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DEEP SPACEDEEP SPACECOMMUNICATIONSCOMMUNICATIONS
Otto KoudelkaInstitut für Nachrichtentechnik und
WellenausbreitungTU Graz
INHALTINHALT
EinleitungDefinitionDeep Space NetworkRaumsondenTelemetrieÜbertragungstechnik
1. EINLEITUNG1. EINLEITUNG
ARTIFICIAL SATELLITEARTIFICIAL SATELLITE
Arthur C. Clarke : „ExtraterrestrialRelays“, veröffentlicht in WirelessWorld, 1945
Hermann Noordung-Potocnik publiziertedie Idee eines künstlichen Erdtrabantenals Radio-Relay in 20iger Jahren
SPUTNIK-1SPUTNIK-1Beginn desWeltraumzeit-alters: 4.10.1957erster Satellit: 90kgStart mit SS-6ICBMRadio Signale 1Monat gesendetim Orbit bisJan.1958
EXPLOREREXPLORERUS Forschungs-satellitEntdeckung desVanAllen-StrahlungsgürtelsMasse: 15 kggestartet 31.1.1958mit Jupiter-CRaketeAntwort aufSPUTNIK
ECHO-1ECHO-1 MetallisierterBallon30 mDurchmesserOrbit: 1700 kmgestartet:12.8.1960passiveReflexion derFunkwellen
ECHO-1ECHO-1TV-Übertragungvon Goldstone,CA nachMassachusets(4300 km)20 kWSendeleistungHelium-gekühlterVorverstärker
Raketen - TITANRaketen - TITAN
TITAN TriebwerkTITAN Triebwerk
TITANTITANKommerzielle Rakete auf BasisTITAN-IIITITAN- I: ICBM (1956)TITAN- II: 10 GEMINI Starts 1965-66Viking and Voyager Missionen: 1975,1977TITAN- IV aktuelles Modell
TITAN-IVTITAN-IV
Foto: ESA
ARIANE VARIANE V
Foto: ESA
ARIANE VARIANE V
Foto: ESA
ARIANE VARIANE V
Foto: ESA
ARIANE VARIANE V
Schub:– 880 kN (Meereshöhe)– 1130 kN im Vakuum– 600 s Brennzeit
Feststoff-Boosters: 92 % desAnfangsschubs
PROTONENERGIJA ZENITH60 m 57 m 41 m
Startmasse : 2400 t 680 t 459 tNutzlast (LEO): 95 t 21 t 13.8 t (GEO): 5.5 t 5 t
RUSSISCHERAKETEN)
NACHRICHTEN-NACHRICHTEN-SATELLITENSATELLITEN
TELSTAR-1: 10.6.1962– Eigenschaften eines modernen
Satelliten– aktiver Transponder– gestartet mit DELTA Rakete– Masse: ~ 95 kg– nicht-geostationär, Empfang: 102
min./Tag
TELSTARTELSTAR
– Solargenerator: 15 W– 3 W Wanderfeldröhrenverstärker– 6390 / 4170 MHz– erste transatlantische Übertragung
(Andover, Maine and Goonhilly,UK)
KOMMERZIELLE ÄRAKOMMERZIELLE ÄRA
SYNCOM-22 (26 Juli 1963): GEOOrbitSYNCOM 3 (1964): TV-Übertragungder olympischen Spiele in Tokio1965: Beginn des kommerziellenBetriebs: INTELSAT-1 (Early Bird)
geostationärer3-Achsen-stabilisierterNachrichtensatellit
Foto: ESA
2. DEEP SPACE2. DEEP SPACE
Früher: Distanz größer als Erde - Mond– 384.400 km (Mittel)
Heute:– Kategorie A: < 2.106 km– Kategorie B: > 2.106 km
3. DEEP SPACE NETWORK3. DEEP SPACE NETWORK
AUFGABENAUFGABEN
Empfang von Telemetriesignalen, Datenvon der RaumsondeSenden von Kommandos an die SondeErzeugung von Navigationsdaten– Lokalisierung der Sonde
PROBLEMEPROBLEME
sehr schwache Signale– Übertragungsfehler– automatische Fehlerkorrektur
nur relativ geringe Informationsmengen– Kompression– Speicherung/zeitversetzte Übertragung
lange Laufzeiten
SIGNALLEISTUNGSIGNALLEISTUNG
mit steigender Entfernung nimmtSignalleistung quadratisch ab
Abstand: 2 Mio km -> 235 dB Dämpfung– 10-23 der ursprünglichen Leistung
STÖRUNGENSTÖRUNGEN
Störungen:therm. RauschenInterferenz
Signal
GalaktischesRauschen
Antenne
VERZÖGERUNGSZEITVERZÖGERUNGSZEIT
• DistanzRaumsonde -Bodenstationwesentlich
GeostationärerSatellit: 120 ...140 ms
sskm
kmEcd 7.6
/000.3006.2
===τ
FREQUENZEN - CAT. AFREQUENZEN - CAT. A
2 GHz7 GHz8 GHz14 - 15.35 GHz
höhere Frequenzen -> höhereatmosphärische Dämpfung
FREQUENCEN - CAT. BFREQUENCEN - CAT. B
2 GHz7 GHz8 GHz32 GHz34 GHz
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…Durchmesser
ANTENNENDIAGRAMMANTENNENDIAGRAMMHauptkeule
Nebenkeulen
ANTENNENANTENNEN
Erde bewegt sichDeep Space Probes: 10 - 12 h imEmpfangsbereichErdnahe Sonden: 10 - 12 min.
