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Probleme der Datenübermittlung von Pluto

Die Datenübermittlung des Vorbeifluges an Pluto dauert bis Ende 2016. New Horizons durchfliegt das System von Pluto und Charon aber schon im Juli 2015. Warum dauert es so lange, bis die Daten auf der Erde verfügbar sind ? Aktuell hat am 25. Januar 2015 hat die zweite von vier optischen Messkampagnen begonnen (plutoidenpages.eu berichtete), die zur Ermittlung von genauen Positionsdaten des Pluto/Charon-Systems dienen sollen. Warum dauert es länger als zwei Wochen bis Mitte Februar 2015, bis diese Daten auf der Erde angekommen sind ?

Der Grund ist, dass Pluto so unermeßlich weit von der Erde entfernt ist. Zum Zeitpunkt des Durchfluges durch das Pluto/Charon-System im Juli 2015 dauert es 4.5 Stunden, bis ein von Bord des Raumschiffes abgeschicktes Signal die Erde erreicht. Das ankommende Signal ist dabei sehr schwach. Schwach heisst, es ist nur eine sehr kleine Transferrate möglich. Die New Horizons zur Verfügung stehende Bandbreite aus der Entfernung von über 30 AU (30 mal die Entfernung zwischen Erde und Sonne) ist maximal 1 kBit/s. 1 Bit sind 8 Bytes, d.h. dies sind maximal 125 Bytes/s und die benötigte Antenne des Deep Space Networks auf der Erde ist die größte 70m-Antenne, um überhaupt dieses schwache Signal detektieren zu können.
 
70m Deep Space Network Antenne in Canberra, Australien
70m Antenne des Deep Sapce Networks in Canberra, Australien

Die hochauflösende LORRI-Kamera an Bord von New Horizons macht Bilder von 1024 x 1024 Pixels, d.h. ein Bild ist 1024 x 1024 = 1,048 MByte (== 1.048.576 Bytes) groß. Jedes Pixel hat eine Wortlänge von 12 Bits, d.h ein LORRI Bild ist abgerundet etwa 12 Mio Bits groß. Die Übermittlung eines einzigen, unkomprimierten LORRI-Bildes  dauert also bei der verfügbaren Transferrate etwa 42 Minuten. Eine gewöhnliche Kommunikationsverbindung von der Erde zum Raumschiff dauert um die acht Stunden, d.h. es können ungefähr elf Bilder während einer solchen Verbindungssession übertragen werden.

Die 8h-Übermittlungsperiode beinhaltet aber nicht nur Bilddaten, sondern es müssen auch jede Menge andere wissenschaftliche und Telemetriedaten vom Raumschiff zur Erde übermittelt werden. Das Deep Space Network hat über die Erde verteilt nur drei 70m-Antennen, die für sehr viele parallel laufende andere Weltraummissionen gebraucht werden. So kann pro Tag nur eine einzige Übertragungssession mit New Horizons zur Verfügung gestellt werden, und auch das nur zu den Höhepunkten der Gesamtmission.
 
Solange die Hauptantenne von New Horizons zur Erde ausgerichtet ist, können keine weiteren Daten des voraus liegenden Zielsystems aufgenommen werden, d.h. es muß zwischen Erdkommunikation und der Aufnahme von wissenschaftlichen Daten sorgfältig ausgemittelt werden. All dies bedeutet, dass während einer wissenschaftlichen Datenaufnahmesession jede Menge Daten anfallen, die an Bord zwischengespeichert werden müssen, bevor sie im nächsten Übermittlungsintervall - teilweise - zur Erde übermittelt werden können. Es entsteht ein Datenüberhang an Bord des Raumschiffes.

