Как спасали Galileo. Часть 2. Спасение миссии

voenny — 08.10.2024

АМС принимает данные от зонда, спускающегося в атмосферу Юпитера. Все данные удалось сохранить
После отказа привода остронаправленной антенны АМС команда проекта столкнулась с весьма сложной задачей: планировалась передача научной информации через радиолинию Х-диапазона со скоростью 134 Кбит/с, а в реальности была работоспособна только радиолиния S-диапазона со скоростями 10…60 бит/с, т.е. примерно в десять тысяч раз меньше. В таких условиях было необходимо оптимизировать буквально каждый элемент «сквозного тракта»: от формирования целевой информации приборами полезной нагрузки до способов её обработки на Земле.

Передача данных по радиолинии S-диапазона


Вклад предпринятых мероприятий в результат
Среди научных данных наибольший размер имели изображения, технология работы с ними выглядела так:


Технология работы с изображениями [5]
Данные от научной аппаратуры записывались на магнитофон (порядка 100-200 изображений на каждом витке), затем выполнялись редактирование изображения, их сжатие, помехоустойчивое кодирование и передача через антенну с низким коэффициентом усиления (LGA-1).
Подготовка изображений заключалось в удалении фона изображений спутников Юпитера и звезд (последние применялись для навигации), алгоритм обработки изображений:


Удаление фона изображений для сокращения объема передаваемой информации
Сжатие данных могло осуществляться с потерями и без потерь. Сжатие с потерями применялось для изображений спутников Юпитера, оно выполнялось по целочисленному алгоритму дискретного косинусного преобразования с матрицей 4х4 или 8х8. Основным был алгоритм с матрицей 8х8, он был реализован в более мощном процессоре системы ориентации AACS, алгоритм с матрицей 4х4 был резервным, он был реализован на нескольких процессорах системы управления Galileo CDS. Целочисленный алгоритм требует существенно меньших вычислительных ресурсов по сравнению с обычным дискретным косинусным преобразованием (где используются данные с фиксированной или плавающей точкой). Коэффициент сжатия с потерями выбирался учеными (постановщиками эксперимента) и достигал 15. Для оценки качества полученных изображений часть каждого изображения размером 96х96 пикселей, метко названная «окном правды» (truth window), кодировалась без потерь.
Кроме того, перед сжатием изображение размером 800х800 пикселей делилось на блоки из 8 строк (получается блок 800х8 пикселей). Потеря из помех в радиолинии одного блока не затрагивала соседние блоки, терялся всего 1 % изображения.
Для научных данных от остальных приборов применяется сжатие без потерь по алгоритму Лемпеля – Зива – Уэлча (LZW) с размером словаря 512 Байт, требующее всего три 16-битных сравнения на каждый поступающий байт данных. Коэффициент сжатия без потерь составил от 1,36 до 2,6 [6].
Помехоустойчивое кодирование выполнялось методом последовательного каскадного кодирования в три этапа:


Схема кодирования и декодирования данных
Сначала данные поступали в кодер Рида-Соломона, который может работать в четырех режимах, реализуя коды (255,161), (255,195), (255,225) и (255,245). Запись (255,245) означает, что на вход кодера поступает сообщение длиной 245 Байт, к нему добавляется 10 (255-245) проверочных байт, и на выходе получается кодовое слово длиной 255 Байт. Очевидно, что наиболее помехоустойчивым является код (255,161), но при таком кодировании проверочные данные занимают наибольший объём. На рисунке выше проверочные данные внутри информации на выходе из кодера показаны светло-серым цветом.
Затем в блоке перемежителя (Interleaver) выполняется перемежение данных с целью преобразования на приеме возможных пакетов ошибок в группы независимых случайных ошибок, вероятность исправления которых гораздо выше. Глубина перемежения, т.е. максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы по длине последовательности, составляет 8.
И в конце выполняется кодирование сверточным кодом (14, 1/4) со длиной кодового блока, равной 14 Байт и скоростью ¼ (на каждый входной символ формируется четыре символа на выходе кодера). Причем в случае Galileo сначала осуществлялось программное кодирование кодом (11, ½), а затем – аппаратное кодом (7, ½).
Применение такого каскадного кодирования дало выигрыш в 1,3 дБ по сравнению со стандартным каскадным кодом по рекомендациям CCSDS (сверточный код (7, ½) на первой ступени и код Рида-Соломона (255,223) на второй).
Далее информация поступала на модулятор, где выполнялась сначала модуляция поднесущей с частотой 22,5 кГц, а затем фазовая манипуляция BPSK. Сначала использовали сигнал с остаточной несущей с индексом модуляции до 72°. Впоследствии перешли на использование сигнала с подавленной несущей и индексом модуляции 90° (за счет подавления несущей были снижены затраты энергии на передачу).
Для декодирования на Земле используется алгоритм Витерби для каждого из каскадов кодирования с деперемежителем между ними. Ввиду малой скорости передачи данных (первые десятки бит в секунду) алгоритм Витерби был реализован в программе, исполняющейся на обычном компьютере. Декодирование кода Рида-Соломона осуществляется в несколько итераций от кода (255,161) до кода (255, 245) с передачей декодированных символов в декодеры Витерби на каждой из итераций.
Доработка наземного оборудования позволила увеличить скорость передачи информации по радиолинии S-диапазона примерно в 10 раз.


