Die Verbindung zwischen Himmel und Erde ist plötzlich verloren gegangen. Wie gut kennen Sie sich mit Methoden zur Fehlerbehebung im Notfall aus?

Am 25. Juli kam es aufgrund von Problemen mit der Stromversorgung zu einem Kommunikationsverlust der USA mit der Internationalen Raumstation und die USA waren gezwungen, Russland um Hilfe zu bitten und das Backup-System zu aktivieren. Unbemannte/bemannte Raumfahrzeuge müssen die Kommunikation mit dem Bodenteam aufrechterhalten, aber es ist unvermeidlich, dass sie unerwartet den Kontakt verlieren. Welche Faktoren könnten also dahinter stecken? Welche technischen Mittel können Himmel und Erde einsetzen, um die gefährliche Situation zu lösen?

Es gibt viele Gründe für den Kontaktverlust

Wenn von einem Kommunikationsverlust die Rede ist, ist die erste Reaktion der Leute, dass die Kommunikationsausrüstung eine Fehlfunktion hat. Tatsächlich kann die Kommunikationsverbindung zwischen dem Raumfahrzeug und dem Bodenteam durch viele Faktoren beeinträchtigt werden, beispielsweise durch die normale Funktion der Ausrüstung, die Stärke und Erkennung des Signals, natürliche und vom Menschen verursachte Störungen usw.

Der Ausfall oder die Beschädigung von Kommunikationsgeräten ist tatsächlich eine der häufigsten Ursachen für Kommunikationsunterbrechungen und Verbindungsverluste zwischen Erde und Himmel. Die Arbeitsumgebung der Kommunikationsgeräte auf Raumfahrzeugen ist rau. Mit zunehmender Betriebsdauer wird diese subtil durch verschiedene Umweltfaktoren beeinflusst. Die Alterung der Geräte ist unvermeidlich und kann leicht zu instabilen Kommunikationsverbindungen und unregelmäßigen Kommunikationsunterbrechungen führen.

Um mit dieser Situation fertig zu werden, ist das Kommunikationssystem des Raumfahrzeugs normalerweise mit Backup-Geräten oder redundanten Kommunikationsverbindungen ausgestattet, um sicherzustellen, dass selbst bei einem Ausfall der Hauptausrüstung eine minimale Kommunikationsverbindung mit dem Bodenteam aufrechterhalten werden kann, wodurch die Zuverlässigkeit und Stabilität der Kommunikation verbessert wird.

Durch einen Stromausfall verlor die NASA vorübergehend den Kontakt zur Internationalen Raumstation

Neben „harten Schäden“, wie beispielsweise Geräteausfällen, können Kommunikationsverbindungen auch „weichen Schäden“, wie beispielsweise Signalstörungen, ausgesetzt sein. Bei der sogenannten „Signalinterferenz“ handelt es sich um die komplexe Interaktion zwischen irrelevanten Signalen anderer Geräte oder aus der Hintergrundumgebung und Kommunikationssignalen, die zu einer verringerten Qualität des Kommunikationssignals oder einer fehlerhaften Informationsübertragung führt. Zu diesem Zweck verwendet das Kommunikationssystem des Raumfahrzeugs üblicherweise eine Anti-Interferenz-Technologie und verbessert den Signalverarbeitungsalgorithmus, um die Signalqualität und die Anti-Interferenz-Fähigkeit zu verbessern und die peinliche Situation des „Stehlens des Hosts“ zu vermeiden.

Da die elektronischen Geräte in der Produktion und im Leben der Menschen immer vielfältiger und komplexer werden, ist der elektromagnetische Hintergrund nicht mehr „sauber“, die „Verschmutzung“ durch elektromagnetische Wellen wird schlimmer und elektromagnetische Störungen sind zu einem der wichtigsten Faktoren geworden, die zu Kommunikationsfehlern führen. Um dieser nahezu allgegenwärtigen Bedrohung zu begegnen, werden bei der Entwicklung von Kommunikationssystemen für Raumfahrzeuge in der Regel bereits in der Entwurfsphase sorgfältig Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit berücksichtigt und entsprechende Abschirmmaßnahmen sowie Technologien zur Störungsunterdrückung ausgewählt.

