題:
我們可以使用狹窄的範式(例如激光)從New Horizo​​ns更快地獲取信息嗎? (帶有月球底座。)
Fattie
2019-01-03 19:11:42 UTC
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實際上是關於天文學的一個問題,為什麼來自新視野的數據速率較低。

當然,即使使用定向性最強的無線電天線,其傳播範圍也很大。

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從概念上講,我猜想某種激光信號系統的傳播範圍會大大減少。 (或者零擴散?我不知道。)

由於地球已經出現了垃圾,我建議

  • 在《新視野》雜誌上,某種激光調製解調器

  • 在我們的月上,某種激光調製解調器接收基地

這裡的數字是多少?如果(1)New Horizo​​ns的可用功率為1 NHPU,則我的方案需要多少個NHPU?壓倒性的是太多還是“更多”? (就此而言,它要少很多嗎?例如,“一個非常好的LED”或類似的LED嗎?畢竟,定向抽像上可以節省大量的能源。)

月底激光器需要多麼複雜成為?我的意思是,(2)它會“出人意料地小”,而不是無線電天線所需的大尺寸。基本上是...........望遠鏡嗎?用200美元的尼康相機機身粘上去,或者“激光接收器”與“帶CCD的望遠鏡”有所不同?)

因此,月球基礎激光儀會成為一個便宜的設備嗎(我在想例如,汽車的大小),我們可以使用當前的系統輕鬆地將其投放到月球上,或者更像是“大型結構”。即有點像當前的大型地球望遠鏡?

我知道我們已經有(微妙的)設備,可以接收從月球鏡上反射回來的激光……這些設備中的一個可以現成的可以完成這項工作嗎?或...?

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在我們目前令人敬畏的無線電發射器中,隨著航天器的進一步發展,它們需要變得更大(更大)...(3)月球基地激光器是否會出現這種情況,或者問題不會那麼嚴重嗎?接收/數據速率與通過我們的太陽系移動的飛船(“因為激光是定向的!”)差不多還是全部錯了?

有人提出過,還是我們提出了(4 )已經使用了太空中的激光式通信?

除了“激光”以外,還有其他我不知道的窄範式通信概念嗎?

(我想像LISA那樣的擬議多機艦隊確實可以做到這一點,對吧?)

摘要,

  • 該方案需要多少NHPU電源?量級是多少?

  • Moon Base Receiver的大小範例是什麼?手提箱大小?

  • 月球基地接收器的尺寸必須隨著太陽系中距離的增加而急劇增加(無線電發射皿也是如此)

  • 我們已經做到了嗎?

  • ol>

    PS我只是假設這對地球是毫無價值的,因此,我只是假設一個月球接收器(


    動作更新!:目前最好的答案似乎是“它將提供100kb / s而不是1kb / s(使用相同的功率12W)”

    PS我已經很熟悉“點亮月亮” xkcd :)
    糟糕:我看錯了一頁:這張照片是從190萬公里的遠處拍的。
    抱歉,我完全錯了(我也很驚訝)。谷歌搜索“到Ultima Thule的距離”給[本頁](https://www.google.com/search?q=distance+to+ultima+Thule&rlz=1C1GCEU_zh-CNGBGB824GB826&oq=distance+to+ultima+Thule&aqs=chrome。 69i57.4656j0j9&sourceid = chrome&ie = UTF-8)(對我來說)是指距地球到UT的距離為190萬公里。但是,[此頁面](https://www.space.com/39287-new-horizo​​ns-2014-mu69-flyby-2019.html)表示,這是6.4 **十億**公里,這更有意義。這使係數提高了16650倍!
    當然,我經常錯很多:)我會委託清理
    好吧,將“ 2.5”乘以“約10,000”得到“約2萬”。
    我想補充一點,激光將需要更多的功率才能運行。方向性方面的增強將以泵浦或始終運行激光系統為代價來實現。我認為實際的通信速度受可用功率的限制。沒有先驗的限制,就可以像下面的各種答案和評論中那樣爭論。但是我懷疑在當前情況下存在功率限制。
    五 答案:
    PearsonArtPhoto
    2019-01-03 19:43:17 UTC
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    這絕對有可能發生,但與New Horizo​​ns相比,它需要更精確的指向。對於高數據分辨率,某種激光器是最好的。在通信中使用激光最多的航天器是 Lunar Reconnaissance Orbiter。長期以來,人們一直把它當作火星通信衛星的目標,這將允許從火星返回更多數據。問題在於指向的要求非常極端,您甚至必須知道要瞄準地球上的哪個位置,激光束不會覆蓋火星上的整個地球。例如,MRO的指向精度要求為 0.0032 mrad。激光系統的指向要求實際上與此要求相似,但是它們需要更多時間的穩定性。 HiRISE只需要幾毫秒的時間,而激光通信系統基本上是無限期需要的。

