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Operationsplanung für Okkultationsexperimente im Rahmen der MarsExpress-Mission

Diplomarbeit 2002 80 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Luft- und Raumfahrttechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

2 Einleitung

3 Aufgabenstellung

4 Technik der Radio-Science
4.1 Allgemeines
4.2 Kommunikation zwischen Sonde und Bodenstation
4.3 Das Bodensegment
4.4 Das Kommunikationssystem des Satelliten
4.5 Verfahrensweise bei der Radio-Sondierung
4.6 Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung
4.7 RS-Experimente
4.7.1 Gravity-Experimente
4.7.2 Bistatic-Radar-Experimente
4.7.3 Okkultations-Experimente
4.7.4 Solar-Corona-Experimente

5 Der Radio-Science-Simulator (RSS)
5.1 Zielsetzung
5.2 Konzept
5.3 Module
5.3.1 Ephemeriden-Modul
5.3.2 Orbit-Modul
5.3.3 Okkultations-Modul
5.3.4 Die Mars Climate Database (MCD)
5.3.5 Das Re-Entry-Modul
5.4 Erweiterungsmöglichkeiten
5.4.1 Ephemeridenmodul für Kometen und Asteroiden

6 Dokumentation des bisherigen Stands des Okkultations-Moduls
6.1 Allgemeines
6.2 Berechnung der Okkultation
6.3 Ausgabe des Okkulationsmoduls

7 Erweiterungen am Okkultationsmodul
7.1 Allgemeine Erweiterungen und Verbesserungen
7.2 Optimieren des Ephemeriden-Moduls
7.2.1 Wählbarkeit der Geschwindigkeitsberechnung
7.2.2 Umschreiben in Simulink
7.2.3 Berechnen der Lichtlaufzeit
7.3 Berücksichtigen der Lichtlaufzeit
7.3.1 Grundlagen
7.3.2 Realisierung in Matlab
7.4 Einbinden der Bodenstationen
7.4.1 Theoretische Grundlagen
7.4.2 Realisierung in Simulink
7.5 Feststellen der Sichtbarkeit zur Bodenstation und Ausgabe in eine Datei
7.5.1 Grundlagen
7.5.2 Realisierung in Simulink
7.6 Erstellen von Ausgabe-Dateien
7.6.1 Aufbereiten der Ausgabe-Dateien .
7.6.1.1 Zusammenfassen von Okk output.mat und Visibi.mat
7.6.1.2 Aufbereiten der Rohdaten .
7.6.2 Erstellen von VisEvent-Files
7.6.2.1 Grundlagen
7.6.2.2 Realisierung in Matlab .
7.6.3 Erstellen von Request-Files
7.6.3.1 Grundlagen
7.6.3.2 Realisierung in Matlab .
7.6.4 Erstellen vonübersicht-Files
7.6.4.1 Grundlagen
7.6.4.2 Realisierung in Matlab .
7.6.5 Erstellen von Statistik-Files
7.6.5.1 Grundlagen
7.6.5.2 Realisierung in Matlab .
7.7 Durchführen der Auswertung
7.8 Integration in den RSS mittels eines GUI
7.8.1 Grundlagen
7.8.2 Realisierung mit GUIDE

8 Analyse der Fehlergenauigkeit
8.1 Allgemeines
8.2überprüfung der Sichtbarkeits-Zeiträume
8.3überprüfen der Okkultationszeiträume . .
8.4 Positionsgenauigkeit des Aufpunkts
8.5 Zusammenfassung

9 Zusammenfassung und Ausblick

10 Literaturverzeichnis

11 Anhang
11.1 Groundstation Data
11.2 Struktur des Okkulationsmoduls unter Simulink .
11.3 occ raw.m
11.4 occ raw work.m
11.5 occrequest.m
11.6 occorb.m
11.7 visevent.m
11.8 occ stat.m
11.9 auswertung.m