Tatsächlich sind elektromagnetische Störungen häufig auf starke elektromagnetische Felder zurückzuführen, was nicht unbedingt eine negative Folge menschlicher Aktivitäten ist. Auch extreme Wetterbedingungen wie Gewitter können starke elektromagnetische Energie erzeugen und den normalen Betrieb von Kommunikationsgeräten in der Luft- und Raumfahrt beeinträchtigen, was zu einer schlechten Signalübertragung und Kommunikationsunterbrechungen führen kann. Als Reaktion auf diese „Macht des Himmels“, der menschliche Kraft scheinbar nur schwer direkt entgegentreten kann, verwenden Raumfahrzeuge und Bodenteams im Allgemeinen Hochfrequenz-Funkkommunikationstechnologie, um die Kommunikation zu verbessern.

Auch wenn alle Geräte normal funktionieren und Störfaktoren in der Erdatmosphäre nicht signifikant sind, kann es dennoch zu einem Kontaktverlust zwischen Erde und Boden kommen. Wenn ein Raumfahrzeug eine bestimmte Umlaufbahn erreicht, kann es aufgrund der großen Entfernung oder einer vorübergehenden Behinderung durch bestimmte Objekte keinen Echtzeitkontakt mit dem Bodenteam aufrechterhalten. Wissenschaftliche Forscher planen im Allgemeinen im Voraus, Raumfahrzeuge mit der „einzigartigen Fähigkeit“ der autonomen Navigation auszustatten, damit sie ihre eigene Position selbstständig bestimmen, bei Bedarf Anpassungen an der Umlaufbahn vornehmen und so schnell wie möglich die reibungslose Kommunikation mit dem Bodenteam wiederherstellen können.

Es ist nicht schwer festzustellen, dass es viele Faktoren gibt, die den Kontaktverlust zwischen Erde und Untergrund verursachen. Wenn das Raumfahrzeug und das Bodenteam auf einen Notfall stoßen, müssen Hinweise aus mehreren Quellen überprüft, die Ursachen sorgfältig ermittelt und so schnell wie möglich ein Entsorgungsplan erstellt werden, der der tatsächlichen Situation entspricht.

Eine Vielzahl von Mitteln, um Gefahren zu überwinden

Bei Weltraummissionen ist es sehr wichtig, eine stabile Kommunikation zwischen Erde und Himmel sicherzustellen. Unabhängig davon, ob es darum geht, von der Bodenstation Statusinformationen über das Raumfahrzeug zu erhalten und rechtzeitig Anweisungen zu senden, oder ob das Raumfahrzeug Beobachtungsergebnisse übermittelt, um den reibungslosen Ablauf der Mission sicherzustellen, sind effiziente und zuverlässige Kommunikationsleitungen unverzichtbar. Wenn es also zu einem unerwarteten Kommunikationsverlust zwischen Boden und Erde kommt, muss der Kontakt so schnell wie möglich wiederhergestellt werden. Beim aktuellen Stand der Technik trägt das Bodenteam oft wichtigere Aufgaben.

Um die Zuverlässigkeit der Boden-Weltraum-Kommunikation zu verbessern, starten Bodenteams häufig Relais-Kommunikationssatelliten oder senden diese umgehend weiter, um ein „nahtloses“ Kommunikationsnetzwerk aufzubauen. Als Signalrelaisstationen können diese Satelliten Signale empfangen und an Bodenstationen weiterleiten. Dadurch werden die Entfernungsbeschränkungen zwischen verschiedenen Standorten auf der Erde überwunden und sichergestellt, dass Raumfahrzeuge an möglichst vielen Standorten im Orbit Kontakt mit der Erde halten. Mit dieser Methode können die Kommunikationsreichweite und Signalabdeckung des Raumfahrzeugs im Normalfall erheblich erweitert und die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen „Rettung“ in Notsituationen erhöht werden.

