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MISSION TO MARSMISSION TO MARSOtto Koudelka
Institut für Nachrichtentechnik undWellenausbreitung
INHALTINHALT
EinleitungDeep Space NetworkEntwicklungenMarssondenTelemetrie
1. EINLEITUNG1. EINLEITUNG
MARSMARS
Orbit: 227 Mio km (1.52 AU) mittlererAbstand von der SonneDurchmesser: 6794 kmMarstag: 24 h 37 min. 22 sMarsjahr: 669 Marstage = 687 ErdtageMittlere Temperatur: -55°C– min: -133° C– max: +27° C
Foto: NASA
FRÜHE MISSIONENFRÜHE MISSIONEN
Mariner– 1962 -73: 10 Sonden gebaut– Mariner-4 erste Nahaufnahmen vom Mars
(1965), 3 Jahre in Betrieb (8 Monategeplant)
– Kameras,– Spektrometer (IR, UV)
Foto: NASA
FRÜHE MISSIONENFRÜHE MISSIONEN
Viking 1 & 2 (1975, 76)– Landung am Mars– Biologieinstrumente– Gaschromatograph/Massenspektrometer– Seismometer– Meteorologische Instrumente– Stereofarbkameras
Foto: NASA
Foto: NASA
Foto: NASA
Foto: NASA
PATHFINDER MISSIONPATHFINDER MISSION
1996/97Pathfinder (264 kg)Rover (Sojourner): 10.5 kg
Foto: NASA
Foto: NASA
Foto: NASA
RUSSISCHE SONDENRUSSISCHE SONDEN
1960-62 erste Versuche,problembehaftetMars 3 1971: Orbiter/LanderPhobos 1 / 2 1988 (Sonde versagt)Mars 96: Raketenversagen
KOMMUNIKATIONKOMMUNIKATION
Foto: NASA
2. DEEP SPACE NETWORK2. DEEP SPACE NETWORK
AUFGABENAUFGABEN
Empfang von Telemetriesignalen, Datenvon der RaumsondeSenden von Kommandos an die SondeErzeugung von Navigationsdaten– Lokalisierung der Sonde
Früher: Distanz größer als Erde - Mond– 384.400 km (Mittel)
Heute:– Kategorie A: < 2.106 km– Kategorie B: > 2.106 km
PROBLEMEPROBLEME
sehr schwache Signale– Übertragungsfehler– automatische Fehlerkorrektur
nur relativ geringe Informationsmengen– Kompression– Speicherung/zeitversetzte Übertragung
lange Laufzeiten
SIGNALLEISTUNGSIGNALLEISTUNG
mit steigender Entfernung nimmtSignalleistung quadratisch ab
=λπR
Ls
42
MARSMARS
Erde - MarsMin. Abstand: 55 Mio km– Dämpfung: 264 dB
Max. Abstand: 99 Mio km– Dämpfung: 269 dB
August 2003 kürzester Abstand seit 17Jahren (Mars Express Mission)
STÖRUNGENSTÖRUNGEN
Störungen:therm. RauschenInterferenz
Signal
GalaktischesRauschen
Antenne
VERZÖGERUNGSZEITVERZÖGERUNGSZEIT
• DistanzMarssonde -Bodenstation
sskm
kmEcd 183
/000.3006.55
===τ
FREQUENZENFREQUENZEN
Beispiel Mars Express2.1 GHz (Bodenstation - Sonde)– S-Band
7.1 GHz (Sonde - Bodenstation)– X-Band
ATMOSPHÄRISCHE ATMOSPHÄRISCHE DÄMPFUNGDÄMPFUNG
Frequenz
Dämpfung
BODENSTATIONENBODENSTATIONEN
NASA Deep Space Network (DSN)3 Komplexe rund um die Erde:– Goldstone (CA, USA)– Madrid (E)– Canberra (AUS)
BODENSTATIONENBODENSTATIONEN