Während der Phase des Vorbeifluges an Pluto und Charon muss die gesamte Datenkapazität an Bord des Raumschiffes verfügbar sein. Was ist also zu tun ? New Horizons verfügt über zwei sog. "Traveling Wave Tube Amplifiers" (TWTAs), also Verstärker, die das Radiosignal vor dem Absenden durch die New Horizons 2.1 m Bordantenne entsprechend verstärken. Zwei solche Geräte, um die Redundanz beim Ausfall eines der Geräte sicherstellen zu können. Jeweils eines der Geräte sendet nach der Verstärkung links-, das andere rechts polarisierte Radiodaten, die - simultan zur Erde übertragen - beim entsprechend ausgerüsteten Deep Sapce Network zu einer Verstärkung um den Faktor 1.9 führen. Leider sind die TWTAs sehr stromhungrig und die bordeigene Energieversorgung über die Plutoniumbatterie ist mittlerweile über zehn Jahre in Betrieb, d.h. hat aufgrund der Halbwertszeit des verwendeten radioaktiven Materials an Leistung eingebüsst.

Stand heute können beide TWTAs wegen Energiemangels nicht gleichzeitig betrieben werden. Um also den Datenüberhang an Bord des Raumschiffes mit einer Verdoppelung der verfügbaren Datenbandbreite abbauen zu können, müssen andere Geräte stillgelegt werden. Als grosser Energiefresser kommt hier das Navigations- und Leitsystem in Frage, das abgeschaltet werden kann. Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Raumschiff auf andere Art und Weise in seiner Raumausrichtung stabilisiert werden kann, z.b. durch Spinstabilisierung. Dies kostet eine gewisse Menge an Treibstoff, um die Drehung auf- und wieder abbauen zu können, wenn das Navigationssystem ab- und danach zur Lagekontrolle des Raumschiffes wieder angeschaltet wird. 
 
künsterlische Studien von New Horizons beim Vorbeiflug an Pluto
künsterische Studie des Vorbeifluges von New Horizons an Pluto. Der Planet hat während seiner Aphelphase zur Sonne eine eigene Atmosphäre, die im Perihel komplett ausfriert.

Bei einem sich drehenden Raumschiff sind keine Fotos mit den Bordkameras von New Horizons aufnehmbar. Aus Gründen der Treibstoffersparnis können auch nicht beliebig viele solcher spinstabiliserten Flugphasen eingerichtet werden. Aus diesem Grund gibt es nur zwei längere Phasen, in denen das Raumschiff spinstabilisert fliegt, um während dieser Flugphase seinen Datenüberhang abbauen zu können. Sie sind zeitlich direkt nach Kurskorrekturmanövern vorgesehen, von 10. März - 4. April 2015 und vom 15.-27. Mai 2015.

Dies bedeutet auch, dass während dieser Zeit keine neuen wissenschaftlichen Daten an Bord des Raumschiffes aufgenommen werden können, New Horizons fliegt also blind ohne direkte Sicht auf sein Zielgebiet. Der positive Effekt ist, dass New Horizons vor dem großen Finale im Pluto/Charon-System im Juli 2015 seine Datenspeicherkapazitäten freischaufeln kann, um für den großen Event gerüstet zu sein. Außerdem können die nichtbildgebenden Messinstrumente, wie SWAP, PEPSSI und SDC auch während der fehlenden Sichtverbindung zu Pluto/Charon weiter Daten aufnehmen.

New Horizons sollte energiebedingt in der Lage sein, bis nach dem Vorbeiflug an Pluto/Charon seinen zwei-TWTA Sendemodus beibehalten zu können, um alle angefallenen Flyby-Daten innerhalb des nach dem Flyby folgenden Jahres zur Erde übermitteln zukönnen. Sollte einer des Geräte ausfallen, könnte es daher auch bis zu zwei Jahre dauern.

Für die beabsichtigte weitere Erforschung des Kuipergürtels nach dem Vorbeiflug an Pluto und Charon werden die TWTAs wegen Energiemangels nicht mehr in der Lage sein, ihre Aufgabe zu erfüllen, d.h. die Erdkommunikation wird nach dem Pluto/Charon-Vorbeiflug nur noch sehr viel langsamer vor sich gehen können. Es braucht also sehr viel Geduld, um die Daten zur Erde zu bekommen.
  
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