Die Sonde Voyager 2 hat kürzlich den Kontakt zum Bodenteam verloren

Mit der Weiterentwicklung der Informationstechnologie können Raumfahrzeuge und Bodenteams angesichts von Signalstörungen technische Mittel wie Netzwerkverzögerungskompensation und Fehlerprüfung nutzen, um die Kommunikationsqualität zu verbessern. Die Technologie zur Netzwerkverzögerungskompensation kann basierend auf der Verzögerungszeit der Signalübertragung entsprechende Anpassungen vornehmen, um die Synchronisierung der Kommunikationssignale sicherzustellen. Mithilfe der Fehlerprüftechnologie können bei der Kommunikation auftretende Fehler hoffentlich erkannt und korrigiert werden, wodurch die Genauigkeit und Integrität der Daten sichergestellt wird.

Angesichts meteorologischer Störungen in der Erdatmosphäre bevorzugen wissenschaftliche Forscher hochfrequente Radiowellen. Es verfügt über die besondere Fähigkeit, die Atmosphäre zu durchdringen und eignet sich besonders für die Fernkommunikation. Im Vergleich zu Radiowellen in anderen Frequenzbändern weist es einen geringeren Ausbreitungsverlust in der Atmosphäre auf und kann insbesondere Wolken, Gewitter usw. effektiv durchdringen, sodass Raumfahrzeuge bei schlechtem Wetter ihr Bestes geben können, um den Kontakt mit Bodenteams aufrechtzuerhalten.

In diesem Zusammenhang könnten die Konstrukteure auch erwägen, Raumfahrzeuge mit mehreren Empfängern und Sendern auszustatten, um die Signalstärke und Abdeckung zu erhöhen. Gleichzeitig nutzt das Raumfahrzeug Antennentechnologie, um Signale entsprechend voreingestellter Programme anzupassen und zu verstärken. Zudem wird erwartet, dass es sich an unterschiedliche Wetterbedingungen und Umgebungen anpasst.

Autonome Navigationstechnologie ist für Raumfahrzeuge von entscheidender Bedeutung, um ihre Position zu bestimmen, ihre Umlaufbahn zu ändern und den Kontakt mit der Erde wiederherzustellen. Derzeit wird die autonome Navigation hauptsächlich durch Mittel wie Laserentfernungsmessung und satellitengestützte Trägheitsnavigation erreicht. Unter anderem sendet das Laserentfernungsmesssystem Laserimpulse zum Ziel und berechnet anhand der Echozeit des Impulses die Entfernung zwischen dem Raumfahrzeug und dem Ziel. Der Laser-Entfernungsmesser des Raumfahrzeugs scannt die Umgebung in Echtzeit und analysiert die erfassten Entfernungsinformationen, um seine eigene Position und Lage im Verhältnis zu anderen Objekten zu bestimmen.

Das satellitengestützte Trägheitsnavigationssystem verwendet Trägheitssensoren (wie Gyroskope und Beschleunigungsmesser), um die lineare Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs zu messen und schätzt auf Grundlage dieser Daten die Positions- und Lageänderungen des Raumfahrzeugs. Dadurch werden hochpräzise Positions- und Lageinformationen bereitgestellt, die es dem Raumfahrzeug ermöglichen, auch bei fehlenden Bodensignalen selbstständig zu navigieren.

Neue Technologien bringen neue Lösungen hervor

Durch die Weiterentwicklung von Technologien wie Mikroelektronik und künstlicher Intelligenz können Raumfahrzeuge länger im Einsatz sein und weiter entfernte Ziele anfliegen. Zwar stehen sie vor größeren Herausforderungen, doch besteht auch Hoffnung, dass mehr Probleme gelöst werden können, die traditionell schwer zu bewältigen waren.