Abbildungsverzeichnis

4.1 Ein-Wege-Verbindung [Pät01a]

4.2 Zwei-Wege-Verbindung [Pät01a]

4.3 Globale Verteilung der Bodenstationen [Pät02]

4.4 Bistatisches Radar [Pät01a]

4.5 Geometrie eines Bistatic-Radar-Experimentes [Pät01a] . .

4.6 Ablauf eines Okkultations-Experimentes [Pät01b]

4.7 Zeitlicher Verlauf eines Okkultations-Experimentes

5.1 Struktureller Aufbau des RSS

6.1 Geometrie einer Okkultation

6.2 Berechnung des Winkels Erde-Satellit und Planet-Satellit

7.1 neues Ephemeriden-Modul

7.2 Berechnung der Summe R0

7.3 Berechnung der Lichtlaufzeit unter Simulink

7.4 Prinzipskizze Lichtlaufzeit

7.5 Berechnung Vektor Earth-Sat

7.6 Berechnung des Vektors Earth-Station

7.7 Polarkoordinaten

7.8 Berechnung der geographischen Länge

7.9 Berechnungsblock Bodenstation

7.10 Berechnung innerhalb Bodenstations-Block

7.11 Sichtbarkeit und Unterbrechung der Sichtbarkeit

7.12 Grenzfall der Sichtbarkeit

7.13 Berechnung der Sichtbarkeit

7.14 VisEvent-Datei für Madrid

7.15 Auszug aus einem Request-File

7.16 Auszug aus einemübersichts-File

7.17 Auszug aus einem Statistik-File

7.18 GUI des Okkultations-Moduls

8.1 Okkultations-Aufpunkte

11.1 Struktur des Okkulationsmoduls

Tabellenverzeichnis

8.1 Analyse Sichtbarkeitszeiträume 10.2.2004

8.2 Analyse Sichtbarkeitszeiträume 16.6.2004

8.3 Analyse Okkultationszeiträume 31.3.2004

8.4 Vergleich Okkultationsdauer 31.3.2004

8.5 Analyse Okkulationszeiträume 16.6.2004

8.6 Vergleich Okkulationsdauer 16.6.2004

8.7 Okkulationseintritts- und Austrittspunkte

1 Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2 Einleitung

Die Erforschung des Weltraums mit Hilfe von unbemannten Missionen war schon immer ein wichtiges Instrument für die Wissenschaftler, Informationenüber weit entfernte Planeten zu erhalten. Diese Daten werden mit Hilfe von Radio-Sondierungs-Experimenten gewonnen, die teilweise sehr komplex und umfangreich sind. Deshalb ist eine genaue Planung dieser Missionen sehr wichtig, um ein Maximum an Informationen zu erhalten. Zur Planung dieser Missionen werden in immer zunehmenderem Maße Computersimulationen eingesetzt, anhand deren man die Missionen mit allen ihren Teilaspekten schon vor dem eigentlichen Start am Rechner simu- lieren, während der Missionüberwachen und nach Abschluß der Mission die Ergebnisse auswer- ten kann. Eines dieser Simulationprogramme wird zur Zeit am Institut für Raumfahrttechnik an der Universität der Bundeswehr entwickelt. Mit dem RSS, dem Radio Science Simulator, soll es nach Fertigstellung möglich sein, sehr kostengünstig und unabhängig von den großen Raumfahrtorganisationen ESA und NASA eigene Projekte zu planen und durchzuführen.

3 Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit soll es sein, Grundlagen der Radio Science und des RSS anschaulich dar- zustellen und zu vermitteln, sowie den RSS in seiner jetzigen Form zu verbessern und noch leistungsfähiger zu machen. Hierbei konzentriert sich diese Arbeit auf das Okkultationsmodul des RSS, welches durch ein vorherige Studienarbeit in den RSS integriert wurde und nun noch in einigen Teilbereichen optimiert werden soll. Im einzelnen sind dies folgende Aufgaben :

ˆEinarbeiten der Bodenstation

Da das alte Okkultationsmodul die Bodenstation nicht berücksichtigt, sollen diese nun in Zukunft bei den Berechnungen berücksichtigt werden.

ˆAuswerten der Ausgabe-Dateien und Erstellen von Request-Dateien

Das Okkultationsmodul gibt seine Daten nur in Roh-Dateien aus. Diese sollen nun mit Hilfe von Matlab-Programmen ausgewertet werden und daraus dann Text-Dateien nach dem ESA-Standard erstellt werden, um einen besseren Ergebnis-Abgleich durchführen zu können.

ˆErstellen einer grafischen Benutzeroberfläche

Die Bedienung des Okkulationsmoduls soll durch eine im Rahmen dieser Arbeit erstellte grafische Benutzeroberfläche komfortabler und einfacher gestaltet werden.

ˆSonstige Verbesserungen

Danach sollen die Ergebnisse anhand vom Langzeitrechnungen am Beispiel der Mars Express Mission verifiziert werden.

4 Technik der Radio-Science

4.1 Allgemeines

Das Verfahren der Radio-Sondierung beruht auf der Untersuchung kleiner Änderungen in Fre- quenz, Amplitude und Polarisation eines Radio-Signals. Der große Vorteil solcher Experimente ist, das zur Erzeugung des zu untersuchenden Signals auf die Telemetrieausstattung der Sonde zurückgegriffen werden kann. Da diese Ausstattung für die Steuerung und Kommunikation mit der Sonde unerläßlich ist, befindet sie sich also auf jeden Fall an Bord. Somit ist es für RS- Experimente nicht notwendig, zusätzliche teuere und vorallem schwere Geräte zu installieren. Zum besseren Verständnis des Verfahrens und der einzelnen Experimente ist es nötig, zunächst auf einige Grundlagen einzugehen. Dies geschieht in den folgenden Kapiteln. [Pät01b]

4.2 Kommunikation zwischen Sonde und Bodenstation

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, eine Verbindung von Bodenstation und Sonde während eines RS-Experimentes herzustellen, die Einwege- Verbindung (One-Way-Link) oder die Zweiwege-Verbindung (Two-Way-Link).

ˆDie Einwege-Verbindung :

Der Downlink erfolgt auf dem X-Band, und es gibt keinen Uplink von der Bodenstation. Die für die RS-Experimente notwendige Frequenz-Stabilität liefert hierbei ein Ultra Stable Osscillator (USO) (siehe auch nächstes Kapitel).

