikation erreicht werden kann, vom Verhältnis des Signals zum Hintergrundrauschen ab. Das bedeutet: Je länger die Übertragungsdistanz, desto geringer die erreichbare Übertragungsrate.

Die Signale der Voyager-Sonden werden im Weltraum durch komplexe Faktoren gestört.

Im Jahr 1994, als Voyager 1 etwa 6 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt war, betrug die Kommunikationsrate 7,2 Kilobit pro Sekunde. Im Jahr 2007, als Voyager 1 etwa 12,6 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt war, sank die Kommunikationsrate auf 1,4 Kilobit pro Sekunde. Anfang dieses Jahres konnte Voyager 1 nur mit einer Geschwindigkeit von 160 Bit pro Sekunde mit der Erde kommunizieren, was langsamer ist als der DFÜ-Internetzugang in den 1990er Jahren.

Um den Druck der Datenübertragung zu verringern und bei gleicher Übertragungskapazität mehr Daten zur Erde zurückzusenden, wird im Bereich der Erforschung des Weltraums die Datenkomprimierungstechnologie eingesetzt. Um die Originalbilder und wissenschaftlichen Daten so weit wie möglich zu erhalten, wird bei der Weltraumkommunikation im Allgemeinen eine verlustfreie Komprimierung mit einem niedrigen Komprimierungsverhältnis von etwa 3:1 verwendet. Das unkomprimierte Voyager 1-Bild hat eine Größe von 800 × 800 Pixeln und 8 Bit Graustufen pro Pixel. Tatsächlich enthalten typische Planeten- oder Satellitenbilder viel Schwarz, was ungültige Informationen liefert. Durch die Berechnung der Differenz zwischen den Graustufen benachbarter Pixel kann die Bilddatenkomprimierung die Datenmenge in einem typischen Planetenbild um 60 % reduzieren.

Aufgrund schwacher Signale, Störungen und anderer Gründe können die von der Bodenstation empfangenen Daten fehlerhaft sein. Wenn die Daten bei jedem Fehler erneut übertragen werden, ist dies zeit- und arbeitsintensiv, da die Kommunikationsverzögerungen zunehmen. Aus diesem Grund verwenden Weltraumsonden eine Fehlerkorrektur-Codierungstechnologie, die durch mathematische Prüfungen der empfangenen Signale fehlerhafte Daten erkennen kann. Voyager 1 verwendete zunächst ein einkanaliges Telemetriesystem aus kaskadiertem Gray-Code und Faltungscodierung, das später im Orbit auf kaskadierten Reed-Solomon-Code und Faltungscodierung aufgerüstet wurde, ein typisches Kaskadencodeschema mit Faltungscode als innerem Code und Reed-Solomon-Code als äußerem Code.

Die sogenannte Fehlerkorrekturcodierung reduziert tatsächlich die Informationsbitfehlerrate, indem sie die Bitrate der relevanten Informationen erhöht und die Signalredundanz verbessert. Bei Verwendung des Gray-Kodierungsalgorithmus zum Senden von 1 Bit an Informationen ist ein Overhead von 1 Bit erforderlich, während das Reed-Solomon-Kodierungsschema den Overhead auf 1 Bit für jeweils 5 gesendete Informationsbits reduziert und die Informationsbitfehlerrate von 5/1000 auf 1/1 Million verringert. Mit der Verbesserung der Rechenleistung werden bei neuen Tiefenraumsonden nach und nach längere Codes wie Toubo-Codes und LDPC-Codes mit besserer Leistung für die Kanalcodierung übernommen.

Der Boden braucht „gute Ohren“

Um eine zuverlässige Kommunikation im Weltraum zu erreichen, können wir uns nicht allein auf die Sonde verlassen. Auch die Bodenstation muss zusammenarbeiten, um die Kommunikationsverbindung zwischen Boden und Weltraum herzustellen.

Einerseits ist es notwendig, ein die ganze Welt umfassendes Deep Space Tracking- und Kontrollnetzwerk aufzubauen.

Da die Erdrotation Signale blockiert und die Kommunikationseffekte stark beeinträchtigt, können wir nur durch den Einsatz einer bestimmten Anzahl von Weltraumkommunikationseinrichtungen auf der ganzen Welt sicherstellen, dass das Bodenteam und die Weltraumsonde ständig verbunden sind.

Die Kommunikation zwischen Voyager 1 und der Erde erfolgt über das Deep Space Network der NASA. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk aus drei integrierten Tracking-, Kontroll- und Kommunikationseinrichtungen, die über die ganze Welt verteilt sind. Es ist außerdem das leistungsstärkste und größte Ortungs-, Steuerungs- und Kommunikationssystem für den Weltraum weltweit. Jeder Anlagenkomplex besteht aus einer Hauptantenne mit 70 Metern Durchmesser, 4 bis 7 Zusatzantennen mit 34 Metern Durchmesser und je einer Klein- und Mittelkaliberantenne mit 26 bzw. 11 Metern Durchmesser. Es kann ohne Unterbrechung mit Raumfahrzeugen kommunizieren.