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 versetztfür kontinuierlichen Empfang
BODENSTATIONENBODENSTATIONEN
Möglichst entfernt von dicht besiedeltenGebietenStörungseinflüsse reduziert– Radio/TV Stationen– Hochspannungsleitungen– industrielle Hochfrequenzquellen
Quelle: NASA
GOLDSTONEGOLDSTONE
Foto: NASA
MADRIDMADRID
Foto: NASA
CANBERRACANBERRA
Foto: NASA
ANTENNENVERBUNDANTENNENVERBUND(ARRAY)(ARRAY)
Foto: NASA
VLA - NEW MEXICOVLA - NEW MEXICO
VLA - NEW MEXICOVLA - NEW MEXICO
VLA - NEW MEXICOVLA - NEW MEXICO
ANTENNENANTENNEN
Starke Bündelwirkung der Antenne– 0.03° für 70 m-Antenne bei 2 GHz– 0.017° für 34 m-Antenne bei 8 GHz
Automatische mechanischeNachführung nötigSehr genaue Winkelauflösung 0.001°
ANTENNEN - DIAGRAMMANTENNEN - DIAGRAMM
HALBWERTSBREITEHALBWERTSBREITE
=ΘDλ70
D...diameter
DEMOD
MOD
LNA
HPA Driver
DOWNCONVERTER
UPCONVERTER
VORVERSTÄRKERVORVERSTÄRKER
Verstärkung des Signals der Sondemöglichst geringes EigenrauschenKühlung des Vorverstärkers mitflüssigem Helium (4 K): Reduzierungder Bewegung der Elektronen,Verminderung des EigenrauschensDzt. Beste Verstärker: 1.2 KHEMT-Verstärker: 15 K
LEISTUNGSVERSTÄRKERLEISTUNGSVERSTÄRKER
2 - 20 kW Normalbetriebmax. 400 kW (S-Band)– in Notfällen, Antennen nicht ausgerichtet– Raumsonden, die sehr weit entfernt sind
DATENRATENDATENRATEN
X-Band-Verbindung vom Mars GlobalSurveyor: 85 kbit/swesentlich höhere Datenraten in derZukunft (Mbit/s)
3. ENTWICKLUNGEN3. ENTWICKLUNGEN
Mars-Earth Backbone Network– Bodenstation (Erde) - Marssonde– NASA DSN– Nutzung des Internets
MARS Vehicle Proximity Network
MARS VEHICLE PROXIMITYMARS VEHICLE PROXIMITYNETWORKNETWORK
Orbiter - Marsoberfläche, Orbiter stelltVerbindung zur Erde herMars Inter-Spacecraft Networks– Kommunikation zwischen Sonden-Clusters
Mars Surface Networks(Kommunikation zwischen Fahrzeugen,Landern, Sensoren
LOKALE NETZE (LAN)LOKALE NETZE (LAN)
Kommunikation an Bord einerMarssondeNutzung der Internet-ProtokollfamilieStandard-Anwendungen (ftp, email)Standard-Sprachen (Jave, html, xtml)
MARS-NETZMARS-NETZ
Foto: NASA
Foto: NASA
ARCHITEKTUR (kurzfristig)ARCHITEKTUR (kurzfristig)
X-, Ka-Band- Kommunikationmittlere DatenratenRelaysatellit (Telesat-ASI):– Kommunikation zu Meßsystemen am
Boden
Foto: NASA
ARCHITEKTUR (mittelfristig)ARCHITEKTUR (mittelfristig)
Permanente Stationen (Messung derUmgebungsparameter)Netz von Mikrosatelliten zur Kommunikation mit Stationen,Navigation (ähnlich GPS)Min. 1 Relaysatellit (Marsat) insynchroner Umlaufbahn, Verbindung zuMikrosatellitenhohe Datenraten im Ka-Band
ARCHITEKTUR (langfristig)ARCHITEKTUR (langfristig)
verstärkt symmetrischer Verkehr Erde -Marsbisher hauptsächlich Daten von Mars -Erdezusätzlicher Relaysatellit (Sonnezwischen Erde und Mars)mehrere Marsat-Relaysatelliten
KOMMUNIKATIONSSYSTEMEKOMMUNIKATIONSSYSTEME
Leistungsfähigere Verstärker im Ka-Band (bis 100 W)leichte, entfaltbare AntennenstrukturenOptische Freiraumübertragung mitLaser (mehrere Megabit/s)
ORBITER - MARSORBITER - MARS
Verschiedene Funksysteme geplant:– UHF, omnidirektionale Antenne: schnell
bewegete Objekte (niedrig fliegenderOrbiter), höhere Datenrate
– Richtantenne, niedrige Datenrate alsBackup für Kommunikation zur Erde
– UHF, X, Ka-Band
BODENNETZWERKBODENNETZWERK
UHF-, S-, X-Bandgeringe LeistungNutzung bewährter Technologie– Wireless LAN 802.11b– Bluetooth
LAN (ON-BOARD SYSTEME)LAN (ON-BOARD SYSTEME)
IEEE 1394 (Firewire)Mil-Std 1553Switched EthernetSpaceWire
4. MARSSONDE4. MARSSONDE
SUBSYSTEMESUBSYSTEME
Mechanische StrukturAntriebLageregelungStromversorgungThermisches SubsystemTelemetrieNutzlast
RAUMSONDE MARSRAUMSONDE MARSEXPRESSEXPRESS
Foto: ESA
BEAGLE LANDERBEAGLE LANDER
Foto: ESA
MARS EXPRESSMARS EXPRESS
Gesamtmasse: 1042 kgStruktur/Bus : 439 kgTreibstoff: 427 kg (267 l)wiss. Nutzlast 116 kg (7 Instrumente)Beagle Lander: 60 kg
EXPERIMENTEEXPERIMENTE
Messung der geladenen und neutralenGasatomeMessung von Wasser (Radar/Altimeter)SpektrometerUV / IR SpektrometerStereokameraBeagle Lander
MARS EXPRESSMARS EXPRESS
Abmessungen: 1.5 x 1.8 x 1.4 mSchub: 400 NAusrichtgenauigkeit: 0.15°– Sternensensoren– 3 Lasergyroskope (für jede Raumrichtung)– 2 Sonnensensoren (grobe Erstausrichtung,
Ausrichtung nach Drehung)
MARS EXPRESSMARS EXPRESS
Thermische Kontrolle:– Elektronik bei 10 - 20° C– Infrarotkamera bei - 180° C
(Wärmeableitung über Radiator)
SOYUZ-FREGATSOYUZ-FREGAT
Foto: ESA
StromversorgungStromversorgung
Solarzellen bei Mars ExpressFläche: 11.42 m²zusätzlich 3 Lithium-Batterien (je 22.5Ah)
LeistungsbedarfLeistungsbedarf
Messung Manöver Übertragung
Sonde 270 W 310 W 445 WNutzlast 140 W 50 W 55 WGesamt 410 W 360 W 500 W
KOMMUNIKATIONSNUTZLASTKOMMUNIKATIONSNUTZLAST
1.8 m Antenneca. 6 Stunden (Orbit 7.5 h) Antenne zurErde gerichtet (Datenübertragung)1.5 h Sonde zum Mars gerichtet:MessungenÜbertragung von Beagle im UHF-Bereich (230 kbit/s)
BODENSTATIONBODENSTATION
Perth, AustralienSondendaten (Temperatur, Spannung,Lage,...) zum Boden gesendetKommandos vom Boden zur Sonde(Kontrolle der Experimente)Experimentendaten nicht in Echtzeitgesendet, 12 GB Speicher (Solid-stateMemory)
KOMMUNIKATIONS-KOMMUNIKATIONS-NUTZLASTNUTZLAST
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 MODDEC ENC
