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Heute senden die Mars Orbiter direkt zur Erde, die Landesonden zumeist über die Orbiter, wobei selbst bei zwei operierenden Orbitern dies auf zweimal 10 Minuten pro Tag beschränkt ist. Für Curiosity rechnet man so mit einem Datenvolumen von 250 MBit pro Tag, es kann je nach Vorbeifluggeometrie bis auf 550 Mbit/Tag anwachsen.
Solange es nur wenige Raumsonden sind, ist dies ein gangbarer Weg. Sollten es jedoch mehr werden, wie z.B. beim Met-Net oder Mars-Net, einem Netzwerk von einem Dutzend kleinen Landesonden, so wäre ein eigener Kommunikationsorbiter sinnvoll. Dasselbe gilt für eine bemannte Marsmission. In diesem Aufsatz will ich einmal skizzieren, wie eine solche Raumsonde aufgebaut werden können.
Die NASA plante sehr lange einen Kommunikationsorbiter denn Start 2009 angesetzt war um die Datenmenge von Landesonden drastisch zu erhöhen, er fiel jedoch den Kürzungen des NASA Etats zum Opfer.
Ohne Formeln zu gebrauchen gibt es einige einfache Zusammenhänge bei der Datenübertragung in jeder Form über Funk. Nehmen wir zuerst mal den allgemeinen Fall: Der Sender sendet sein Signal in alle Richtungen ab und der Empfänger empfängt es aus allen Richtungen. Das nennt man "omnidirektional" oder Rundstrahlantenne( -empfänger. Das ist bei dem terrestrischen Radio z.B. der Fall. dann gilt:
Im Normalfall wird aber zumindest eine Antenne, (es gibt immer eine Sende- und eine Empfangsantenne) eine Richtantenne sein. Das bedeutet sie bündelt das Signal und deckt nur einen kleinen Raumwinkel ab. Eine Rundstrahlantenne deckt einen Raumwinkel von 180 Grad ab. Wenn nun eine Antenne die Signale bündelt (z.B. durch einen Reflektor), dann nimmt der Raumwinkel ab und die Signalstärke pro Fläche steigt an. Dabei gilt:
Da die Bündelung sowohl beim Sender wie Empfänger wirksam ist, bringt es viel, wenn beide Antennen vergrößert werden. Das ist auch der Grund, warum man auf der Erde sehr große Empfangsantennen einsetzt und die Raumsonden zusätzlich Parabolantennen haben. Bei der Sendefrequenz gibt es auch einen Zusammenhang, wenn man die Signale bündelt. Der Öffnungswinkel einer parabolischen Antenne ist bei gegebenem Durchmesser von der Sendefrequenz abhängig. Je höher sie ist desto kleiner ist er und desto stärker bündelt sie den Strahl. Daher ist man im Laufe der Zeit auch zu immer höheren Frequenzbändern übergegangen. Die ersten Raumsonden arbeiteten noch im L-Band (bei unter 1 GHz), später dann im S-Band (2 GHz), bis Ende der siebziger Jahre. Heute ist der Standard das X-Band (8 GHz) und einige Raumsonden nutzen schon das K-Band (32 GHz). Das letztere leidet bei der Erde durch Signalverluste durch Wetterphänomene. das wäre aber beim Mars kein Hindernis. Daher sollte man zumindest für die Strecke Mars - Marsorbit das Ka Band einsetzen.
Ein Kommunikationsorbiter sollte sich in einer geostationären Umlaufbahn um den Mars befinden. Diese liegt in 17.055 km Entfernung zur Marsoberfläche. Deise Umlaufbahn hat eine Rotationsperiode von 24 Stunden 40 Minuten. Der Mars roptiert genauso schnell um seine Achse. In der folge kann man eine Sendeantenne auf eine feste Himmelsposition ausrichten, genauso wie sie das mit ihrer Satellitenschüssel auf einen geostationären Nachrichtensatelliten können. Eine mögliche Vorgehensweise wäre es, den Orbiter zuerst in eine exzentrische Marsumlaufbahn einzubremsen (rund 800 m/s werden dafür benötigt) und dann durch Aerobraking den marsfernsten Punkt auf 17050 km Höhe abzusenken. Danach wird die Bahn in dieser Höhe durch eine weitere Zündung zirkularisiert, wofür rund 700 m/s nötig sind.
