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MISSION TO MARSMISSION TO MARSOtto Koudelka
Institut für Nachrichtentechnik undWellenausbreitung
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INHALTINHALT
EinleitungDeep Space NetworkEntwicklungenMarssondenTelemetrie
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1. EINLEITUNG1. EINLEITUNG
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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
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Foto: NASA
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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
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FRÜHE MISSIONENFRÜHE MISSIONEN
Viking 1 & 2 (1975, 76)– Landung am Mars– Biologieinstrumente– Gaschromatograph/Massenspektrometer– Seismometer– Meteorologische Instrumente– Stereofarbkameras
Foto: NASA
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Foto: NASA
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Foto: NASA
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Foto: NASA
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PATHFINDER MISSIONPATHFINDER MISSION
1996/97Pathfinder (264 kg)Rover (Sojourner): 10.5 kg
Foto: NASA
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Foto: NASA
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Foto: NASA
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RUSSISCHE SONDENRUSSISCHE SONDEN
1960-62 erste Versuche,problembehaftetMars 3 1971: Orbiter/LanderPhobos 1 / 2 1988 (Sonde versagt)Mars 96: Raketenversagen
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KOMMUNIKATIONKOMMUNIKATION
Foto: NASA
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2. DEEP SPACE NETWORK2. DEEP SPACE NETWORK
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AUFGABENAUFGABEN
Empfang von Telemetriesignalen, Datenvon der RaumsondeSenden von Kommandos an die SondeErzeugung von Navigationsdaten– Lokalisierung der Sonde
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Früher: Distanz größer als Erde - Mond– 384.400 km (Mittel)
Heute:– Kategorie A: < 2.106 km– Kategorie B: > 2.106 km
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PROBLEMEPROBLEME
sehr schwache Signale– Übertragungsfehler– automatische Fehlerkorrektur
nur relativ geringe Informationsmengen– Kompression– Speicherung/zeitversetzte Übertragung
lange Laufzeiten
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SIGNALLEISTUNGSIGNALLEISTUNG
mit steigender Entfernung nimmtSignalleistung quadratisch ab
=λπR
Ls
42
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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)
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STÖRUNGENSTÖRUNGEN
Störungen:therm. RauschenInterferenz
Signal
GalaktischesRauschen
Antenne
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VERZÖGERUNGSZEITVERZÖGERUNGSZEIT
• DistanzMarssonde -Bodenstation
sskm
kmEcd 183
/000.3006.55
===τ
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FREQUENZENFREQUENZEN
Beispiel Mars Express2.1 GHz (Bodenstation - Sonde)– S-Band
7.1 GHz (Sonde - Bodenstation)– X-Band
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ATMOSPHÄRISCHE ATMOSPHÄRISCHE DÄMPFUNGDÄMPFUNG
Frequenz
Dämpfung
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BODENSTATIONENBODENSTATIONEN
NASA Deep Space Network (DSN)3 Komplexe rund um die Erde:– Goldstone (CA, USA)– Madrid (E)– Canberra (AUS)
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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
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BODENSTATIONENBODENSTATIONEN
Möglichst entfernt von dicht besiedeltenGebietenStörungseinflüsse reduziert– Radio/TV Stationen– Hochspannungsleitungen– industrielle Hochfrequenzquellen
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Quelle: NASA
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GOLDSTONEGOLDSTONE
Foto: NASA
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MADRIDMADRID
Foto: NASA
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CANBERRACANBERRA
Foto: NASA
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ANTENNENVERBUNDANTENNENVERBUND(ARRAY)(ARRAY)
Foto: NASA
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VLA - NEW MEXICOVLA - NEW MEXICO
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VLA - NEW MEXICOVLA - NEW MEXICO
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VLA - NEW MEXICOVLA - NEW MEXICO
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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°
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ANTENNEN - DIAGRAMMANTENNEN - DIAGRAMM
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HALBWERTSBREITEHALBWERTSBREITE
=ΘDλ70
D...diameter
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DEMOD
MOD
LNA
HPA Driver
DOWNCONVERTER
UPCONVERTER
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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
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LEISTUNGSVERSTÄRKERLEISTUNGSVERSTÄRKER
2 - 20 kW Normalbetriebmax. 400 kW (S-Band)– in Notfällen, Antennen nicht ausgerichtet– Raumsonden, die sehr weit entfernt sind
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DATENRATENDATENRATEN
X-Band-Verbindung vom Mars GlobalSurveyor: 85 kbit/swesentlich höhere Datenraten in derZukunft (Mbit/s)
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3. ENTWICKLUNGEN3. ENTWICKLUNGEN
Mars-Earth Backbone Network– Bodenstation (Erde) - Marssonde– NASA DSN– Nutzung des Internets
MARS Vehicle Proximity Network
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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
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LOKALE NETZE (LAN)LOKALE NETZE (LAN)
Kommunikation an Bord einerMarssondeNutzung der Internet-ProtokollfamilieStandard-Anwendungen (ftp, email)Standard-Sprachen (Jave, html, xtml)