On-boardComputer
Meßdaten
5. TELEMETRIE5. TELEMETRIE
KOMMUNIKATIONSNUTZLASTKOMMUNIKATIONSNUTZLAST
sehr hohe Dämpfung aufÜbertragungsstreckeaufwendige Übertragungstechnik– leistungsfähige Modulationsverfahren– aufwendige Fehlerkorrekturverfahren
TELEMETRIETELEMETRIE
Übertragung von Meßwerten, Daten vonInstrumenten zur BodenstationÜbernahme von Kommandos von derBodenstation
Empfänger
Sender
DECODER
ENCODER
Kommando-Prozessor
Daten-erfassung
Empfangsantenne
Sendeantenne
KommandoVerifikation
Kommando
SensorDaten
PAKET-TELEMTRIEPAKET-TELEMTRIE
Mehrere Instrumente, Anwendungen anBord der RaumsondeNutzung eines gemeinsamenKommunikationskanalsDatenquellen:– wiss.Instrumente– Subsysteme (z.B. Überwachung der
Sonde)
ON-BOARD COMPUTERON-BOARD COMPUTER
Meß-gerät
Meß-gerät
Meß-gerät
Multiplexer On-boardComputer
PAKET-TELEMETRIEPAKET-TELEMETRIE
Genormte Übertragungsformate– Consulatative Committee for Space Data
Systems CCSDSSource Packets (Quellpakete)Transfer Frames (Übertragungsrahmen)Multiplex-Vorgang– Quellpakete von verschiedenen
Anwendungsprozessen inÜbertragungsrahmen verpackt
TELEMTRIETELEMTRIE
Genormtjede Sonde kann von jederBodenstation des Netzwerksempfangen werden
PAKETÜBERTRAGUNGPAKETÜBERTRAGUNG
Quelle1
AP1AP2AP3
Quelle2
AP4
AP5
Quelle3
AP6AP7AP8
VirtuellerKanal
1
VirtuellerKanal
2
VirtuellerKanal
3
MasterChannel
Über-tragungs-
Kanal
Quellpakete Transferpakete
Datenstrom
Funk-über-
tragung
Sender
PAKETÜBERTRAGUNGPAKETÜBERTRAGUNG
Senke1
AP1AP2AP3
Senke2
AP4
AP5
Senke3
AP6AP7AP8
VirtuellerKanal
1
VirtuellerKanal
2
VirtuellerKanal
3
MasterChannel
Über-tragungs-
Kanal
Quellpakete Transferpakete
Datenstrom
Funk-über-
tragung
Empfänger
VIRTUELLER KANALVIRTUELLER KANAL
Trennung verschiedener Quellen mitverschiedenen Eigenschaften– bildgebendes Instrument mit langen
kontinuierlichen Datenpaketen -> 1. Kanal– anderes Instrument mit kurzen
Datenpaketen -> 2.Kanal
SOURCE PACKETSOURCE PACKET
versionno.000
type
0
headerflag
1, ifsecondary
headerpresent
applic.process
ident
groupingflag
sourceseq
count
datalength
packetsec.
header
sourcedata
3 1 1 11 2 14 16 var. var.
1…65,536 octets01 first00 cont.10 last11 no
PACKET IDENTIFICATION
PACKET SOURCECONTROL
PACKETDATAFIELD
PACKET PRIMARY HEADER
NEUE ENTWICKLUNGNEUE ENTWICKLUNG
Internet-Protokollfamilie verstärktgenutztSonde wird ein Internetknoten imWeltallTransport der Daten über terrestrischesInternet
ZUSAMMENFASSUNGZUSAMMENFASSUNG
Erweiterung derKommunikationsinfrastrukturRelaysatellitenTrend zu höheren Datenraten– bessere Leistungsverstärker– neue Antennen– optische Kommunikation