Ein Orbiter kann Funksignale von einer Marshemisphäre empfangen. Andere Orbiter haben über mindestens 50% der Umlaufszeit Kontakt mit ihm. Landesonden dagegen haben dauerhaften Kontakt, wenn sie auf der gleichen Hemisphäre liegen, aber gar keinen wenn sie auf der abgewandten Seite liegen (der Längengrad >180 Grad von der Position des Orbiters entfernt ist. In diesem Falle benötigt man zwei Orbiter.
Bei der Kommunikation mit der Erde ist es relativ einfach: Sie bewegt sich in vorgegebener Weise und es gibt nur eine Erde. Daher ist es sinnvoll, hier eine sehr große Empfangsantenne/Sendeantenne einzusetzen. Die größten eingesetzten Antennen sind die 4,8 m großen entfaltbaren Antennen der ersten TDRS-Generation und die 9,14 m Antenne des ATS-6 Satelliten.
Setzt man dann noch das Ka Band, so sollte eine 4,7 m Antenne mit 250 Watt Sendeleistung selbst in 400 Millionen km Entfernung (maximaler Entfernung vom Mars) rund 100 MBit/s zu einer 35 m Empfangsantenne auf der Erde senden können. Im X-Band sind es 7 MBit/s.
Es bietet sich an auch die Daten von Orbitern einzusetzen. Es gibt dafür einige Gründe:
Ein Kommunikationsorbiter kann eine viel größere Antenne mitführen, als ein Orbiter um den Mars. Da die Solarzellen permanent beschienen werden ist auch die Energiebilanz günstiger und eine höhere Sendleistung ist möglich. Alleine durch eine 4,7 m Antenne kann der Kommunikationsorbiter schon zehnmal mehr Daten übertragen als MRO mit seiner 1,5 m Antenne (bei gleicher Sendeleistung). Daher ist es sinnvoll auch die Daten der Orbiter über den Kommunikationsorbiter zu übertragen
Landesonden haben heute zwei Kommunikationsmöglichkeiten: kleine Richtantennen zur Kommunikation mit der Erde (aufgrund räumlicher Beschränkungen bzw. bei Rovern auch durch die Bewegung und damit nötige laufende Neuausrichtung) ist deren Größe Grenzen gesetzt. Die Datenrate zur Erde ist daher heute sehr klein und liegt im Bereich einiger Kilobit/s.
Die wichtigere Kommunikationsmöglichkeit ist die über die marsumrundenden Orbiter. Sie sind nur 300 km von der Landesonde entfernt. Daher ist die Datenrate viel höher, obwohl wegen der schnellen Bewegung über das Firmament nur Rundstrahlantennen und -Empfänger zum Einsatz kommen.
Bei einem festen Orbiter wäre daher es sinnvoll, eine mittelstark bündelnde Antenne einzusetzen, so wie sie für die Kommunikation mit der Erde der Fall ist. Für sie reicht eine grobe Ausrichtung, das ist auch bei einem Rover möglich der seine Position laufend ändert. Eine feste Landestation kann schon mit einer sehr kleinen Parabolantenne sehr hohe Datenraten übertragen.
Für die Kommunikation mit de Erde ist die Sachlage klar: eine einzige große Antenne mit einem starken Sender. Geostationäre Satelliten haben heute Sender mit 250 Watt Sendeleistung, daher sollte man solche auch bei dem Kommunikationsorbiter einsetzen. das ergibt eine Datenrate von mindestens 100 MBit/s im Ka Band und 7 MBit/s im X-Band.