Der Bau des Deep Space Network-Systems der NASA begann 1958. Nach drei Jahren wurden drei Weltraumstationssysteme in Goldstone (Kalifornien), Woomera (Australien) und Johannesburg (Südafrika) errichtet. Im Jahr 1963 erhielt es offiziell den Namen Deep Space Network. Im Jahr 1965 baute die NASA zwei neue Weltraumstationen in Madrid (Spanien) und Canberra (Australien). Die aktuelle Struktur mit drei Stationen entstand 1974, nachdem die NASA die Einrichtungen in Woomera und Johannesburg geschlossen hatte. Die Stationen werden vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, gesteuert, gewartet und verwaltet.

Goldstone-Radarstation in der kalifornischen Wüste

Neben den Vereinigten Staaten sind auch andere Länder und Organisationen aktiv dabei, Netzwerke im Weltraum aufzubauen. So hat die ESA beispielsweise ein Deep-Space-Netzwerk aufgebaut, das die Stationen New Norseh in Australien, Ceferros in Spanien und Malaguey in Argentinien umfasst und vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum in Darmstadt ferngesteuert wird. mein Land hat in Jiamusi (dem östlichsten Teil des Landes), Kashgar (dem westlichsten Teil des Landes) und Zapala (Westargentinien) Weltraumstationen eingerichtet und erreicht damit eine effektive Kommunikationsabdeckung von mehr als 92 % des Himmels. Auch Russland, Japan, Indien und andere Länder haben Ausrüstung zur Verfolgung und Kontrolle des Weltraums entwickelt und gebaut, verfügen jedoch noch nicht über ein vollständiges Netzwerk zur Verfolgung und Kontrolle des Weltraums. Einige der von Russland genutzten Bodenanlagen und Spezialschiffe wurden von der Sowjetunion übernommen.

Ausländische Bodenstationen für die Weltraumkommunikation

Andererseits wird leistungsstarkes Bodengerät benötigt.

Bodenanlagen, die speziell für die Verfolgung und Steuerung von Raumfahrzeugen im Weltraum sowie für die Datenübertragung verwendet werden, sind im Allgemeinen mit Parabolantennen mit großer Apertur, Hochleistungssendern, Empfangssystemen mit extrem hoher Empfindlichkeit, Signalverarbeitungssystemen sowie hochpräzisen und hochstabilen Zeit- und Frequenzsystemen ausgestattet. Sie können Raumfahrzeuge im tiefen Weltraum verfolgen und steuern, die mindestens Millionen Kilometer von der Erde entfernt sind.

Großaperturantennen für das Deep Space Exploration Network

Unter den Bodengeräten für die Kommunikation im Weltraum fällt vor allem die riesige Antenne auf. Die voll bewegliche parabolische Hochleistungsreflektorantenne mit einem Durchmesser von 70 Metern wird zur Kommunikation mit Voyager 1 verwendet. Die Antenne wurde nach der Implementierung des Voyager-Programms von einer Antenne mit 64 Metern Durchmesser aufgerüstet, indem die alten Metallplatten und Strukturstützen der ursprünglichen Antenne entfernt, eine brandneue externe Stützstruktur und Präzisionsplatten installiert und die Plattenoberfläche auf eine Präzision von unter einem Millimeter eingestellt wurden. Darüber hinaus verfügt die Antenne auch über eine holografische Ausrichtungstechnologie, um X-Band-HF-Signale präzise zu fokussieren. Laut Statistik beträgt die Fläche der Antenne mit 70 Metern Durchmesser 3.850 Quadratmeter, was 10 Basketballfeldern entspricht, bei einem Gesamtgewicht von mehr als 2.500 Tonnen und einer Reichweite von mehr als dem 20-Millionen-Fachen.

Nach der Bündelung und Verstärkung durch eine Antenne mit 70 Metern Durchmesser beträgt die Signalstärke von Voyager 1 nur ein Hunderttausendstel des schwächsten Signals, das ein normales Mobiltelefon empfangen kann. Um ein so schwaches Signal empfangen zu können, müssen die Empfangskomponenten der Antenne bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Dabei wird der supraleitende Effekt ausgenutzt, um eine ultrahohe Empfindlichkeit und ein extrem geringes Rauschen zu erreichen. Anschließend verstärkt das Gerät das empfangene Signal, um das ursprüngliche Signal wiederherzustellen.

Neben dem „Aufwand aller Anstrengungen“ zum Empfangen von Signalen sind auch „alle Anstrengungen“ erforderlich, um Signale an Tiefenraumsonden zu senden. Nehmen Sie als Beispiel die Antenne mit 70 Metern Durchmesser an der Kommunikationsstation der NASA im australischen Canberra. Um das Signalempfangsgerät von Voyager 1 „zu betreuen“, habe die Bodenstation „eine Menge Geld investiert“ und die Sendeleistung im S-Band habe 400 Kilowatt erreicht. Trotzdem kann die Befehlsrate, die vom Boden mit einer Frequenz von 2,1 GHz an Voyager 1 gesendet wird, nur 16 Bit pro Sekunde erreichen, was zeigt, wie schwierig die Kommunikation im Weltraum ist.