Наземный сегмент
На каждую земную станцию DSCC (Deep Space Communications Complex) - в Голдстоуне, Мадриде и Канберре - было установлено оборудование DGT (DSCC Galileo Telemetry). DGT состоит из двух каналов: первый использует в качестве демодулятора штатный приемник BVR (DSN Block V Receiver), а второй записывает сигнал при помощи блока FSR (Full-Spectrum Recorder), затем выполняется демодуляция в блоке BTD (Buffered Telemetry Demodulator). Первый канал работает в режиме реального времени, второй – только с постобработкой. В режиме реального времени обрабатывается порядка 90 % телеметрии с АМС. В ходе сеанса связи возможно динамическое изменение скорости передачи данных без потери захвата, что позволяет выиграть порядка 1 дБ.
Вторым важным этапом стала доработка 70-метровой антенны в Канберре путем установки нового малошумящего усилителя («ultracone») с температурой шумов 12,5 К без учета атмосферных эффектов и 15 К при больших углах возвышения и хорошей погоде. Температура шумов была понижена на 24 %, что обеспечивает аналогичный прирост информативности радиолинии.
Кроме того, применялось совместное использование нескольких антенн для приема сигналов. Одновременно работали 70-метровые антенны в Голдстоуне и в Канберре (в течение одновременной радиовидимости АМС), к 70-метровой антенне в Канберре подключали две антенны диаметром 34 м, расположенные на той же станции, а также к ним присоединялся 64-метровый радиотелескоп обсерватории Паркса (правда, последний имел минимальный рабочий угол места, равный 30°).
В целом получалась следующая схема сквозного тракта передачи научной информации:


Информационный тракт на борту АМС


Информационный тракт на Земле
В результате помехоустойчивое кодирование добавило 1,7 дБ в бюджет радиолинии, использование режима подавленной несущей – 3,3 дБ, доработка облучателя в Канберре – 1,7 дБ; объединение антенн – еще до 4 дБ. Пороговое значение отношения энергии на символ к спектральной плотности шума (E_s/N₀) составило минус 5,4 дБ.
В течение всего полета выполнялось управление скоростью передачи данных. При этом изменялись углы возвышения антенн, атмосферные условия, длина радиолинии (причем существенно, от 4 до 6 астрономических единиц, это примерно 3,6 дБ в бюджете). К тому же скорость приходилось снижать в случае, если угол между направлением на АМС и направлением на Солнце был меньше 22°. На борт Galileo передавались таблицы, на основании которых станция вычисляла программу изменения скорости в канале таким образом, чтобы запас в бюджете радиолинии составлял от 0,5 до 1 дБ.


Изменение E_s/N₀ в ходе миссии
График показывает, что при малом расстоянии между АМС и Землей и при углах возвышение антенн более 25 градусов возможна передача со скоростью 60 бит/с. При использовании нового малошумящего усилителя на антенне в Камберре удавалось достигать скорости в 80 и даже 120 бит/с. При большом расстоянии до АМС скорость падала до 8 бит/с, особенно при малых углах между направлением на Солнце и на АМС.
Изменения в радиолинии вводились в два этапа. В рамках «Фазы 1» (она продолжалась с марта 1995 по май 1996 года) использовалось сверточное кодирование кодом (7,1/2) и передача сигнала с остаточной несущей. Усилитель передатчика S-диапазона на базе лампы бегущей волны работал в режиме высокой мощности, антенна наводилась на землю с максимальной возможной точностью. На Земле информацию принимали при помощи штатного приемника BVR.
Начиная с июня 1996 Galileo начал работать в режиме «Фазы 2». Применялись описанные выше кодер Рида-Соломона, перемежитель и сверточный кодер, а также передача в режиме подавленной несущей. На Земле применяли второй канал, с записью и анализом всего спектра сигнала.
В итоге получилось передавать все данные, записанные на магнитофон, после каждого пролета спутников Юпитера.