Abbildung 4.1: Ein-Wege-Verbindung [Pät01a]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ˆDie Zwei-Wege-Verbindung:

Bei der Zwei-Wege-Verbindung erfolgt ein Uplink auf dem X-Band von der Bodenstation zur Sonde. Dieses Signal wird von der Sonde aufgenommen und phasenkohärent auf dem S- und dem X-Band (Dual-frequency-Downlink) zur Bodenstation zurückgesendet. Die Frequenzstabilität wird hierbei durch einen sehr genauen Wasserstoff-Maser bestimmt, der sich in in der Bodenstation befindet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Zwei-Wege-Verbindung [Pät01a]

Der Vorteil der Zwei-Wege-Verbindung ist, das es nicht nötig ist, einen USO einzubauen, denn man kann auf die noch höhere Genauigkeit des Masers der Bodenstation zurückgreifen. Außerdem können auf dem Uplink zusätzliche Befehle an die Sondeübermittelt werden. Ein sehr großer Nachteil ist allerdings, das Uplink und Downlink nicht den selben Weg durch den Raum zurücklegen. Dies ist vor allem bei Okkultationsexperimenten von Nachteil, da die Auflösung durch diesen Effekt stark verringert wird. Somit gehen wichtige Daten verloren, deswegen ist eine Ein-Wege-Verbindung vorzuziehen.[Pät01a]

4.3 Das Bodensegment

Als Bodensegment versteht man alle Einrichtungen und Anlagen auf der Erde, die zur Aufrechterhaltung der Kommunikation und zum Empfang der wissenschaftlichen Daten nötig sind. Auch hier ist sind für Radio-Sondierungs-Experimente keine zusätzlichen Anlagen nötig, es können die bereits vorhandenen genutzt werden.

Um eine lückenlose Kommunikation, das heißt also die ständige Sichtbarkeit der Sonde von Erde aus zu gewährleisten, ist eine Verteilung von mehreren Empfangsstationenüber den ge- samten Globus nötig. Da die ESA zur Zeit nur auf eine Station in Weilheim zurückgreifen kann, ist sie zur Durchführung ihrer Missionen auf das Deep Space Network der amerikani- schen Raumfahrtbehörde NASA angewiesen. Ab 2003 geht jedoch eine weitere Bodenstation für die ESA in Perth(35m-Spiegel) in Betrieb. Die globale Verteilung der Empfangsstationen zeigt die folgende Abbildung [Pät02]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.3: Globale Verteilung der Bodenstationen [Pät02]

Mittels eines Wasserstoff-Masers werden in den Bodenstationen die Trägersignale erzeugt. Ein Maser arbeitet ebenso wie ein Laser nach dem Prinzip der erzwungenen Emissionen. Elektronen werden durch zugeführte Energie auf einen energetisch höheren Zustand gebracht. Beim Zurückfallen geben die Elektronen die zugeführte Energie in Form kohärenter elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich ab.

Auf das Trägersignal werden die Kommunkationsdaten im X- (8,4 GHz), S- (2,3 GHz) und bald auch im Ka-Band (32GHz) aufmoduliert. Durch Benutzung des Masers hat das Signal eine extrem geringe Frequenzabweichung (5 · 10−9 Hz) und kann dadurch auch als Referenzquelle bei RS-Experimenten genutzt werden. [GKV86]

Das Absetzen des Signals erfolgt schließlichüber eine große Antenne mit möglichst hohem Antennengewinn.

4.4 Das Kommunikationssystem des Satelliten

Kernstück der Kommunikationsausrüstung eines Satelliten ist ein redundanter Transponder. Dieser kann, wie schon oben angesprochen, im Ein-Wege- oder Zwei-Wege-Modus betrieben werden. Die vom Transponder erzeugten Signale werden dannüber eine Antenne mit sehr hohem Antennengewinnen, eine sogenannte High-Gain-Antenna (HGA) abgestrahlt. Um die Genauigkeit bei Messungen im Ein-Wege-Modus zu erhöhen, ist eine stabile Signalquelle als Referenz an Bord notwendig. Hier bietet sich der Einsatz eines USO an, der mit einer Stabilität von 10−13 herkömmlichen Oszillatoren (mit einer Stabilität von 10−10 bei weitemüberlegen ist. Allerdings muß manchmal aus Gewichts- oder Kostengründen auf einen USO verzichtet wer- den. Dann muß allerdings bei RS-Exerimenten auf eine Zwei-Wege-Verbindung zurückgegriffen werden. [Pät01a]

4.5 Verfahrensweise bei der Radio-Sondierung

Dieses Radiosignal wird, im Falle der Radio-Sondierung bei Weltraum-Missionen, von der Raumsonde ausgesandt, breitet sich im interplanetaren Raum aus und wird schließlich auf der Erde empfangen. Im Verlauf der Ausbreitung durch den Raum wird das Signal nun verschiedenen Störeinflüssen ausgesetzt. Dies können zum Beispiel sein :

ˆ- die relative Bewegung zwischen Raumsonde und Bodenstation (Dopplereffekt)
ˆ- Ausbreitung durch neutrale (z.B. Atmosphäre) oder ionisierte Medien (z.B. Ionosphäre, Korona)
ˆ- Reflexion an Planetenoberflächen
ˆ- Schwerewirkung von Planeten auf die Raumsonde
ˆ- Einfluß durch andere Instrumente an Bord der Raumsonde

Da die Größen des gesendeten Signals bekannt sind, kann dieses nun mit dem empfangenen verglichen werden. Bekannte Störgroßen (z.B. der klassische Dopplereffekt) werden herausgerechnet,übrig bleiben schließlich ÄnderunginFrequenz,AmplitudeundPolarisationdes Signals, aus denen dann zum Beispiel auf die Zusammensetzung der durchquerten Ionosphäre oder der bestrahlten Planetenoberfläche geschlossen werden kann. Somit ergeben sich mehrere Möglichkeiten, RS-Experimente durchzuführen. Diese sind im einzelnen :

ˆ- Gravity-Experimente
ˆ- Bistatic-Radar-Experimente
ˆ- Okkultations-Experimente
ˆ- Solar-Corona-Experimente

Auf diese vier RS-Experimente werden im Verlauf dieses Kapitels noch detailliert eingegan- gen.