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MARS-NETZMARS-NETZ
Foto: NASA
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Foto: NASA
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ARCHITEKTUR (kurzfristig)ARCHITEKTUR (kurzfristig)
X-, Ka-Band- Kommunikationmittlere DatenratenRelaysatellit (Telesat-ASI):– Kommunikation zu Meßsystemen am
Boden
Foto: NASA
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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
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ARCHITEKTUR (langfristig)ARCHITEKTUR (langfristig)
verstärkt symmetrischer Verkehr Erde -Marsbisher hauptsächlich Daten von Mars -Erdezusätzlicher Relaysatellit (Sonnezwischen Erde und Mars)mehrere Marsat-Relaysatelliten
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KOMMUNIKATIONSSYSTEMEKOMMUNIKATIONSSYSTEME
Leistungsfähigere Verstärker im Ka-Band (bis 100 W)leichte, entfaltbare AntennenstrukturenOptische Freiraumübertragung mitLaser (mehrere Megabit/s)
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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
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BODENNETZWERKBODENNETZWERK
UHF-, S-, X-Bandgeringe LeistungNutzung bewährter Technologie– Wireless LAN 802.11b– Bluetooth
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LAN (ON-BOARD SYSTEME)LAN (ON-BOARD SYSTEME)
IEEE 1394 (Firewire)Mil-Std 1553Switched EthernetSpaceWire
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4. MARSSONDE4. MARSSONDE
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SUBSYSTEMESUBSYSTEME
Mechanische StrukturAntriebLageregelungStromversorgungThermisches SubsystemTelemetrieNutzlast
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RAUMSONDE MARSRAUMSONDE MARSEXPRESSEXPRESS
Foto: ESA
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BEAGLE LANDERBEAGLE LANDER
Foto: ESA
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MARS EXPRESSMARS EXPRESS
Gesamtmasse: 1042 kgStruktur/Bus : 439 kgTreibstoff: 427 kg (267 l)wiss. Nutzlast 116 kg (7 Instrumente)Beagle Lander: 60 kg
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EXPERIMENTEEXPERIMENTE
Messung der geladenen und neutralenGasatomeMessung von Wasser (Radar/Altimeter)SpektrometerUV / IR SpektrometerStereokameraBeagle Lander
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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)
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MARS EXPRESSMARS EXPRESS
Thermische Kontrolle:– Elektronik bei 10 - 20° C– Infrarotkamera bei - 180° C
(Wärmeableitung über Radiator)
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SOYUZ-FREGATSOYUZ-FREGAT
Foto: ESA
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StromversorgungStromversorgung
Solarzellen bei Mars ExpressFläche: 11.42 m²zusätzlich 3 Lithium-Batterien (je 22.5Ah)
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LeistungsbedarfLeistungsbedarf
Messung Manöver Übertragung
Sonde 270 W 310 W 445 WNutzlast 140 W 50 W 55 WGesamt 410 W 360 W 500 W
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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)
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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)
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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
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DEM MODDEC ENC
On-boardComputer
Meßdaten
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5. TELEMETRIE5. TELEMETRIE
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KOMMUNIKATIONSNUTZLASTKOMMUNIKATIONSNUTZLAST
sehr hohe Dämpfung aufÜbertragungsstreckeaufwendige Übertragungstechnik– leistungsfähige Modulationsverfahren– aufwendige Fehlerkorrekturverfahren
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TELEMETRIETELEMETRIE
Übertragung von Meßwerten, Daten vonInstrumenten zur BodenstationÜbernahme von Kommandos von derBodenstation
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Empfänger
Sender
DECODER
ENCODER
Kommando-Prozessor
Daten-erfassung
Empfangsantenne
Sendeantenne
KommandoVerifikation
Kommando
SensorDaten
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PAKET-TELEMTRIEPAKET-TELEMTRIE
Mehrere Instrumente, Anwendungen anBord der RaumsondeNutzung eines gemeinsamenKommunikationskanalsDatenquellen:– wiss.Instrumente– Subsysteme (z.B. Überwachung der
Sonde)
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ON-BOARD COMPUTERON-BOARD COMPUTER
Meß-gerät
Meß-gerät
Meß-gerät
Multiplexer On-boardComputer
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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
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TELEMTRIETELEMTRIE
Genormtjede Sonde kann von jederBodenstation des Netzwerksempfangen werden
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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
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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
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VIRTUELLER KANALVIRTUELLER KANAL
Trennung verschiedener Quellen mitverschiedenen Eigenschaften– bildgebendes Instrument mit langen
kontinuierlichen Datenpaketen -> 1. Kanal– anderes Instrument mit kurzen
Datenpaketen -> 2.Kanal
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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
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NEUE ENTWICKLUNGNEUE ENTWICKLUNG
Internet-Protokollfamilie verstärktgenutztSonde wird ein Internetknoten imWeltallTransport der Daten über terrestrischesInternet
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ZUSAMMENFASSUNGZUSAMMENFASSUNG
Erweiterung derKommunikationsinfrastrukturRelaysatellitenTrend zu höheren Datenraten– bessere Leistungsverstärker– neue Antennen– optische Kommunikation