Schwieriger ist die Auslegung für den Empfang von Daten der Landesonden. Es gibt hier zwei Ansätze:
Ich kann für jede Landesonde eine eigene Empfangsantenne vorsehen, die wenn sie eine verstärkende Wirkung haben, bei Orbitern nachgeführt werden müssen, Bei Landesonden ist dies nicht nötig. Solange ich wenige Raumsonden habe, ist dies ein gangbarer Weg. Zum Zeitpunkt wo ich diesen Artikel schreibe, sind zwei Orbiter und zwei Lander aktiv. Wenn ich auf einer 1,5 x 1,5 m Fläche (der Abmessung von Mars Express) neun Antennen von 35 cm Größe unterbringe (für die Verfolgung von neun Raumsonden), dann kann ich bei 5 Watt Sonderleistung der Landesonden und einer nur mittelstark verstärkenden Sendeantenne (hier als Beispiel die von Curiosity angesetzt, 25 Grad Öffnungswinkel, 15 Watt Sendeleistung) rund 600 kbit/s übertragen. Die 250 MBit die heute das "Tagespensum" sind, wären so in 417 s übertragen. Nur eine Stunde Sendezeit pro Tag würden also die Datenmenge um das achtfache steigern.
MRO würde mit seiner 1,5 m Antenne und 30 Watt Sendeleistung 567 MBit/s übertragen können - das zeigt dass man bei den Orbitern die Antennen deutlich verkleinern kann.
Wenn es sehr viele Raumsonden sind, dann ist dieser Ansatz unpraktisch. Dann ist es sinnvoller eine große Richtantenne einzusetzen und jede Landesonde / jeder Orbiter bekommt einen Zeitschlitz pro Tag. Wenn eine 1,5 m Antenne zum Einsatz kommt und jede Landesonde 1 Stunde senden darf wäre es sicher möglich 20-23 Raumsonden zu überwachen. Da eine 1,5 m Antenne rund 18-mal mehr Fläche als die obige 0,35 m Antenne hat, wird sie sogar mehr Daten empfangen als die 0,35 m Antenne, weil jeder Orbiter/Landesonde nicht dauernd Daten sendet, sondern auch andere Operationen anstehen. In einer Stunde könnte eine 1,5 m Antenne rund 40 GBit von Curiosity empfangen - rund die 160-fache Datenmenge die heute über die Orbiter möglich ist.
Eine Rundstrahlantenne wäre die schlechteste Lösung im Orbiter, da er zu weit entfernt ist. Wenn man eine Mittelgewinnantenne mit 25 Grad Öffnung einsetzt (sie deckt den gesamten Mars und Umlaufbahnen bis 320 km Höhe ab), dann könnte Curiositys Sendesystem rund 1 MBit/s übertragen. Das ist halb so viel wie über MRO, jedoch gäbe es mehr Zeit. Der MRO könnte rund 80 MBit/s übertragen. Eine derartige Mittelgewinnantenne erlaubt es von allen Raumsonden gleichzeitig Daten zu empfangen. Wenn man den verfügbaren Bereich für Sende/Empfangsfrequenzen aufteilt, z.B. jede Sonde einen 10 MHz Kanal erhält, dann könnte ein Empfangssystem Daten von vielen Raumsonden zugleich empfangen.
In 17400 km Höhe kann der Orbiter keine hochauflösenden Marsaufnahmen anfertigen, aber er kann tägliche Wetteraufnahmen anfertigen. Er braucht dazu kein hochauflösendes Instrument: Aus der Bahn in 17055 km Höhe hat der Mars eine Größe von knapp 23 Grad, ein leichtes Teleobjektiv, entsprechend einer Brennweite von 70 mm im Kleinbildformat würde ihn formatfüllend abbilden. Eine solche Kamera wiegt nicht viel, ihre Konstruktion ist vergleichbar den Mastcams an Bord von Curiosity. Jede dieser wiegt nur 1 kg, es wäre so ohne Probleme möglich 12 dieser Kameras mit je einem 9 MPixel Sensor einzusetzen. Jede hat einen eigenen Filter (macht ein mechanisch anfälliges Filterrad überflüssig) und wenn sie jede Stunde seine Aufnahme anfertigt, so kommt eine Datenmenge von 31 GBit zusätzlich jeden Tag dazu, dass sind bei 6 Stunden Sendezeit rund 1,3% der gesamten Datenmenge also durchaus verschmerzbar. Selbst bei dem größten, derzeit verfügbaren Kodal CCD dem KAI-29050 (mit 4384² ausgelesen Pixels) wären es nur 3,1% der Datenmenge im marsfernsten Punkt.