4.6 Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung

Für alle RS-Experimente ist eine sehr genaue Orts- und Geschwindigkeitsbestimmung der Son- de notwendig. Die Position der Sonde wird mit einer Laufzeitberechnung bestimmt, wobei aus der Laufzeit des Radio-Signals, welches sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegt, die genauen Ortskoordinaten berechnet werden können. Bei der Bestimmung der Geschwin- digkeit wird auf den Doppler-Effekt zurückgegriffen. Mit der daraus resultierenden Beziehung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei Δf die resultierende Frequenzverschiebung und f0 die eigentliche Sendefrequenz ist, kann man die Geschwindigkeit der Sonde bestimmen. Allerdings darf die Geschwindigkeit der Sonde zwischen zwei Signalen nicht variieren, und die emittierte Frequenz muß sehr stabil sein. Hier zeigt sich auch, wieso zu einer sehr genauen Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung auf sehr genaue Referenquellen wie den USO oder den MASER der Bodenstation zugrückgegriffen werden muß.[Thö02]

4.7 RS-Experimente

4.7.1 Gravity-Experimente

Ein Himmelskörper erzeugt ein Gravitationspotential, das von seiner Gesamtmasse sowie der räumlichen Verteilung der Masse abhängt. Weicht der Planet zum Beispiel durch Abplattung an den Polen von der idealen Kugelform ab, erfährt so ein Satellit, der sich auf einer hoch inklinierten Bahn um dieses Planeten befindet, an den Polen eine höhere Beschleunigung als an der Äquatorebene. Die inhomogene Massenverteilung lässt den Satelliten alsoüber die Zeit immer mehr von der klassischen ungestörten Keplerbahn abweichen. Kennt man nun die genauen Abweichungen von der ungestörten Bahn, kann also auf die Massenverteilung, auf das Gravitationspotential und damit auch auf den inneren Aufbau (z.B. Zusammensetzung, Dichte) des zu untersuchenden Planeten geschlossen werden. Die Methode der Radiosondierung liefert hierbei die benötigten sehr genauen Positions- und Geschwindigkeitsdaten der Raumsonde (siehe auch 3.1.6), die mit denen einer ungestörten Bahn verglichen werden. Somit können die Störeinflüsse der Gravitationswirkung errechnet werden. Hierbei ist es allerdings wichtig, das alle sonstigen nicht-gravitativen Störgrößen bekannt sind, um diese vorher herauszurechnen und somit den Fehler bei der Bestimmung des Gravitationspotentials möglichst gering zu halten. Zur Messung ist ein ruhiger und stabiler Orbit nötig. Niedrige Umlaufbahnen sind zu bevorzugen, da so innerhalb kurzer Zeit viele unterschiedliche Regionenüberstrichen werden und somit die Effekte der Gravitationsanomalien die Umlaufbahn stärker stören.[Tyl]

4.7.2 Bistatic-Radar-Experimente

Im Gegensatz zum monostatischen Radar, das Sender und Empfänger an einem Ort vereinigt, erhält man durch die räumliche Trennung von Sender und Empfänger eine Konfiguration, die man bistatisches Radar nennt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.4: Bistatisches Radar [Pät01a]

Die grundsätzliche Geometrie eines Bistatic-Radar-Experimentes zeigt folgende Grafik.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.5: Geometrie eines Bistatic-Radar-Experimentes [Pät01a]

Das Signal der Sonde wird von dem zu untersuchenden Gebiet reflektiert, dadurch verändert und von der Bodenstation auf der Erde aufgefangen. Durch Vergleich des gesendeten und empfangenem Signals ist es möglich, die Oberflächenbeschaffenheit (z.B. Rauhigkeiten oder Neigungen), elektrische Kostanten und Dichte des bestrahlten Gebiets zu ermitteln. Hierbei kann in Tiefen bis zu 20 Metern vorgedrungen werden, was zum Beispiel die Entdeckung von Wasser unter der Oberfläche von Planeten ermöglicht. Der Orbit für diese Messungen muß natürlich an die geographische Lage des zu untersuchenden Gebietes angepaßt werden. Eine niedrige Umlaufbahn ermöglich die Erfassung von vielen unterschiedlichen Gebieten, während ein sich mit einem höheren Orbit ein größeres Gebiet abdecken bzw. sich ein einzelnes Gebiet länger bestrahlen läßt. Bei längerer Bestrahlung eines speziellen Gebiets ist somit auch eine sehr genaue Ausrichtung der Sonde nötig, so daß eine genaue Lageregelung des Satelliten wichtig ist, was sich dann aber durch viele Korrekturmanöver negativ auf den Treibstoff-Vorrat der Sonde auswirken kann.Außerdem muß selbstverständlich eine freie Sichtlinie (Visibility) von der Bodenstation zur Sonde und zum Zielgebiet existieren.[Pät02]