    就New Horizo​​ns而言,它是不需要的。是的,要花很長時間才能取回數據,但這不成問題,需要等待很多時間。

    作為參考,激光電源系統通常比基於無線電的電源需要更少的電源系統,因為它們可以更直接地廣播功率,從而減少功率消耗。

    非常有趣,謝謝。我對Q.1也特別感興趣!很明顯,在當前示例中“實際上並不需要”!新年快樂。
    我們確實非常擅長於指點-例如考慮GAIA ....... ??沒有?還是那可能是一個更大得多的系統,我只是不知道?
    添加了更多詳細信息。當然可以做到這一點,但是只有最高端的成像衛星才能夠準確地指出這一點,而且其中許多都不會持續很長時間。
    我不同意您關於功耗的說法。激光器,甚至激光二極管,並不是特別有效。它們提供的是高數據速率的可能性,但這將需要在發射機後方具有高數據速率的電子設備,這是另一種耗電的操作。 NH正在“冒煙”,即使激光部件是免費的,它甚至也無法生成GHz消息。
    @Fattie這個問題之間的區別是GAIA,這是經過大量數據分析後以極高的準確性“知道您的位置”和以相同的準確性“控制您現在的位置”之間的差異。它有點白堊和奶酪。
    @SteveLinton-足夠公平
    我確實同意,要支持高數據速度,可能不僅僅需要激光通訊,而且一般來說,如果您指向下方,並用激光系統替換RF,您將使用較少的功率。您可能無法獲得瘋狂的數據速率,但是New Horizo​​ns數據速率現在確實很低...
    “只是不需要。” *!*它將到達這裡,每個人都在放鬆。我等了30年,等待旅行者離開太陽系,你們都可以等2個月。
    記錄下來,是20個月,而不是2個月。最好是2個月,但是20個月才能使一切都恢復正常。但是,是的
    Steve Linton
    2019-01-03 21:07:39 UTC
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    讓我們嘗試做一些數字。我們將需要做一些假設。我將選擇一個使計算容易的假設,變化可能會導致答案中10或100的變化。

    1. 接近IR使用LORRI望遠鏡發射的,波長為 $ 1 \ mu m $ span>
    2. NH的激光,孔徑約為20cm。我們知道NH可以精確地指向該望遠鏡,將其對準目標。
    3. 在地球軌道上的探測器(我認為比月球更容易)與JWST相同,帶有6m反射鏡。
    4. 目標是每位10個光子撞擊檢測器,以確保從噪聲中拾取信號。
    5. ol>

      因此,我們現在得到的光束寬度為 $ 1 \ mu m / 20cm = 5 \ mu Rad $ span>

      在60億公里處,這是地球附近的波束寬度”> 30000公里$ span>。

      因此我們的檢測器拾取了 $ \ left(6m / 30000km \ right)^ 2 = 4 \ x 10 ^ {-14} $ span>

      因此,我們需要每位傳輸大約 $ 2.5 \乘以10 ^ {14} $ span>光子。

      在在此波長下,一個光子的能量約為 $ 2 \乘以10 ^ {-19} $ span>焦耳,因此我們必須傳輸 $ 5 \×10 ^ {-5} $ span>焦耳每比特激光的光強。使用與當前無線電發射器相同的功率(12W),假設有非常高效的激光,我們可以管理大約 $ 240 kb / s $ span>,大約是10%到50%。實踐。使用RTG(190W)的100%功率,我們可能會得到3 Mb / s的速度,依此類推。

