MISSION TO MARSMISSION TO MARSOtto Koudelka

Institut für Nachrichtentechnik undWellenausbreitung

TU Grazkoudelka@inw.tu-graz.ac.at

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