4.7.3 Okkultations-Experimente

Okkultation bedeutet im allgemeinen die vollständige Verdeckung eines Körpers durch einen anderen. Im Falle der Radio-Sondierung bedeutet es, das die Sonde von der Erde aus hinter dem zu untersuchenden Planeten verschwindet. Bevor der Satellit vollständig von der planetaren Scheibe verdeckt wird, durchleuchten die zur Erde gerichteten Radiowellen für eine gewisse Zeit die Atmosphäre des Planeten. Die prinzipielle Geometrie eines Okkultationsexperimentes zeigt folgende Abbildung :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.6: Ablauf eines Okkultations-Experimentes [Pät01b]

Beim Durchqueren der Atmosphäre bzw. Ionosphäre wird das Signal durch elektromagnetische Wechselwirkung beeinflußt und in Frequenz und Amplitude verändert. Aufgrund dieser Veränderungen kann dann, wie schon beschrieben, atmosphärische und ionosphärische Verteilung von Temperatur, Druck und Dichte ermittelt werden. Außerdem kann man den TEC (Total Electron Content) der planetaren Ionosphäre berechnen. Den zeitlichen Ablauf eines Okkultationsexperimentes wird durch folgende Abbildung veranschaulicht :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.7: Zeitlicher Verlauf eines Okkultations-Experimentes

Bei der Wahl des Orbits für Okkultationsexperimente ist zu beachten, das diese nur bei bestimmten Konstellationen von Planet, Sonde und Erde durchgeführt werden können. Au- ßerdem ist die Zeit hier ein kritischer Faktor, da der Zeitraum von Eintreten in die Atmosphäre bis zum Abbruch des Signal durch Verdeckung von der planetarschen Scheibe nur sehr kurz ist. Hier bieten sich höhere Orbits an, den die Geschwindigkeit der Sonde ist dort geringer und somit steht mehr Meßzeit zur Verfügung. Niedrige Orbits haben den Vorteil, das es öf- ters zu Okkultationen kommt. Ein sehr wichtiger Faktor bei diesen Experimenten ist auch der Sonnenstand, denn die Sonneneinstrahlung beeinflußt die Atmosphäre sehr stark. [Atr86]

4.7.4 Solar-Corona-Experimente

Die Korona ist die äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre. Ihre Ausdehnung schwankt stark, in Zeiten geringer Sonnenaktivität ist sie mehr als doppelt so groß wie der Sonnendurchmes- ser. Die Helligkeit der Korona ist nicht sehr hoch, am Sonnenrand beträgt sie nur ungefähr ein Millionstel der photosphärischen Helligkeit, außerdem nimmt sie mit zunehmender Ent- fernung von der Sonne noch weiter ab. Somit ist es sehr schwierig, Beobachtungen von der Erde aus durchzuführen, Beobachtungen von Satelliten oder Raumstationen aus sind sehr wertvoll. Befindet sich die Sonde von der Erde aus gesehen innerhalb 10 Grad Elongation (ent- spricht ca. 40 Sonnenradien) im Bezug auf die Sonnenscheibe, wirken die dispersiven Effekte (Laufzeitveränderung, Dopplerverschiebung und -rauschen) auf die Radiosignale der Sonde und werden dadurch in Frequenz und Amplitude verändert. Aufgrund dieser Veränderungen können, wie schon beschrieben, Datenüber das Magnetfeld, den Sonnenwind undüber sonnen- koronale Massenausbrüche erlangt werden. Außerdem kann durch Solar-Corona-Experimente der TEC (Total Electron Content), also der gesamte Elektroneninhalt der Sonnenkorona, be- stimmt werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse sind vor allem für die Klimaforschung von großem Interesse, da die Sonnenaktivität einer der wesentlichen klimabeeinflussenden Faktoren ist.[Pät01b]

5 Der Radio-Science-Simulator (RSS)

5.1 Zielsetzung

Der Radio-Sondierungs-Simulator (RSS) wird am Institut für Raumfahrttechnik der Universität der Bundeswehr in München entwickelt. Er baut auf dem bereits genutzten Klein-Satelliten- Simulator (KSS) auf und soll es zukünftig ermöglichen, schnell und einfach Untersuchungen und Berechnungen im Rahmen von Radio-Sondierungs-Experimenten durchzuführen. Mit dem RSS steht dem Institut somit ein von anderen Institutionen und Einrichtungen unabhängiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem Aufgabenstellungen in Studien- und Entwicklungsphasen von Raumfahrtmissionen bearbeitet werden können.

Kennzeichnend für den RSS ist sein modularer Aufbau. Durch diese Struktur ist es möglich, Erweiterungen, Weiterentwicklungen, neue Missionen oder ähnliches auf einfache Weise hinzuzufügen, ohne den bestehenden Aufbau des Programms verändern zu müssen. Den Schwerpunkt der Anwendung dieser Simulations-Software stellt die Planung und Durchführung sowie Auswertung von Radio-Sondierungs-Experimenten dar. Dabei können grundlegende Berechnungen von Daten durchgeführt werden. Dies sind u. a.:

1. Berechnung der Bahnelemente von Weltraumsonden
2. Berechnen von Planeten-Ephemeriden
3. Berechnen der Zeitpunkte von Okkultationen

4. Berechnen der Lageregelungsdaten von Bistatic-Radar-Experimenten Dabei ist der RSS gekennzeichnet durch:

1. Geringe Anschaffungskosten durch institutsinterne Entwicklung
2. Hohe Flexibilität in Nutzung und Weiterentwicklung durch modularen Aufbau
3. Benutzerfreundliche Bedienung durch Benutzeroberflächen (GUIs)
4. Einfaches Einbinden von bereits existierenden Programmen
5. Hohes Entwicklungspotential

