MISSION TO MARS. Otto Koudelka. Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung TU Graz

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1 MISSION TO MARS Otto Koudelka Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung TU Graz

2 INHALT Einleitung Deep Space Network Entwicklungen Marssonden Telemetrie

3 1. EINLEITUNG

4 MARS Orbit: 227 Mio km (1.52 AU) mittlerer Abstand von der Sonne Durchmesser: 6794 km Marstag: 24 h 37 min. 22 s Marsjahr: 669 Marstage = 687 Erdtage Mittlere Temperatur: -55 C min: -133 C max: +27 C

5 Foto: NASA

6 FRÜHE MISSIONEN Mariner : 10 Sonden gebaut Mariner-4 erste Nahaufnahmen vom Mars (1965), 3 Jahre in Betrieb (8 Monate geplant) Kameras, Spektrometer (IR, UV) Foto: NASA

7 FRÜHE MISSIONEN Viking 1 & 2 (1975, 76) Landung am Mars Biologieinstrumente Gaschromatograph/Massenspektrometer Seismometer Meteorologische Instrumente Stereofarbkameras Foto: NASA

8 Foto: NASA

9 Foto: NASA

10 Foto: NASA

11 Foto: NAS PATHFINDER MISSION 1996/97 Pathfinder (264 kg) Rover (Sojourner): 10.5 kg

12 Foto: NASA

13 Foto: NASA

14 RUSSISCHE SONDEN erste Versuche, problembehaftet Mars : Orbiter/Lander Phobos 1 / (Sonde versagt) Mars 96: Raketenversagen

15 KOMMUNIKATION Foto: NASA

16 2. DEEP SPACE NETWORK

17 AUFGABEN Empfang von Telemetriesignalen, Daten von der Raumsonde Senden von Kommandos an die Sonde Erzeugung von Navigationsdaten Lokalisierung der Sonde

18 Früher: Distanz größer als Erde - Mond km (Mittel) Heute: Kategorie A: < km Kategorie B: > km

19 PROBLEME sehr schwache Signale Übertragungsfehler automatische Fehlerkorrektur nur relativ geringe Informationsmengen Kompression Speicherung/zeitversetzte Übertragung lange Laufzeiten

20 SIGNALLEISTUNG mit steigender Entfernung nimmt Signalleistung quadratisch ab Ls = 4πR λ 2

21 MARS Erde - Mars Min. Abstand: 55 Mio km Dämpfung: 264 db Max. Abstand: 99 Mio km Dämpfung: 269 db August 2003 kürzester Abstand seit 17 Jahren (Mars Express Mission)

22 STÖRUNGEN Signal Galaktisches Rauschen Antenne Störungen: therm. Rauschen Interferenz

23 VERZÖGERUNGSZEIT Distanz Marssonde - Bodenstation τ = d c = 55. E6km km/ s = 183s

24 FREQUENZEN Beispiel Mars Express 2.1 GHz (Bodenstation - Sonde) S-Band 7.1 GHz (Sonde - Bodenstation) X-Band

25 ATMOSPHÄRISCHE DÄMPFUNG Dämpfung Frequenz

26 BODENSTATIONEN NASA Deep Space Network (DSN) 3 Komplexe rund um die Erde: Goldstone (CA, USA) Madrid (E) Canberra (AUS)

27 BODENSTATIONEN Mindestens 4 Stationen pro Komplex 70 m Antenne 34 m Antenne (hoher Wirkungsgrad) 34 m Antenne 26 m Antenne 3 Komplexe ca. 120 um Erde versetzt für kontinuierlichen Empfang

28 BODENSTATIONEN Möglichst entfernt von dicht besiedelten Gebieten Störungseinflüsse reduziert Radio/TV Stationen Hochspannungsleitungen industrielle Hochfrequenzquellen

29 Quelle: NASA

30 GOLDSTONE Foto: NASA

31 MADRID Foto: NASA

32 CANBERRA Foto: NASA

33 ANTENNENVERBUND (ARRAY) Foto: NASA

34 VLA - NEW MEXICO

35 VLA - NEW MEXICO

36 VLA - NEW MEXICO

37 ANTENNEN Starke Bündelwirkung der Antenne 0.03 für 70 m-antenne bei 2 GHz für 34 m-antenne bei 8 GHz Automatische mechanische Nachführung nötig Sehr genaue Winkelauflösung 0.001