Beispielsweise kann die neue Generation autonomer Navigationstechnologie die Positions- und Lageinformationen des Raumfahrzeugs regelmäßig aktualisieren. Sobald es feststellt, dass das Kommunikationssignal mit dem Boden schwach oder unterbrochen ist, kann es auf Grundlage seiner eigenen Positionsinformationen Maßnahmen ergreifen. Dies verbessert offensichtlich effektiv die Unabhängigkeit und Flexibilität des Raumfahrzeugs und verringert seine Abhängigkeit von der Bodenkontrolle.

Erwähnenswert ist, dass die autonome Navigationstechnologie auch für mehr Sicherheit und Präzision bei Weltraummissionen sorgt. Raumfahrzeuge können ihre Umlaufbahnen auf der Grundlage von Positions- und Lageinformationen in Echtzeit anpassen, um sich an verschiedene Missionsanforderungen anzupassen, etwa an die Satellitenortung und die Weltraumerkundung, wodurch mehr Möglichkeiten für die Weltraumerkundung und die Ressourcennutzung geschaffen werden.

Probleme mit den internen Systemen des Raumfahrzeugs haben lange Zeit zum Verlust der Verbindung zwischen Boden und Erde geführt, darunter Computersystemabstürze, Stromausfälle, Sensorausfälle usw., und wir können nur „auf das Beste hoffen“. Mit der Weiterentwicklung von Technologie und Verfahren werden sich jedoch auch die Backup-Fähigkeiten von Raumfahrzeugen verbessern und es ist zu erwarten, dass sie nach und nach die Fähigkeit erlangen, Störungen selbstständig zu beheben.

Beispielsweise wird das Raumfahrzeug im Falle eines Computersystemabsturzes Notfallmaßnahmen ergreifen, um umgehend die interne Notstromversorgung und die Notkommunikationsausrüstung zu aktivieren. Eine Notstromversorgung kann eine stabile Stromversorgung bereitstellen, um den normalen Betrieb anderer wichtiger Geräte sicherzustellen. Backup-Kommunikationsgeräte verwenden andere Frequenzen oder sind auf Satelliten angewiesen, um den Kontakt mit dem Bodenteam so schnell wie möglich wiederherzustellen.

Bevor ein Raumfahrzeug in den Weltraum fliegt, wird das Stromversorgungssystem sorgfältig von Wissenschaftlern überprüft. Dennoch können Faktoren wie Batterieausfälle und Störungen im Stromkreis zu Ausfällen der Stromversorgung führen. Um mit solchen unerwarteten Unfällen fertig zu werden, wird das Raumfahrzeug mit einem Notstromsystem ausgestattet, das Solarmodule, Brennstoffzellen usw. umfasst.

Das Raumfahrzeug ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, um Umweltinformationen zu erfassen und Beobachtungsaufgaben durchzuführen. Wenn bestimmte Sensoren nicht richtig funktionieren, können sie andere Geräte „belasten“. Zu diesem Zweck kann das Raumfahrzeug mit mehreren Sensorredundanzsystemen ausgestattet werden. Selbst wenn ein Sensor ausfällt, können andere Sensoren weiterhin genaue Daten liefern und über Ersatzkommunikationsgeräte den Kontakt mit dem Bodenteam aufrechterhalten.

Mit Blick auf die Zukunft wird die Steuerungssoftware für Raumfahrzeuge durch die immer umfassendere und intensivere Anwendung der Technologie der künstlichen Intelligenz auch eine bessere Modularität und Universalität aufweisen. Angesichts der Krise, die durch den Verlust der Verbindung zwischen Boden und Erde aufgrund verschiedener Faktoren entsteht, wird erwartet, dass das Raumfahrzeug das fehlerhafte Teil selbstständig „isoliert“ und das Steuerungssystem neu aufbaut. Mithilfe von Relaiskommunikationssatelliten, autonomer Navigation, Backup-Systemen und -Ausrüstung wird es die Effizienz der Wiederherstellung des Boden-Erde-Kontakts verbessern und so dazu beitragen, dass die Mission reibungslos durchgeführt werden kann und größere Erfolge bei der Weltraumforschung erzielt werden. (Autor: Ma Jie, Bildquelle: NASA, Prüfexperte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)