    這真太了不起了。
    等待..,所以“ 3 mbs”是這裡的標題號碼。使用當前的無線電系統,我們獲得大約“ 1 kbs”作為標題編號..對嗎? *而且我們甚至都沒有建立月球基地*:O
    -1
    相比較而言,無線系統可達到的數字為120kbit / s(50%的有效激光,與電流發送器的功率相同)。與第1/3000窄光束相比,實際上是出乎意料的小改進。低波長光確實具有與長波無線電信號相比,每個相同能量的光子少得多的缺點。
    @Fattie,,但是的,他們確實想及時轉移到深空任務的激光通訊中。要做正確的事情只是很多工程,如果搞砸了,就會損失十億美元的太空探測器。正如有人已經說過的那樣,對於NH來說根本沒有急事。
    @jpa,到此也有70m的無線電接收器,我有點樂觀地假設有600萬個IR接收器。
    @SteveLinton-了解,棒極了
    我不知道是否有(模糊)沒有(月亮)有月球/軌道基地,而只有地面基地的“有多糟”的模糊因素。是由於我們的氣氛而導致的“兩倍差”還是“ 10,000 x差”?
    -1
    對於IR來說,您的身高會有很大的不同。您的主要敵人是水蒸氣。從高沙漠中典型的天文站點來看,不會有太大的不同。另一方面,基於6m的地面望遠鏡也非常昂貴,並且您需要NH才能可見。
    有誰知道,什麼僅僅是激光束的“角展”?是“ .1度”還是“ 4度”還是一度的百萬分之一-還是什麼?
    @Fattie這取決於激光。根據用於對準光束的最終透鏡或反射鏡的尺寸,可以給出的最佳值是最小值,即激光的波長除以透鏡直徑的弧度(1弧度為180 / $ \ pi $或大約57度)。
    WhatRoughBeast
    2019-01-04 01:38:19 UTC
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    史蒂夫·林頓(Steve Linton)的回答很好,儘管可能有些保守。信息已經在實驗室中通過激光以每光子1位的速率傳輸。對於提議的用途,必須明確指出錯誤檢測和糾正代碼。 blockquote>

    對兩者都可以,儘管只是勉強。 2013年,月球激光通信示範成功地執行了LADEE任務。在深空飛行任務中利用技術的交付週期很長,至少十年,因此使用該技術的實際飛行任務還需要一段時間。儘管如此,天文學家還是對高分辨率,高幀頻圖像的想法垂涎三尺。

    這是一個很好的鏈接!謝謝。我很高興看到我們擁有LASERCOMM! :)
    -1
    太棒了!我們需要一個MOONLASERCOMM
    jpa
    2019-01-03 20:43:26 UTC
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    這與天線增益的概念密切相關,天線增益通過無線電傳輸測量天線可以聚焦的波束寬度。光束越窄,您需要指向的準確度就越高。

    但是,任何激光或無線電光束仍會發散-它將傳播得越遠。光束以相同的速度散佈,每次距離增加一倍,光束直徑就會增加一倍。這導致光束的面積增加距離的平方,從而給出平方反比定律

    更窄的光束只會提高初始信號功率,例如光束面積小10倍,將提供10倍的發射功率。當您到達柯伊伯帶時,信號強度只有月球軌道強度的1/400 000 000。相比之下,窄光束改善了10倍甚至100倍。