38 ANTENNEN - DIAGRAMM

39 HALBWERTSBREITE D...diameter Θ = 70 λ D

40 LNA DOWNCONVERTER DEMOD HPA Driver UPCONVERTER MOD

41 VORVERSTÄRKER Verstärkung des Signals der Sonde möglichst geringes Eigenrauschen Kühlung des Vorverstärkers mit flüssigem Helium (4 K): Reduzierung der Bewegung der Elektronen, Verminderung des Eigenrauschens Dzt. Beste Verstärker: 1.2 K HEMT-Verstärker: 15 K

42 LEISTUNGSVERSTÄRKER 2-20 kw Normalbetrieb max. 400 kw (S-Band) in Notfällen, Antennen nicht ausgerichtet Raumsonden, die sehr weit entfernt sind

43 DATENRATEN X-Band-Verbindung vom Mars Global Surveyor: 85 kbit/s wesentlich höhere Datenraten in der Zukunft (Mbit/s)

44 3. ENTWICKLUNGEN Mars-Earth Backbone Network Bodenstation (Erde) - Marssonde NASA DSN Nutzung des Internets MARS Vehicle Proximity Network

45 MARS VEHICLE PROXIMITY NETWORK Orbiter - Marsoberfläche, Orbiter stellt Verbindung zur Erde her Mars Inter-Spacecraft Networks Kommunikation zwischen Sonden-Clusters Mars Surface Networks (Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Landern, Sensoren

46 LOKALE NETZE (LAN) Kommunikation an Bord einer Marssonde Nutzung der Internet-Protokollfamilie Standard-Anwendungen (ftp, ) Standard-Sprachen (Jave, html, xtml)

47 MARS-NETZ Foto: NASA

48 Foto: NASA

49 ARCHITEKTUR (kurzfristig) X-, Ka-Band- Kommunikation mittlere Datenraten Relaysatellit (Telesat-ASI): Kommunikation zu Meßsystemen am Boden Foto: NASA

50 ARCHITEKTUR (mittelfristig) Permanente Stationen (Messung der Umgebungsparameter) Netz von Mikrosatelliten zur Kommunikation mit Stationen, Navigation (ähnlich GPS) Min. 1 Relaysatellit (Marsat) in synchroner Umlaufbahn, Verbindung zu Mikrosatelliten hohe Datenraten im Ka-Band

51 ARCHITEKTUR (langfristig) verstärkt symmetrischer Verkehr Erde - Mars bisher hauptsächlich Daten von Mars - Erde zusätzlicher Relaysatellit (Sonne zwischen Erde und Mars) mehrere Marsat-Relaysatelliten

52 KOMMUNIKATIONSSYSTEME Leistungsfähigere Verstärker im Ka- Band (bis 100 W) leichte, entfaltbare Antennenstrukturen Optische Freiraumübertragung mit Laser (mehrere Megabit/s)

53 ORBITER - MARS Verschiedene Funksysteme geplant: UHF, omnidirektionale Antenne: schnell bewegete Objekte (niedrig fliegender Orbiter), höhere Datenrate Richtantenne, niedrige Datenrate als Backup für Kommunikation zur Erde UHF, X, Ka-Band

54 BODENNETZWERK UHF-, S-, X-Band geringe Leistung Nutzung bewährter Technologie Wireless LAN b Bluetooth

55 LAN (ON-BOARD SYSTEME) IEEE 1394 (Firewire) Mil-Std 1553 Switched Ethernet SpaceWire

56 4. MARSSONDE

57 SUBSYSTEME Mechanische Struktur Antrieb Lageregelung Stromversorgung Thermisches Subsystem Telemetrie Nutzlast

58 RAUMSONDE MARS EXPRESS Foto: ESA

59 BEAGLE LANDER Foto: ESA

60 MARS EXPRESS Gesamtmasse: 1042 kg Struktur/Bus : 439 kg Treibstoff: 427 kg (267 l) wiss. Nutzlast 116 kg (7 Instrumente) Beagle Lander: 60 kg

61 EXPERIMENTE Messung der geladenen und neutralen Gasatome Messung von Wasser (Radar/Altimeter) Spektrometer UV / IR Spektrometer Stereokamera Beagle Lander

62 MARS EXPRESS Abmessungen: 1.5 x 1.8 x 1.4 m Schub: 400 N Ausrichtgenauigkeit: 0.15 Sternensensoren 3 Lasergyroskope (für jede Raumrichtung) 2 Sonnensensoren (grobe Erstausrichtung, Ausrichtung nach Drehung)