5.2 Konzept

Das Konzept des RSS besteht darin, ein flexibles Instrument zu schaffen, um künftige Missionen im Bereich Radio-Sondierung besser und effektiver planen, durchführen und anschließend ana- lysieren zu können. Dies soll durch die Benutzung des Programmpakets MATLAB/Simulink als Grundlage realisiert werden, da es sehr flexibel einsetzbar ist und durch seine vielfachen, aber einfachen Erweiterungsmöglichkeiten besticht. Mit dieser Software ist es möglich, vor al- lem Programme für Vektor und Matrizenoperationen einfach zu erstellen. Außerdem verfügt MATLABüber zahlreiche Toolboxen,über die auf bereits erstellte Funktionen zurückgriffen werden kann. Eine wichtige Toolbox bei der Erstellung des RSS ist SIMULINK, bei der der Benutzerüber eine graphische Oberfläche verfügt, auf der er Programmabläufeüber Signal- flusspläne erstellen kann. Es kann hierbei auf eine sehr große Anzahl von bereits vorhandenen allgemeinen Funktionsblöcken zurückgegriffen werden. Zusätzlich können speziell für den KSS und RSS geschaffene Blöcke eingesetzt werden.

Die unter MATLAB und SIMULINK erstellten Programme lassen sich ohne weiteres mitein- ander verknüpfen. Dies ermöglicht einen modularen Aufbau des RSS, so dass jedes Programm auf die benötigten Ergebnisse von anderen Modulen zurückgreifen kann. Auch ein Importieren von Programmen, die in einer anderen Programmiersprache (C++, Fortran) erstellt wurden, ist möglich und wurde im Rahmen des Aufbaus des RSS durchgeführt. Um die Verknüpfung der einzelnen Programme zu erleichtern, die Benutzung anschaulicher zu gestalten und somit den RSS leichter handhaben zu können, wird auf die Erstellung von sogenannten Graphical User Interfaces (GUI) zurückgegriffen. GUIs sind graphische Benutzeroberflächen, die unter MATLAB mittels ”Drag´nDrop“oderauchmanuellprogrammiertwerdenkönnen.DieSimu- lation einer Mission kann auf diese Weise von einer einzigen Benutzeroberfläche aus gestartet werden, auf der man auf sehr einfache Art und Weise Startwerte und weitere Parameter ein- geben bzw. ändern, einzelne Module des RSS aktivieren und sich die Ausgabewerte anzeigen lassen kann.

Durch die modulare Struktur des KSS und RSS ist es möglich, diese an die jeweiligen Missionsanforderungen anzupassen und eventuell zu erweitern. Der RSS besteht aus einzelnen Modulen, die jeweils einen Teilaspekt der Mission untersuchen. Als Beispiel sei hier das Orbitmodul angeführt, das Geschwindigkeits- und Positionsvektoren einer Raumsonde ausgibt. Diese Daten können dann von anderen Modulen für weitere Berechnungen genutzt werden. Die folgende Abbildung zeigt die Struktur des RSS mit seinen jetzigen Modulen sowie den Speicherplätzen für Variablen, die Modulübergreifend genutzt werden (auf der rechten Seite der Abbildung). Diese Speicherplätze werden auch als Data-Storage-Arrays bezeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.1: Struktureller Aufbau des RSS

5.3 Module

5.3.1 Ephemeriden-Modul

Für viele Berechnungen im Rahmen von Radio-Sondierungs-Experimenten ist eine fortlaufende Ausgabe der Position von bestimmten Himmelskörpern (Ephemeriden) notwendig. Diese Ausgabe erfolgt durch das Ephemeridenmodul in heliozentrisch-ekliptikalen Koordinaten, da dieses Koordinatensystem hierfür am geeignetsten ist. Mit Hilfe des Moduls ist es möglich, die Ephemeriden aller Planeten zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu berechnen. Die Algorithmen zur Berechnung von Planetenpositionen nach der VSOP87 wurden im Rahmen von [Höh02] unter MATLAB/SIMULINK zu diesem Modul zusammengestellt. Die Daten aus dem EphemeridenModul sind deswegen für den RSS wichtig, da hiermit u. a. Störeinflüsse von Planeten und Monden auf Raumsonden um einen Zentralkörper berücksichtigt werden und deren Sichtbarkeiten bzw. Verdeckungen bestimmt werden können.

5.3.2 Orbit-Modul

Das Orbitmodul dient zur Berechnung der Bahnparameter des Satelliten und stellt somit einen wesentlichen Bestandteil des RSS dar, da fast alle anderen Module auf diese Daten angewiesen sind. Es berechnet Ort und Geschwindigkeit des Satelliten zu jedem Zeitpunkt. Aus diesen Daten können dann die klassischen Bahnparameter des Satelliten-Orbits bestimmt werden.

Bei der Berechnung werden verschiedene Störfaktoren berücksichtigt. Einer der wichtigsten Störfaktoren stellt die gravitative Wirkung von Himmelskörpern auf den Satelliten dar. Der Gravitations-Einfluß unterteilt sich wie folgt:

1. Direkte Einflüsse beschreiben die gravitative Wirkung des Himmelskörpers, um den der Satellit kreist
2. Indirekte Einflüsse beschreiben die gravitative Wirkung von Monden, der Sonne und anderer großer Planeten auf die Sonde

Das Orbitmodul berücksichtigt neben den direkten gravitativen Einflüssen auch die Gravitationswirkung der Sonne sowie des Jupiters.

Als weiterer Störfaktor, der in die Berechnung mit einfließt, stellt sich der Strahlungsdruck der Sonne dar. Der Benutzer kann durch Auswahl in einem GUI entscheiden, welche Stör- faktoren während der Simulation berücksichtigt werden sollen. Für den Start der Simulation benötigt das Orbitmodul Anfangswerte, welche vor der eigentlichen Simulation aus Missions- Daten ausgelesen werden.

5.3.3 Okkultations-Modul

Das Okkultations-Modul dient zur Berechnung von Okkultationsein- und Austritten während eines Orbits um den Planeten. Es ermöglicht die Berechnung von Eintritts- und Austrittszeit- punkten von Atmosphären- und Planeten-Okkultationen. Des weiteren werden die Orbitpa- rameter des Satellitenorbits, Koordinaten des Aufpunktes (Punkt auf der Planetenoberfläche, an dem eine Okkultation stattfindet) und der Sonnenstand festgehalten und als Datei abge- speichert. Zusätzlich ist mit Hilfe der gespeicherten Werte eine graphische Ausgabe möglich, mit der man sich z. B. Dauer der Okkultation, Position der Sonde im Orbit zum Zeitpunkt der Okkultation sowie den Sonnenstand am Aufpunkt anzeigen lassen kann. Zur Berechnung greift das Okkultationsmodul auf folgende Werte aus dem RSS zurück:

1. Julianisches Datum
2. Orbitnummer
3. Position und Geschwindigkeit des Satelliten
4. Vektoren Sonne-Erde und Sonne-Planet
5. Orbitparameter

Diese Werte entnimmt das Okkultationsmodul den Data-Storage-Arrays des RSS. Die Berechnung der Okkultationswerte erfolgt gleichzeitig mit der Berechnung der Orbitdaten, d.h. zu jedem Punkt des Orbits wird gleichzeitig geprüft, ob ein Ein- oder Austritt in eine Okkultation vorliegt. Ist dies dann der Fall, speichert das Okkultationsmodul die Werte ab.

5.3.4 Die Mars Climate Database (MCD)

Die MCD ist eine Sammlung von bisherigen Atmosphärendaten, die von bisherigen Marsmissio- nen gewonnen wurden (mit Schwerpunkt Viking/Pathfinder). Mit Hilfe von numerischen Ver- fahren und Interpolation kann die MCD die Dichte, Temperatur und Windgeschwindigkeiten im aerozentrischen, sphärischen KOS zu einem gewünschten Zeitpunkt an einem gewünschtem Ort ausgeben. Man kann auf drei verschiedene Modelle zurückgreifen sowie Werte für drei ver- schiedene Staubsturmszenarien einstellen. Da neue Marsmissionen noch genauere Datenüber die Atmospäre liefern, wird sich die Genauigkeit der MCD noch erhöhen, da sie sehr einfach um diese Daten erweiterbar ist. So wird in Zukunft auch eine Vorhersageüber Wetterlagen möglich sein, was vor allem beim Absetzen von Landern sehr wichtig ist (Staub beeinträchtigt zum Beispiel die Funktion von Solarzellen). Die MCD ist das derzeit beste Atmosphärenmodell des Mars.

5.3.5 Das Re-Entry-Modul

Das Re-Entry-Modul berechnet zur im Falle des Planeten Mars zur Zeit die Geschwindigkeit, den Flugbahnwinkel und die Höhe in erster Näherung. Nach Fertigstellung soll die annähernd exakte Flugbahn eines Eintrittskörpers berechnet werden können, d.h. folgende Daten werden ausgegeben :

ˆFlugbahn vom Ausgangsort zum Atmosphäreneintritt ˆ Flugbahn während der Abbremsung in der Atmosphäre ˆ weitere Abbremsung mit Fallschirm und Schubdüsen ˆ Aufschlaggeschwindigkeit ˆHitzeeinfluß auf den Eintrittskörper und Gesamtwärme Dazu werden die Daten der MCD für die örtliche Dichte herangezogen und die Relativgeschwindigkeit in der Atmosphäre genutzt. Die Ausgabe des Landepunkts wird entweder in Längen- und Breitengraden oder in kartesischen Koordinaten erfolgen. Der ohne Experiment nicht genau bestimmbare und mit unterschiedlicher Knudsenzahl verschiedene ballistische Parameter wird eine absolut exakte Lösung jedoch nicht erlauben.

Aufgrund des modularen Konzepts ist eine Erweiterung des Re-Entry-Moduls zur Nutzung bei anderen Planeten relativ leicht möglich. Eine exakte Lösung der Bahngleichung ist für einen vorher bestimmten Verlauf des ballistischen Koeffizienten möglich.

5.4 Erweiterungsmöglichkeiten

5.4.1 Ephemeridenmodul für Kometen und Asteroiden

Da auch die Planung für Missionen zu Kometen und Asteroiden möglich sein sollen, ist es zweckmäßig, den RSS mit einem weiteren Ephemeridenmodul zur Positionsberechnung dieser Himmelskörper zu erweitern. Eine Einbindung in das schon vorhandene Ephemeridenmodul ist unzweckmäßig, da sich die Berechnungsalgorithmen sehr unterscheiden. Bei der Positionsberechnung von Kometen und Asteroiden bietet sich hierbei eine Berechnung aus den klassischen Orbitparametern an. Diese ist allgemeingütlig und je nach ausgewähltem Himmelskörper können die entsprechenden Werte eingelesen werden.