    或更簡單地說:窄光束速度更快,但是當走得那麼遠時,它會很慢無論如何。

    ?但是,與最佳定向無線電相比,激光的散佈少了數百萬倍或數十億倍。
    等待-激光器*不*以平方反比定律散開。對?
    與之相比,窄光束改善了10倍甚至100倍。 ....等等..所以您是說建議的方案將“僅”(做什麼?!)提供100倍的改進?抱歉,我沒有真正得到這個答案,因為它並沒有真正解決以下問題:***什麼是***潛在的數量級改進,花費多少(能源等) 。
    他們只是用@Fattie來做,僅僅是一個小型激光器(如激光指示器)可以產生僅在很長一段距離(英里)內明顯發散的光束,而您需要一個相當大的無線電天線來完成相同的工作。重要的數字是輻射波長與望遠鏡/天線直徑的比率。對於具有1mm透鏡的綠色激光指示器,該比率約為2000。要實現2.4GHz(WiFi)的相同比率,您需要一個200米寬的天線(世界上最大的射電望遠鏡之一)。
    @Fattie有很多潛在的改進。小型的低功率激光器可能具有特定的波束寬度,重量等。大型的拋物線形無線電天線可能具有其他寬度,重量等。我想有人可能會找到一些示例值,但我確信任務設計師已經嘗試過已經找到最佳的。
    嗨,@SteveLinton,我真的很感激,但是...就像您說的那樣,10美元的激光僅在*英里*內散佈數米。這比平方反比好得多。您的第二個示例似乎表明它要好20萬倍。或者其他的東西。我想,我根本就沒有跟隨:對不起。
    -1
    @Fattie它仍然是平方,倒數是兩倍,延伸到四倍(平方米)。冪定律是相同的,常數只是較低
    @SteveLinton .......我明白了。好的,因此常數(明顯)較低...感謝您的解釋。
    “將光束面積縮小10倍將提供10倍的傳輸功率”是不正確的。較小的光束10倍提供*完全相同的*激光功率(節省能量),但強度為100倍(每單位面積的功率)。
    這個答案導致了將邊際改進與絕對大小進行比較的錯誤,並且由於信號非常微弱,因此斷言將接收信號增強100倍沒有任何意義。但這絕對意味著:信號速率大約是數據速率的100倍,因為信號現在更容易與噪聲區分開!
    Acccumulation
    2019-01-03 21:40:55 UTC
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    如果要將激光精確地指向地球上的某個點,則需要知道每個光子的確切橫向動量。不確定性原則表示,為此,您必須對其橫向位置具有無限的不確定性,這意味著您需要無限大的發射器。

    作為光束擴展的粗略數量級估計,您需要可以取(距離光束的傳播)*(光的波長)/(發射器的寬度)。 New Horizo​​ns距離6 * 10 ^ 12 m,寬約2 m。可見光的波長約為5 * 10 ^ -7。因此,可見光譜中的激光的下界的擴散範圍約為3000 km。因此,要回答第二個問題,即使您可以建立一個散度很低的激光並將其精確瞄準地球上的一個點,也要精確地打擊接收器,除非接收器的大小與月球大小相同,否則會違反基本物理原理。 ,並回答您的第三個問題,隨著《新視野》越來越遠,尺寸會增加。波長越小,產生每個光子所需的功率就越大。

    所以第三個問題的答案是肯定的,即使是激光器也需要

    @CarlWitthoft關心詳細嗎?
    等等什麼如果將激光精確地指向地球上的某個點,您不知道它的確切位置嗎?
    @JMac您不知道光子的確切位置,不。您無法將激光精確對準目標。這就是我的答案。
    -1
    -1
    @Acccumulation您是否還不需要知道它的確切位置?我不是在說這是可能的,只是與您試圖傳達的內容相比,措辭似乎真的很糟糕。
    @Jmac“您還不需要確切地知道其位置嗎?” -我相信答案可能就是這樣。
    這個答案似乎是假設激光器將是完全無意義的,除非基本上所有光束都被接收了,並使用衍射極限光斑尺寸的近似表示來證明接收整個光束是不切實際的。但是,由於通常的無線電通信僅接收到很小一部分發射功率,因此即使接收0.01%的激光束(例如,在500米光斑中有5米反射鏡)也將是一個巨大的進步。
    到新視野的距離是錯誤的。大約$ 6 \乘以10 ^ {12} $米。
    @NathanTuggy這個問題詢問接收器必須有多大,以及隨著“新視野”越來越遠,接收器的大小是否會增加。我回答了這些問題。
    @Acccumulation:當問題對問題的理解令人困惑或錯誤時,這是一個正確答案的工作,它可以糾正和澄清問題,而不是盲目地追隨問題的無知而產生誤導或錯誤的答案。 (畢竟,從定義上講,人們希望問題會變得有些無知!)結論是,有用的激光接收器的寬度必須達到一公里的大部分,這是完全錯誤的。


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