KU Leuven

Communicatie met een ruimtetuig

Student:Luc Van LeuvenJan Peeters

Begeleiders:Patrick Colleman

1 mei 201x

Inhoudsopgave

1 Inleiding 5

2 Communicatie met een ruimtemissie 52.1 Wat is het ’Deep Space Network’? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Wat is de uplink en de downlink bij een ’Deep Space Network’? . . . . . . . . . . 52.3 Wat zijn radiogolven en hoe bevatten deze informatie? . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3.1 Amplitudemodulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3.2 Frequentiemodulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Hoe werken schotelantennes? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5 Waarom is communicatie met ruimtetuigen op grote afstand moeilijker? . . . . . 9

3 Geplande ruimtevluchten 10

4 Besluit 10

1

Lijst van figuren

1 Elektromagnetische straling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Voortplanting elektromagnetische golf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Radiospectrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 AM modulatie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 FM modulatie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Doorsnede van een paraboolantenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Effelsberg telescoop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2

Lijst van tabellen

1 Land, jaartal en naam van enkele toekomstige missies. . . . . . . . . . . . . . . . 10

3

Lijst van afkortingen

AM Amplitudemodulatie (Amplitude Modulation)DSN Deep Space NetworkFM Frequentiemodulatie (Frequency Modulation)NASA National Aeronautics and Space Administration

4

1 Inleiding

Communicatie met een ruimtetuig (voor bijvoorbeeld een Marsmissie) is cruciaal voor de goedewerking van een verblijf in de ruimte om verschillende redenen. Enerzijds superviseert hetcontrolecentrum op aarde de werking van de missie aan de hand van de resultaten van proeven,foto’s, meetwaarden, ... en anderzijds geeft het opdrachten door aan de bemanning en bestuurthet ruimtetuig.

De enige manier om te communiceren met een toestel in de ruimte zijn radiogolven.

Dit rapport gaat over een aantal principes om deze communicatie te realiseren. In een eerstedeel gaat het over een beschrijving van het ‘Deep Space Network’ met het doel en de werkingvan de up- en downlink. In een tweede deel gaat het dieper in op fundamentelere onderwerpenzoals allereerst “Wat zijn radiogolven en hoe bevatten deze de informatie?”, vervolgens op “Hoewerken schotelantennes?” om te eindigen met “Waarom is communicatie met ruimtetuigen opgrote afstand moeilijk?”.

2 Communicatie met een ruimtemissie

2.1 Wat is het ’Deep Space Network’?

Het ‘Deep Space Network’ (DSN), dat sinds 1958 als een onderdeel van NASA (National Aero-nautics and Space Administration) bestaat, is een internationaal netwerk dat door middel vandrie gigantische antennes op de aarde communicatie mogelijk maakt met satellieten of ruimte-tuigen [1]. Het eerste deep-space communicatiecentrum is te vinden in de Mojave-woestijn inCalifornie nabij Goldstone, een tweede nabij Madrid in Spanje en een derde in Canberra, Au-stralie. Door deze geografische spreiding, telkens ongeveer 120◦ verder op de aardbol, is steedscommunicatie mogelijk met om het even waar in de ruimte [2].

2.2 Wat is de uplink en de downlink bij een ’Deep Space Net-work’?

De uplink is het verzenden van informatie vanop aarde naar een ruimtetuig. De uplink doet eenupload. De downlink gaat in de andere richting: van een ruimtetuig naar de aarde. Deze doeteen download. De vertraging is de tijd die verstrijkt tussen het verzenden en ontvangen van eensignaal. Radiogolven zijn, net zoals licht, elektromagnetische golven. De voortplantingssnelheidis voor radiogolven 3.108 meter per seconde in lucht of het luchtledige. Dit lijkt snel, maaris eigenlijk (relatief) traag wegens de enorme te overbruggen afstanden [3]. Deze afstand isbijvoorbeeld gemiddeld 384 450 km tot de maan [4] en 230 000 000 km tot Mars [5].

5

2.3 Wat zijn radiogolven en hoe bevatten deze informatie?

Elektromagnetische golven zijn, op basis van hun frequentie of golflengte, onder te verdelen inradiogolven, microgolven, lichtstralen, rontgenstralen, gammastraling, . . . [6], zoals te zien infiguur 1 op bladzijde 6.

Figuur 1: Elektromagnetische straling.

[7]

De frequentie f van radiogolven is het aantal keer per seconde dat het signaal maximaal wordt.De eenheid van frequentie is Hz (Hertz). De golflengte is de afstand tussen een maximum enhet volgende maximum van het signaal. De elektrische en magnetische component en voortplan-tingsrichting zijn te zien in figuur 2 op bladzijde 6.

Figuur 2: Voortplanting elektromagnetische golf.

[8]

Een zeer belangrijk verband tussen de frequentie f en de golflengte λ is: v = fλ, met v devoortplantingssnelheid van de golf [8]. Bij een grotere golflengte zijn de golven immers brederen duurt het dus langer eer een volledige golf ergens voorbij komt (lagere frequentie). Deze tijdis de periode T. Er geldt: T = 1

f . De golflengte van zichtbaar licht is (veel) kleiner dan van

radiogolven: ordegrootte 10−6 meter.

Radiogolven voor radio en TV hebben dan weer een grotere golflengte dan radiogolven voorcommunicatie in de ruimte. Bij deze laatste is de golflengte zeer klein: ongeveer een centimeter.

Een radiogolf voldoet aan de uitdrukking:

v = A sin(ωt+ φ)

6

Figuur 3: Radiospectrum.

[9]

Dit impliceert dat een golf informatie kan bevatten door ofwel de amplitude A ofwel de hoek (ωt+φ) ofwel eventueel een combinatie van amplitude en hoek te veranderen. Bij amplitudemodulatie(AM) bevat de amplitude de informatie en bij frequentiemodulatie (FM) is dat ω [10]. Hierbijis ω = 2πf . Een variante op frequentiemodulatie is fasemodulatie (PM). Bij fasemodulatie is defase een functie van het door te sturen signaal.

2.3.1 Amplitudemodulatie

Bij amplitudemodulatie [11] (AM) is de golfvorm het resultaat van een hoogfrequent signaal,de draaggolf met een vaste frequentie, waarvan de amplitude veranderlijk is naargelang de doorte zenden informatie. Een positief (audio)signaal levert een iets hogere draaggolfamplitude, eennegatief signaal levert een iets lagere draaggolfamplitude. Wiskundig is de amplitude van dedraaggolf gelijk aan de som van een constant signaal (gelijkspanning) met het door te zendensignaal. De mate waarin de draaggolf het bronsignaal volgt, heet de modulatiediepte, uitgedruktin procenten van de ongemoduleerde draaggolf. Deze is steeds kleiner dan 1. Figuur 4 opbladzijde 7 toont een informatiesignaal, de ongemoduleerde draaggolf (carrier in het Engels) enten slotte het resulterend signaal.

Figuur 4: AM modulatie.

[12]

7

2.3.2 Frequentiemodulatie

Bij frequentiemodulatie [11] (FM) is de bekomen golfvorm opnieuw het resultaat van een hoog-frequent signaal, de draaggolf, maar waarbij nu de amplitude constant is en de frequentie veran-derlijk naargelang de door te zenden informatie. Hoe hoger de amplitude van het door te zendensignaal, hoe hoger de frequentie van de aangepaste draaggolf. Frequentiemodulatie is mindergevoelig aan ruis dan amplitudemodulatie. Daar staat wel tegenover dat een FM-signaal bijeen gegeven bronsignaal in het algemeen, afhankelijk van de modulatie-index, veel meer band-breedte nodig heeft dan een AM-signaal. Figuur 5 op bladzijde 8 toont een informatiesignaal,de ongemoduleerde draaggolf (carrier in het Engels) en ten slotte het resulterend signaal (degemoduleerde draaggolf).

Figuur 5: FM modulatie.

[13]

2.4 Hoe werken schotelantennes?

Elk type antenne heeft zijn toepassingsgebied. Voor communicatie met een ruimtetuig, zijnalleen schotelantennes bruikbaar [11]. De reden hiervoor is dat alleen schotelantennes hun energiein een welbepaalde enge bundel kunnen verzenden.

Schotelantennes hebben een parabolische vorm, zoals te zien in figuur 6 op bladzijde 9. Eeneigenschap van deze vorm is dat alle signaalenergie die erop invalt, wordt geconcentreerd inhet brandpunt (focus) en omgekeerd dat alle energie die vertrekt vanuit het brandpunt naar deparabool, verder reist in een zeer gericht signaal.

Kenmerkend voor schotelantennes is dat ze werken bij hoge frequenties en bijgevolg kleine golf-lengten.

Een antenne heeft als doel zoveel mogelijk het signaal in een richting te sturen. Dit lukt beternaarmate de golflengte kleiner en de antenne groter is. Communicatie in de ruimte vereistbijgevolg kleine golflengten en dus hoge frequenties. De antennes voor het Deep Space Networkzijn bovendien zeer groot!

8

Figuur 6: Doorsnede van een paraboolantenne.

[11]

2.5 Waarom is communicatie met ruimtetuigen op grote afstandmoeilijker?

De oppervlakte van een bol is gelijk aan 4πr2. Het ontvangen signaal op een bepaalde afstand rvan de antenne is bijgevolg omgekeerd evenredig met r2 of dus evenredig met r−2. Wanneer deafstand dus verdubbelt, verkleint het vermogen van het signaal al vier keer!

In het geval van communicatie met een ruimtetuig is de afstand zeer groot. Het ontvangen signaalis bijgevolg zeer klein en dus moet de schotelantenne zeer groot zijn om toch maar voldoendeinvallend vermogen te kunnen verzamelen in het brandpunt [14]. Een voorbeeld hiervan is figuur7 op bladzijde 9.

Figuur 7: Effelsberg telescoop.

[15]

9

3 Geplande ruimtevluchten

Een overzicht van toekomstige ruimtemissies naar de maan kan je vinden in tabel 1 op bladzijde10.

Land Jaar Missie

India 2018 Chandrayaan-2Verenigde Staten 2018 Lunar FlashlightVerenigde Staten 2018 Lunar Ice Cube

Japan 2019 SLIMZuid-Korea 2020 Moon orbiter

Verenigd Koninkrijk 2024 Lunar Mission One

Tabel 1: Land, jaartal en naam van enkele toekomstige missies.

[16]

4 Besluit

Communicatie met een missie naar Mars is zeker mogelijk dankzij de zeer grote schotelantennesvan het ‘Deep Space Network’. Deze antennes kunnen permanent voldoende sterke signalen uitde ruimte ontvangen of naar de ruimte versturen dankzij hun grote afmetingen, hun geografischespreiding en de gebruikte frequenties. Amplitudemodulatie of frequentiemodulatie zijn bruikbaretechnieken om de signalen uit te zenden of te ontvangen.

10

Referenties

[1] M. D. (2005, 22 juli) Deep space network history. [Online]. Available: https://deepspace.jpl.nasa.gov/dsn/history/

[2] C. K. Nasa centra: Deep space network. [Online]. Available:http://www.spacepage.be/artikelen/ruimtevaart/ruimtevaartorganisaties/national-aeronautics-space-administration-nasa/nasa-centra-deep-space-network

[3] What are uplink and downlink? [Online]. Available:http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/Communications/1-what-are-uplink-and-downlink.html

[4] Maan. [Online]. Available: https://nl.wikipedia.org/wiki/Maan

[5] Mars. [Online]. Available: https://nl.wikipedia.org/wiki/Mars (planeet)

[6] What are radio waves? [Online]. Available:http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/Communications/1-what-are-radio-waves.html

[7] Energie door zonnepanelen in de ruimte. [Online]. Available:http://www.kennislink.nl/publicaties/energie-door-zonnepanelen-in-de-ruimte

[8] Elektromagnetische straling. [Online]. Available: https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische straling

[9] (2000, 18 april) Are you on my wavelength? [Online]. Available: http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk news/716445.stm

[10] How is data put on radio waves? [Online]. Available:http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/Communications/1-how-is-data-put-on-radio-waves.html

[11] D. B. Kennedy G., Electronic Communication Systems. Signapore: Macmillan/McGraw-Hill, 1992.

[12] (2015, 5 oktober) Difference between amplitude modulation and frequency modulation.

[13] (2007) Audiologieboek. [Online]. Available: http://www.audiologieboek.nl/htm/hfd5/5-3-1.htm

[14] Radiocontact met andere beschavingen in het heelal! [Online]. Available: http://www.qsl.net/pa2ohh/06setinl.htm

[15] The effelsberg radio telescope. [Online]. Available: http://www.epta.eu.org/telescopes/effelsberg.html

[16] (2016, 11 augustus) List of missions to the moon. [Online]. Available:https://en.wikipedia.org/wiki/List of missions to the Moon#Proposed Missions

11