DEEP SPACEDEEP SPACECOMMUNICATIONSCOMMUNICATIONS

Otto KoudelkaInstitut für Nachrichtentechnik und

WellenausbreitungTU Graz

koudelka@inw.tu-graz.ac.at

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