Результат


Основная миссия АМС – 11 витков на орбите Юпитера
При создании Galileo было запланировано, что станция проведет на орбите Юпитера около двух лет и совершит 11 витков, за которые состоятся 10 пролетов спутников планеты-гиганта. Впоследствии состоялись два продления миссии, названные Galileo Europa Mission (с декабря 1996 по декабрь 1998 года) и Galileo Millennium Mission (с декабря 1998 года по 21 сентября 2003 года, когда АМС вошла в атмосферу Юпитера). Вот график всех пролетов:



В результате получилось передать на Землю более 14 тысяч изображений Юпитера и его спутников. Изначально было запланировано получение 50 тыс. изображений, но с учетом оптимизации программы наблюдений считается, что АМС получила порядка 70 % от запланированной научной информации.


Изображение Европы, спутника Юпитера
После исследований Galileo в 2011 году к Юпитеру отправилась станция JUNO, которая с 2016 года по настоящее время изучает планету. В прошлом году в систему Юпитера отправилась АМС JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), созданная ЕКА с целью изучения Ганимеда. А 12 октября 2024 года к Европе должна отправиться АМС Europa Clipper. Все эти станции оборудованы остронавправленными антеннами с жесткими рефлекторами, не требующими раскрытия в полете.

Выводы и рекомендации
Мне не удалось найти отчет об исследования отказа раскрытия рефлектора остронаправленной антенны Galileo, зато был найден ряд статей [3-6] с описанием проблемы с разных точек зрения, а также страница на сайте «выученных уроков» NASA.
Главный урок, конечно же – избегать случаев, когда отказ приводит к потере миссии. В статье [4] говорится, что антенна HGA Galileo диаметром 4,8 м давала прирост в бюджете радиолинии всего в 2 дБ по сравнению с жесткой 3,7 м антенной АМС Voyager.
Второе – нужно помнить о явлении «холодной сварки», особенно в случае нагруженных контактов. JPL обновила внутренние стандарты, Европейское космическое агентство выпустило документ STM-279, посвященный данному явлению. В случае применения покрытий из дисульфида молибдена важно учитывать их износ при работе в атмосфере.
Третий – заимствование изделий, имеющих летную квалификацию, всегда должно сопровождаться анализом условий их применения.
И четвертый урок – запас в 0,5 дБ является оптимальным выбором для организации работы радиолинии с точки зрения получения максимального объема информации с АМС.
В заключение традиционно хочу отметить, что единственная цель написания данного поста – осмысление примененных коллегами технических решений и последствий этих решений.

Исправления, уточнения и дополнения всячески приветствуются.

Литература
1. D.M. Harland, R.D. Lorenz "Space System Failures. Disasters and Rescuers of Satellites, Rockets and Space Probes", Springer and Praxis Publishing, Chichester, UK, 2006.
2. И. Лисов «США. Первый спуск в атмосферу Юпитера» / «Новости космонавтики», 1995, № 25 html.
3. И. Лисов «Галилео»: долгая дорога к старту» / «Новости космонавтики», 1995, № 26 html.
3. M.R. Johnson The Galileo High Gain Antenna Deployment Anomaly / N94-33319 pdf.
4. J. Taylor, K-M Cheung, D. Seo Galileo Telecommunications / JPL DESCANSO Deep Space Communications and Naavigation Systems Center of Excellence. Design and Performance Summary Series, Article 5, July 2002 pdf.
5. W.J. O’Neil, N.A. Ausman, T.V. Johnson, M.R. Landano, J.C. Marr Performing The Galileo Jupiter Mission with the Low-Gain Antenna (LGA) and an Enroute Progress Report / IAI-93.Q.5.411 pdf.
6. K.-M. Cheung, K. Tong Proposed Data Compressions Schemes for the Galileo S-band Contingency Mission / pdf.

Иллюстрации взяты из публикаций и из Википедии.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив