MISSION TO MARS Otto Koudelka Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung TU Graz koudelka@inw.tu-graz.ac.at
INHALT Einleitung Deep Space Network Entwicklungen Marssonden Telemetrie
1. EINLEITUNG
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
Foto: NASA
FRÜHE MISSIONEN Mariner 1962-73: 10 Sonden gebaut Mariner-4 erste Nahaufnahmen vom Mars (1965), 3 Jahre in Betrieb (8 Monate geplant) Kameras, Spektrometer (IR, UV) Foto: NASA
FRÜHE MISSIONEN Viking 1 & 2 (1975, 76) Landung am Mars Biologieinstrumente Gaschromatograph/Massenspektrometer Seismometer Meteorologische Instrumente Stereofarbkameras Foto: NASA
Foto: NASA
Foto: NASA
Foto: NASA
Foto: NAS PATHFINDER MISSION 1996/97 Pathfinder (264 kg) Rover (Sojourner): 10.5 kg
Foto: NASA
Foto: NASA
RUSSISCHE SONDEN 1960-62 erste Versuche, problembehaftet Mars 3 1971: Orbiter/Lander Phobos 1 / 2 1988 (Sonde versagt) Mars 96: Raketenversagen
KOMMUNIKATION Foto: NASA
2. DEEP SPACE NETWORK
AUFGABEN Empfang von Telemetriesignalen, Daten von der Raumsonde Senden von Kommandos an die Sonde Erzeugung von Navigationsdaten Lokalisierung der Sonde
Früher: Distanz größer als Erde - Mond 384.400 km (Mittel) Heute: Kategorie A: < 2.10 6 km Kategorie B: > 2.10 6 km
PROBLEME sehr schwache Signale Übertragungsfehler automatische Fehlerkorrektur nur relativ geringe Informationsmengen Kompression Speicherung/zeitversetzte Übertragung lange Laufzeiten
SIGNALLEISTUNG mit steigender Entfernung nimmt Signalleistung quadratisch ab Ls = 4πR λ 2
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)
STÖRUNGEN Signal Galaktisches Rauschen Antenne Störungen: therm. Rauschen Interferenz
VERZÖGERUNGSZEIT Distanz Marssonde - Bodenstation τ = d c = 55. E6km 300.000km/ s = 183s
FREQUENZEN Beispiel Mars Express 2.1 GHz (Bodenstation - Sonde) S-Band 7.1 GHz (Sonde - Bodenstation) X-Band
ATMOSPHÄRISCHE DÄMPFUNG Dämpfung Frequenz
BODENSTATIONEN NASA Deep Space Network (DSN) 3 Komplexe rund um die Erde: Goldstone (CA, USA) Madrid (E) Canberra (AUS)
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
BODENSTATIONEN Möglichst entfernt von dicht besiedelten Gebieten Störungseinflüsse reduziert Radio/TV Stationen Hochspannungsleitungen industrielle Hochfrequenzquellen
Quelle: NASA
GOLDSTONE Foto: NASA
MADRID Foto: NASA
CANBERRA Foto: NASA
ANTENNENVERBUND (ARRAY) Foto: NASA
VLA - NEW MEXICO
VLA - NEW MEXICO
VLA - NEW MEXICO
ANTENNEN Starke Bündelwirkung der Antenne 0.03 für 70 m-antenne bei 2 GHz 0.017 für 34 m-antenne bei 8 GHz Automatische mechanische Nachführung nötig Sehr genaue Winkelauflösung 0.001
ANTENNEN - DIAGRAMM
HALBWERTSBREITE D...diameter Θ = 70 λ D
LNA DOWNCONVERTER DEMOD HPA Driver UPCONVERTER MOD
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
LEISTUNGSVERSTÄRKER 2-20 kw Normalbetrieb max. 400 kw (S-Band) in Notfällen, Antennen nicht ausgerichtet Raumsonden, die sehr weit entfernt sind
DATENRATEN X-Band-Verbindung vom Mars Global Surveyor: 85 kbit/s wesentlich höhere Datenraten in der Zukunft (Mbit/s)
3. ENTWICKLUNGEN Mars-Earth Backbone Network Bodenstation (Erde) - Marssonde NASA DSN Nutzung des Internets MARS Vehicle Proximity Network
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
LOKALE NETZE (LAN) Kommunikation an Bord einer Marssonde Nutzung der Internet-Protokollfamilie Standard-Anwendungen (ftp, email) Standard-Sprachen (Jave, html, xtml)
MARS-NETZ Foto: NASA
Foto: NASA
ARCHITEKTUR (kurzfristig) X-, Ka-Band- Kommunikation mittlere Datenraten Relaysatellit (Telesat-ASI): Kommunikation zu Meßsystemen am Boden Foto: NASA
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
ARCHITEKTUR (langfristig) verstärkt symmetrischer Verkehr Erde - Mars bisher hauptsächlich Daten von Mars - Erde zusätzlicher Relaysatellit (Sonne zwischen Erde und Mars) mehrere Marsat-Relaysatelliten
KOMMUNIKATIONSSYSTEME Leistungsfähigere Verstärker im Ka- Band (bis 100 W) leichte, entfaltbare Antennenstrukturen Optische Freiraumübertragung mit Laser (mehrere Megabit/s)
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
BODENNETZWERK UHF-, S-, X-Band geringe Leistung Nutzung bewährter Technologie Wireless LAN 802.11b Bluetooth
LAN (ON-BOARD SYSTEME) IEEE 1394 (Firewire) Mil-Std 1553 Switched Ethernet SpaceWire
4. MARSSONDE
SUBSYSTEME Mechanische Struktur Antrieb Lageregelung Stromversorgung Thermisches Subsystem Telemetrie Nutzlast
RAUMSONDE MARS EXPRESS Foto: ESA
BEAGLE LANDER Foto: ESA
MARS EXPRESS Gesamtmasse: 1042 kg Struktur/Bus : 439 kg Treibstoff: 427 kg (267 l) wiss. Nutzlast 116 kg (7 Instrumente) Beagle Lander: 60 kg
EXPERIMENTE Messung der geladenen und neutralen Gasatome Messung von Wasser (Radar/Altimeter) Spektrometer UV / IR Spektrometer Stereokamera Beagle Lander
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)
MARS EXPRESS Thermische Kontrolle: Elektronik bei 10-20 C Infrarotkamera bei - 180 C (Wärmeableitung über Radiator)
SOYUZ-FREGAT Foto: ESA
Stromversorgung Solarzellen bei Mars Express Fläche: 11.42 m² zusätzlich 3 Lithium-Batterien (je 22.5 Ah)
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
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)
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)
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
DEM DEC ENC MOD On-board Computer Meßdaten
5. TELEMETRIE
KOMMUNIKATIONSNUTZLAST sehr hohe Dämpfung auf Übertragungsstrecke aufwendige Übertragungstechnik leistungsfähige Modulationsverfahren aufwendige Fehlerkorrekturverfahren
TELEMETRIE Übertragung von Meßwerten, Daten von Instrumenten zur Bodenstation Übernahme von Kommandos von der Bodenstation
Kommando Empfänger DECODER Kommando- Prozessor mpfangsantenne endeantenne Kommando Verifikation Sensor Daten Sender ENCODER Datenerfassung
PAKET-TELEMTRIE Mehrere Instrumente, Anwendungen an Bord der Raumsonde Nutzung eines gemeinsamen Kommunikationskanals Datenquellen: wiss.instrumente Subsysteme (z.b. Überwachung der Sonde)
ON-BOARD COMPUTER Multiplexer On-board Computer Meßgerät Meßgerät Meßgerät
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
TELEMTRIE Genormt jede Sonde kann von jeder Bodenstation des Netzwerks empfangen werden
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
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
VIRTUELLER KANAL Trennung verschiedener Quellen mit verschiedenen Eigenschaften bildgebendes Instrument mit langen kontinuierlichen Datenpaketen -> 1. Kanal anderes Instrument mit kurzen Datenpaketen -> 2.Kanal
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 3 1 1 11 2 14 16 var. var. 1, if secondary header present 01 first 00 cont. 10 last 11 no 1 65,536 octet
NEUE ENTWICKLUNG Internet-Protokollfamilie verstärkt genutzt Sonde wird ein Internetknoten im Weltall Transport der Daten über terrestrisches Internet
ZUSAMMENFASSUNG Erweiterung der Kommunikationsinfrastruktur Relaysatelliten Trend zu höheren Datenraten bessere Leistungsverstärker neue Antennen optische Kommunikation