6 Dokumentation des bisherigen Stands des Okkultations-Moduls

6.1 Allgemeines

Das Okkultationsmodul wurde bereits im Rahmen von einer Studienarbeit am Institut für Raumfahrttechnik erweitert und in den RSS integriert. Für nähere Informationen siehe deshalb [Ult02]. Trotzdem sollen im folgenden nochmal wichtige Teilbereiche dargestellt werden, die für ein Verständnis dieser Arbeit wichtig sind. Im Anhang (11.2) befindet sich eine Darstellung der Struktur des Okkultationsmoduls. Das Okkultationsmodul ermittelt während des Satelliten- umlaufs fortlaufend anhand des Vektors Sun Planet (also der heliozentrische Positionsvektor des Zielplaneten; vom Ephemeriden-Modul ausgegeben) sowie des Vektors Position (planeto- zentrischer Positionsvektor des Satelliten; aus dem Orbitmodul bzw. aus MAPPS-Input-Files ausgelesen), ob eine Okkultation vorliegt oder nicht. Die Algorithmen zur Berechnung werden im folgenden Abschnitt vorgestellt.

6.2 Berechnung der Okkultation

Das Feststellen, ob der Satellit in eine Okkultation eintritt, beruht auf einem Vergleich zweier Winkel. In Falle eines Eintritts in bzw. Austritts aus einer Okkultation ergeben sich folgende geometrische Beziehungen:

Abbildung 6.1: Geometrie einer Okkultation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anhand dieser Grafik kann man erkennen, dass es im Falle einer Okkultation zwei konstante Winkel gibt, θmin für den Fall einer Planeten-Okkultation und θminAtm für den Fall einer Atmosphären-Okkultation. Diese zwei Winkel kann man mit der Beziehung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

berechnen, wobei im Falle der Atmosphären-Okkultation auf den Radius des Planeten RPlanet noch die Atmosphärenhöhe addiert wird.

Im Verlauf einer Simulation werden nun diese beiden Winkel ständig mit dem Winkel zwischen Erde-Satellit und Planet-Satellit verglichen. Dieser Winkel berechnet sich nach der Formel für den Winkel zwischen zwei Vektoren :

Abbildung 6.2: Berechnung des Winkels Erde-Satellit und Planet-Satellit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tritt bei dem Vergleich, welcher mit Hilfe eines Summationsblocks und eines Hit-Crossings durchgeführt wird (d.h. Θmin und der aktuelle Winkel werden voneinander abgezogen) eine Null auf, so wird das Subsystem, welches die Okkultationsdaten plottet, aktiviert. Gleichzeitig werden dann noch Informationenübergeben, ob es sich um eine Planeten- oder Atmosphärenokkultation handelt, sowie ob ein Eintritt oder Austritt erfolgt.

6.3 Ausgabe des Okkulationsmoduls

Sobald das Subsystem zur Ausgabe von Okkultationsdaten aktiviert wird, gibt es diverse Daten in ein Mat-File aus. Dies ist eine von Zahlen in einer Matrix, in der jede Spalte alle notwendigen Daten zum Zeitpunkt eines Ein- bzw Austritts enthält. Diese Daten sind im einzelnen :

1. Systemzeit
2. Orbitnummer
3. Information, ob Amtosphären-Okkultation (1 für ja, 0 für nein)
4. Information, ob Planeten-Okkultation (1 für ja, 0 für nein)

Nun folgen die Orbitparameter des Satellitenorbits zum Zeitpunkt der Okkultation :

5. Große Halbachse in km
6. Exzentrizität
7. Inklination in Grad
8. Rektaszension in Grad
9. Wahre Anomalie in Grad
6 Dokumentation des bisherigen Stands des Okkultations-Moduls 23
10. Argument des Perigäums in Grad

Anschließend die Koordinaten in X-, Y- und Z-Richtung im planetozentrischen KOS in

km :

11. X-Koordinate
12. Y-Koordinate
13. Z-Koordinate

Nun folgen Daten wie Zeitpunkt und geografischer Ort des Aufpunkts und der Sonnen- stand :

14. Jahr
15. Monat
16. Tag
17. Stunde
18. Minute
19. Sekunde
20. geografische Breite des Aufpunkts
21. geografische Länge im festen KOS
22. geografische Länge im rotierenden KOS
23. Breite der Sonne
24. Länge der Sonne

Zum Abschluß noch diverse andere Informationen :

25. Zeitpunkt des Perizentrumsdurchgangs für den jeweiligen Orbit
26. Information, ob Amtosphären-Eintritt bzw. -Austritt (1 Eintritt, -1 Austritt)
27. Information, ob Planeten-Eintritt bzw. -Austritt (1 Eintritt, -1 Austritt)
28. Zeitpunkt der Okkulation in Julianischen Tagen

[...]

Details

Seiten
80
Jahr
2002
ISBN (eBook)
9783638584678
ISBN (Buch)
9783638831543
Dateigröße
2.2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v66379
Institution / Hochschule
Universität der Bundeswehr München, Neubiberg – Raumfahrttechnik
Note
1,3
Schlagworte
Operationsplanung Okkultationsexperimente Rahmen MarsExpress-Mission

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Titel: Operationsplanung für Okkultationsexperimente im Rahmen der MarsExpress-Mission