63 MARS EXPRESS Thermische Kontrolle: Elektronik bei C Infrarotkamera bei C (Wärmeableitung über Radiator)

64 SOYUZ-FREGAT Foto: ESA

65 Stromversorgung Solarzellen bei Mars Express Fläche: m² zusätzlich 3 Lithium-Batterien (je 22.5 Ah)

66 Leistungsbedarf Messung Manöver Übertragung Sonde 270 W 310 W 445 W Nutzlast 140 W 50 W 55 W Gesamt 410 W 360 W 500 W

67 KOMMUNIKATIONSNUTZLAST 1.8 m Antenne ca. 6 Stunden (Orbit 7.5 h) Antenne zur Erde gerichtet (Datenübertragung) 1.5 h Sonde zum Mars gerichtet: Messungen Übertragung von Beagle im UHF- Bereich (230 kbit/s)

68 BODENSTATION Perth, Australien Sondendaten (Temperatur, Spannung, Lage,...) zum Boden gesendet Kommandos vom Boden zur Sonde (Kontrolle der Experimente) Experimentendaten nicht in Echtzeit gesendet, 12 GB Speicher (Solid-state Memory)

69 KOMMUNIKATIONS- NUTZLAST Leistung begrenzt State-of-the-art: Cassini 32 GHz 20 W Wanderfeldröhrenverstärker (TWTA) Wirkungsgrad 40 % 30 W und 100 W TWTAs in Entwicklung Transistorverstärker mit bis zu 50 % Wirkungsgrad geplant

70 DEM DEC ENC MOD On-board Computer Meßdaten

71 5. TELEMETRIE

72 KOMMUNIKATIONSNUTZLAST sehr hohe Dämpfung auf Übertragungsstrecke aufwendige Übertragungstechnik leistungsfähige Modulationsverfahren aufwendige Fehlerkorrekturverfahren

73 TELEMETRIE Übertragung von Meßwerten, Daten von Instrumenten zur Bodenstation Übernahme von Kommandos von der Bodenstation

74 Kommando Empfänger DECODER Kommando- Prozessor mpfangsantenne endeantenne Kommando Verifikation Sensor Daten Sender ENCODER Datenerfassung

75 PAKET-TELEMTRIE Mehrere Instrumente, Anwendungen an Bord der Raumsonde Nutzung eines gemeinsamen Kommunikationskanals Datenquellen: wiss.instrumente Subsysteme (z.b. Überwachung der Sonde)

76 ON-BOARD COMPUTER Multiplexer On-board Computer Meßgerät Meßgerät Meßgerät

77 PAKET-TELEMETRIE Genormte Übertragungsformate Consulatative Committee for Space Data Systems CCSDS Source Packets (Quellpakete) Transfer Frames (Übertragungsrahmen) Multiplex-Vorgang Quellpakete von verschiedenen Anwendungsprozessen in Übertragungsrahmen verpackt

78 TELEMTRIE Genormt jede Sonde kann von jeder Bodenstation des Netzwerks empfangen werden

79 PAKETÜBERTRAGUNG Quellpakete AP1 Quelle AP2 1 AP3 AP4 Quelle 2 AP5 AP6 Quelle 3 AP7 AP8 Transferpakete Virtueller Kanal 1 Virtueller Kanal 2 Virtueller Kanal 3 Master Channel Über- tragungs- Kanal Funk über tragung Sende

80 PAKETÜBERTRAGUNG Quellpakete AP1 Senke AP2 1 AP3 AP4 Senke 2 AP5 AP6 Senke 3 AP7 AP8 Transferpakete Virtueller Kanal 1 Virtueller Kanal 2 Virtueller Kanal 3 Master Channel Über- tragungs- Kanal Funk über tragung Empfänge

81 VIRTUELLER KANAL Trennung verschiedener Quellen mit verschiedenen Eigenschaften bildgebendes Instrument mit langen kontinuierlichen Datenpaketen -> 1. Kanal anderes Instrument mit kurzen Datenpaketen -> 2.Kanal

82 SOURCE PACKET PACKET PRIMARY HEADER PACKET IDENTIFICATION PACKET SOURCE CONTROL PACKET DATA FIELD version no. 000 type 0 header flag applic. process ident group ing flag source seq count data length packet sec. header source data var. var. 1, if secondary header present 01 first 00 cont. 10 last 11 no 1 65,536 octet

83 NEUE ENTWICKLUNG Internet-Protokollfamilie verstärkt genutzt Sonde wird ein Internetknoten im Weltall Transport der Daten über terrestrisches Internet

84 ZUSAMMENFASSUNG Erweiterung der Kommunikationsinfrastruktur Relaysatelliten Trend zu höheren Datenraten bessere Leistungsverstärker neue Antennen optische Kommunikation