Das könnte man ergänzen um ein Instrument das erheblich höhere Datenraten liefert, z.B. ein abbildendes Vis-IR Spektrometer. Ein abbildendes Instrument das sowohl einen Silizium-CCD (Bereich 0,3 bis 1,6 µm) wie einen HgCdTe CCD (Bereich 1,6 bis 5 µm) von je 1MP Größe liefert einen Datenkubus von 1024³ Punkten, mithin 12 GBit bei 12 Bits/Pixel.
Setzt man 10% der Gesamtdatenmenge als Grenze für die Instrumente des Orbiters, so kann dieser im marsfernsten Punkt übertragen:
Der Satellit umrundet den Mars auf einer Umlaufbahn, nur 3009 km vom Marsmond Deimos entfernt. Das ermöglicht es die marszugewandte Seite des Satelliten besser zu erfassen. Denkbar wäre es auch das Aerobraking zu unterbrechen wenn eine 300 x 20.100 km Bahn erreicht ist und auf dieser einige nahe Deimosvorbeiflüge durchzuführen. Mit einem sehr einfachen Teleskop, wie z.B. der LORRI-Kamera von New Horizons, kann aus 3100 km Entfernung eine Auflösung von 15,5 m erreicht werden. Die bisher besten Aufnahmen vom MRO haben eine Auflösung von 20 m. Vorbeiflüge in geringerer Distanz könnten deutlich bessere Aufnahmen ergeben.
Angenommen sei, dass der Satellit auf Mars Express basiert. Dieser wog 680 kg und kann 600 kg Treibstoff aufnehmen, genug für die Mission. Es müssen 116 kg für die wegfallenden Experimente abgezogen werden. Dafür kommen hinzu:
100 kg für eine 4,7 m Antenne und leistungsfähige Verstärker (die 1,5 m Antenne von Mars Express wird für den Empfang genutzt)
50 kg für die Experimente
So erhält man eine Trockenmasse von 714 kg. Bei einer geplanten Geschwindigkeitskorrektur um 1600 m/s kommen dann noch 481 kg Treibstoff hinzu, womit man bei einer Gesamtstartmasse von 1.195 kg ist.
Da es keine US-Trägerrakete gibt die derzeit diese Fracht zum Mars bringen kann. Die Delta II die es könnte wurde ausgemustert. Falcon 9 und Atlas V oder Boeing 4 sind zu leistungsfähig. Daher ist es am sinnvollsten zwei Satelliten gleichzeitig zu starten, die dann 2.390 kg wiegen. Dafür wäre aber eine Sylda-5 notwendig, wie sie für Ariane zur Verfügung steht. Der Atlas Adapter für Doppelnutzlasten hat einen zu kleinen Durchmesser von 122 cm. Rechnet man noch 500 kg für eine Sylda-5 dazu, so ist man bei 2.890 kg. Eine Atlas V 511 hat die dafür notwendige Nutzlast. Eine Boeing 4M+ (4,2) käme auch in Frage. Wenn das Projekt international angegangen wird könnte der Start auch mit einer airane 5 (Maximalnutzlast 4,6 t im Einzelstart) oder Proton (4,5 t) erfolgen.
Der Nachbau von Mars Express kostet basierend auf den Zahlen von Venus Express 82,4 Millionen Euro. Dazu kommt dann noch die Kommunikationsausrüstung und die Experimente. Das sollen weitere 50 Millionen Euro sein. Das sind bei zwei Orbitern dann rund 264,8 Millionen Euro. Dazu kommt noch der Start. Nehmen wir an, er erfolgt mit der Ariane 5, so sind dies weitere 160 Millionen Euro. Das sind 424,8 Millionen Euro. Dazu kämen dann noch Missionskosten, die man mit rund 20-40 Millionen Euro pro Jahr ansetzen kann.
Was dem entgegensteht ist dass bei zwei Orbitern die Datenmenge die zur Erde transferiert werden kann rund 30-mal größer ist als beim leistungsfähigeren der beiden Marsorbitern, dem MRO. Bei den Landesonden ist der Sprung noch viel größer, weil der Funkkontrakt nun viel länger gegeben ist. Als Nebeneffekt hat man auch einen Marswettersatellit mit besseren Fähigkeiten als der MRO und seiner Weitwinkelkamera.
Die Datenrate ist sogar so hoch, dass die Übertragung von Videosignalen möglich ist. DVB-S Video hat eine Datenrate von 4-5 MBit/s, DVD eine von 6 MBit/s und BluyRay bei Full-HD eine Datenrate von 36 MBit/s. Das ist noch deutlich unter dem was selbst im marsfernsten Punkt über eine 4,7 m Antenne mit 250 Watt Sendeleistung (entsprechend den TWTA von geostationären Kommunikationssatelliten) übertragen werden kann, womit man zu einem weiteren Punkt kommt - wenn es eine bemannte Marsmission gibt, spätestens dann wird man einen solchen Satelliten benötigen, weil nur er eine dauerhafte Verbindung mit hoher Datenrate ermöglicht. Dazu braucht man auf dem Mars nur eine Parabolantenne mit 13 cm Durchmesser um Video mit BlueRay Datenqualität zum Satelliten zu übertragen.
Da eine bemannte Landung wahrscheinlich der Abschluss eine längeren Erforschung ist, wir aber von irdischen Kommunikationssatelliten wissen, dass sie 10-15 Jahre lang arbeiten können, wäre es sinnvoll ihn rechtzeitig vorher zu starten und dann für die vorhergehenden Sonden zu nutzen um deren Datenausbeute entscheidend zu verbessern.
Der Vergleich mit dem Mars Telecommunications Orbiter
Dieser 2005 gestrichene Orbiter hatte folgende Kenndaten:
Die Datenrate ist konsistent mit meinen Berechnungen, berücksichtigt man die größere Antenne (100 MBit/s mit einer 4,7 m Antenne entsprechen 18 MBit mit einer 2 m Antenne und 40 MBit mit einer 3 m Antenne. Das gilt auch für die Datenrate von Curiosity. Er ist deutlich schwerer, aber er war auch für den Einzelstart mit einer Atlas V vorgesehen und setzte kein Aerobraking ein, sodass er mehr Treibstoff benötigt. Die kosten von 500 Millionen Dollar (2005 entsprechend rund 360 Millionen Euro) sind dann auch vergleichbar für eine 6 Jahres Mission bei einem Orbiter.
Der Telecommunications Orbiter hätte dabei im X-Band operiert, also nicht mal das Ka Band genutzt (zumindest bei der Richtung Mars-Orbit eine sinnvolle Wahl, beim Übertragen zur Erde muss man weil es nur zu 70% der Zeit verfügbar ist und 30% der Zeit das Wetter den Empfang stört Reserven vorsehen, also die Daten erst zwischenspeichern und von der Erde bestätigen lassen dass der empfang einwandfrei ist, und dann die Daten aus dem Speicher löschen. Angesichts dessen das heute Solid-State Disks 256 GByte fassen, robust sind, kaum Strom benötigen und leicht sind, ist das kein Problem.
Artikel verfasst am 11.8.2012
Artikel zuletzt geändert am 11.8.2012
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