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
(z.B. Voyager)
POLARISATIONPOLARISATION
Zirkularunkritisch bezüglich Ausrichtung desPolarisators von Sende- undEmpfangsanlage
4. RAUMSONDEN4. RAUMSONDEN
SUBSYSTEMESUBSYSTEME
Mechanische StrukturAntriebLageregelungStromversorgungThermisches SubsystemTelemetrieNutzlast
StromversorgungStromversorgung
Solar - wenn nahe genug an Sonnenuklear - Deep Space Missions (z.B.Voyager, Cassini)
NUKLEARENUKLEARESTROMVERSORGUNGSTROMVERSORGUNG
Radioisotop- thermoelektrischerGenerator (RTG)– Thermoelemente– direkte Umwandlung thermischer
Energie in elektrische– thermische Energie aus
radioaktivem Zerfall
KOMMUNIKATIONS-KOMMUNIKATIONS-NUTZLASTNUTZLAST
RAUMSONDERAUMSONDE
DEM MODDEC ENC
On-boardComputer
Meßdaten
KOMMUNIKATIONS-KOMMUNIKATIONS-NUTZLASTNUTZLAST
Leistung begrenzt– ca. 20 W Sendeleistung
sehr hohe Dämpfung aufÜbertragungsstrecke– Erde - Saturn: 1300 Mio km -> 292 dB
aufwendige Übertragungstechnik
5. TELEMETRIE5. TELEMETRIE
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– Consultative Committee for Space Data
Systems CCSDSSource Packets (Quellpakete)Transfer Frames (Übertragungsrahmen)Multiplex-Vorgang– Quellpakete von verschiedenen
Anwendungsprozessen inÜbertragungsrahmen verpackt
TELEMETRIETELEMETRIE
Genormtjede Sonde kann von jederBodenstation des Netzwerksempfangen werden
PAKET-TELEMETRIEPAKET-TELEMETRIE
Transfer Frame– CCSDS Network Protocol Datagram
Packets– IP Pakete (IPv.4)– Encapsulation Packet (IPv6): IPv6-Pakete
werden in dieses spezielle Paketeingepackt
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
TRANSFER FRAMETRANSFER FRAME
Primär-Header (6 Bytes):– Versions-Nr.– Rahmenidentifikation (z.B. Sonden-ID)– Master Channel Zähler– Virtueller Kanal- Zähler– Status
Sekundär-Header (optionell) : bis 64Bytes
TRANSFER FRAMETRANSFER FRAME
Anwender-Daten (variable)4 Byte Kontrollfeld2 Byte Fehlersicherungsfeld(Prüfsumme)
DIGITALE MODULATIONDIGITALE MODULATION
Digitale Symbole aufgeprägt einerTrägerschwingung
– ASK …amplitude shift keying– FSK …frequency shift keying– PSK … phase shift keying
PHASENUMTASTUNGPHASENUMTASTUNG
Trägerschwingung beeinflußtdigitale “0” entspricht 0°digitale “1” entspricht 180°Information im Phasensprung
01
0 1 0 1
MODULATORMODULATOR
Daten-quelle
Quell-codierung
Ver-schlüsselung
Kanal-codierung
Kanal
Rauschen
Interferenz
Daten-senke
Quell-Decodierung
Ent-schlüsselung
Kanal-decodierung
Modulation
De-modulation
FEHLERSICHERUNGFEHLERSICHERUNG
Redundanz (zusätzliche Bits)hinzugefügt zu den Informationsbitsdienen der Erkennung und automat.Korrektur von Fehlern
BEISPIELBEISPIEL
1011001001111101100001110001010001011100
BEISPIELBEISPIEL
101100100111110110010111 00001010001011100 0
CONVOLUTIONAL ENCODERCONVOLUTIONAL ENCODERSchieberegister & EXORk = 3R = 1/2 +
+
+
+
101 1 0 01
+
+
101 1 0 011
+
+
101 0 1 0111
+
+
101 0 1 00111
+
+
101 1 0 100111
+
+
101 1 0 1000111
STANDARD-CODESTANDARD-CODE
DECODIERUNGDECODIERUNG
Viterbi-Algorithmussucht nach maximalerWahrscheinlichkeit die richtige Folge
CODIERGEWINNCODIERGEWINN
Eb/No
pe
R constant, =1/2k variable
CODE VERKETTUNGCODE VERKETTUNG
Innerer Code: Convolutional Code mitViterbi-Decodierungäußerer Reed-Solomon-Blockcode zurKorrektur der Fehler bei Versagen desinneren Codeshöherer Codiergewinnerstmals bei Voayger-Mission benutzt
datasource
RSencoder
Convol.coding
channel
noise
interference
datasink
RSdecoder
Viterbidecoder
modulation
de-modulation
outercode
innercode
Inter-leaver
De-inter-leaver
interleaving on symbol level
INTERLEAVINGINTERLEAVINGReihefolge der Symbole verändertFehler statistisch verteiltumgekehrter Vorgang beim Empfänger
VOYAGERVOYAGER
Datenrate von 21.6 kbit/s29 Antennen verbunden:– 70 m, 34 m-Antennen Goldstone +– 27 Antennen des VLA, Socorro
am wichtigsten: Verkettung desViterbidecoders mit Reed-Solomon-Code
VOYAGERVOYAGER
1 Fehler bei 1 Mio. übertragener BitsSignal-/Rauschabstand: 2.5 dB– Signal 1.77 x über Rauschen
ohne verkettete Codierung 8 dB Signal-/Rauschabstand nötigzusätzlich 104 Antennen (34 m)erforderlich
ZUSAMMENFASSUNGZUSAMMENFASSUNG
Deep-Space Network mit großenAntennen erlaubt Empfang schwächsterSignalesehr gute rauscharme EmpfängerModerne Modulations-/Codierverfahrengestatten sichere Übertragung beigeringer Leistunggenormte Übertragungsverfahren