Strategien für die Datenoptimierung einer Venuslandesonde

Das heutige Thema ist nicht neu. Ich habe es schon mal besprochen, aber ich will es erneut aufnehmen. Es geht darum möglichst viele Daten einer Venuslandesonde zu gewinnen.

Dir Grundproblematik ist relativ einfach. Man weiß nicht wie lange die Sonde überleben wird. Das kann man auch in einer Versuchskammer nicht richtig simulieren, denn die Sonde absolviert ja bevor sie am Boden ankommt eine Reise durch die Atmosphäre bei der sie sich auch schon aufheizt. Richtig simuliert müsste man die Sonde in eine 90 Bar auf 470 °C beheizte Kammer bringen, was auch nicht so einfach ist. Aber man kann sicherlich eine Mindestdauer angeben. Eine solche Designlebensdauer hatten auch die Veneras als bisher einzige Landesonden: Bei Venera 9/10 waren es 32 Minuten. Bei Venera 11-14/Vega 59 Minuten. Dazu noch etwas später mehr.

Die zweite Problematik: man muss die Daten übertragen. Wenn wir von der direkten Übertragung zur Erde absehen, die nur geringe Datenraten erlaubt, haben alle anderen Lösungen die Variable der Entfernung. Je weiter der Empfänger von der Landesonde entfernt ist, desto kleiner muss die Datenrate sein. Nur ist die Entfernung fast nie konstant. Teilweise ändert sie sich drastisch, sodass man zum einen Zeitpunkt ein Vielfaches der Daten übertragen kann wie einige Stunden vorher. Man muss die Mission also genau planen. Ich will hier die Optionen, die ich für sinnvoll halte, mal durchspielen.

Zuerst mal: was kann die Landesonde machen? Wenn, man es genau betrachtet eigentlich wenig. Man kann natürlich die Untersuchungen fortführen die beim Abstieg erfolgten wie Druck, Temperaturmessungen, Atmosphärenanalysen. Nur ändern sich die Messwerte nicht mehr. Immerhin, ein Gaschromatograph/Massenspektrometer könnte von einer kurzen Analyse (um möglichst viele Messungen in der Atmosphäre durchzuführen) auf eine langsame, aber genauere umschalten. Man kann einen Sensor zum Boden runter lassen und Dichte, Bodentemperatur, Wärmeleitfähig, elektrische Leitfähigkeit etc. bestimmen. Ein Gammastrahlenspektrometer kann die radiogenen Elemente bestimmen und ein Photometer und Radioempfänger Blitze. Mit zwei Photometern (unten und oben) kann man auch die Verdunklung durch aufgewirbelten Staub und wie lange er zum Absetzen braucht bestimmen. Ein Radiometer kann die Temperatur bestimmen, wobei an einem Teleskop angebracht man sogar eine Temperaturkarte erstellen kann, sofern sinnvoll. (Wahrscheinlich wird es überall gleich heiß sein). Die typischen Landeexperimente die Zeit brauchen wie Alphateilchenspektrometer, Neutronenspektrometer, Bohren mit Bodenprobenanalyse oder Laserinduziertes Plasma das spektroskopisch untersucht wird funktionieren nicht, brauchen zu lange oder sind unsinnig (z. B. Neutronenspektrometer da kein Wasser zu erwarten ist). Russland führte eine Röntgenfluoreszenzanalyse einer Bodenprobe durch. Bei 6 Versuchen gelang sie zweimal. Der Aufwand ist groß. Man benötigt dafür einen Umgebungsdruck von 1/20 Bar noch weniger als in der Druckkapsel und die Probe musste aus 90 Bar Umgebungsdruck gewonnen werden. Dabei erhält man nur die grobe chemische Zusammensetzung des Bodens.

Mir fallen eigentlich nur zwei Instrumente ein, die hohe Datenraten haben und die eine Optimierung nötig machen. Das wären Kameras und ein abbildendes Spektrometer. Beide könnten aber auch schon beim Abstieg aktiv sein. Dann würden sei eben nicht nur die Oberfläche vom Boden aufnehmen, sondern eben wie Huygens die Landschaft beim Abstieg. Idealerweise wären in meiner Vision es 7 Fenster in der Kapsel: 6 am Äquator und eines am Boden. Die sechs am Äquator, (nach unten geneigt sodass der Horizont in 2/3 der Höhe verläuft) erlauben eine verzerrungsfreie Rundumsicht. Mit Kameras mit leichtem Weitwinkel (70 Grad, das entspricht bei normalen Kameras einem 25 mm Objektiv) kann man so die ganze Umgebung der Sonde und den Boden aufnahmen. Ein IR-Spektrometer wäre parallel dazu angeordnet.

Die Veneras haben sich in der Auslegung auch nach den Kameras gerichtet. Zuerst waren die anderen Experimente aktiv, nach einigem Minuten hatten sie ihre Daten übertragen und die Kameras wurden aktiv. Die Designlebensdauer der Kapseln war für die Übertragung eines Panoramas ausgelegt. Danach begannen sie einfach von vorne. Es gibt daher zu einigen Veneras auch abweichende Daten über die Übertragungsdauer, die bei Vega 1+2 (ohne Kameras) z.b. bei nur 20 Minuten lag. Da sie bauidentisch zu Venera 11-14 waren, mit 95-127 Minuten Überlebenszeit waren, würde ich diese Zeit als die Zeit interpretieren in der man das Messprogramm durchführte. Ohne Kameras war es eben nach 20 Minuten beendet. Danach war bei den automatischen Stationen Schluss und man konnte eben noch Telemetrie oder das Trägersignal empfangen. So was ist nicht so sinnvoll, aber die Mission war darauf ausgerichtet.

Meine Vorstellung ist die einer Pflicht und einer Kür. Die Pflicht legt die Lebensdauer fest. Das wäre nach der Landung ein Panorama sowie, sofern nicht schon beim Abstieg erfolgt gespeicherte Bilder die beim Abstieg gewonnen wurden und ein mittelaufgelöstes Spektrum der Umgebung.

Die Kür wären weiter Aufnahmen beim Abstieg die zwischen den beim ersten Mal liegen (z.B. erste 5 km, 10, 15 km, 20 km, zweite 2,5 km, 7,5 km …) und Spektren. Alternativ überträgt man die Aufnahmen und Spektren nochmals, nur eben in höherer Auflösung.

Kommen wir zum grundlegenden Problem. Es gibt folgende prinzipielle Möglichkeiten:

• Ein Bus setzt die Sonde ab, er folgt ihr nach und verglüht. (Pioneer Venus)
• Ein Bus setzt die Sonde ab, er passiert die Venus (Venera 11-14, Vega)
• Ein Orbiter setzt die Sonde ab, schwenkt dann in die Umlaufbahn ein. (Venera 9+10)
• Ein Bus setzt die Sonde ab, ein Orbiter in einem elliptischen Orbit empfängt die Daten.
• Ein Bus setzt die Sonde ab, ein Orbiter in einem kreisförmigen Orbit empfängt die Daten.

Andere Optionen wie das ein Orbiter die Sonde absetzt, habe ich nicht untersucht sie sind nur komplizierter, aber kein prinzipiell neues Szenario. Die Problematik will ich mal an der ersten Option erläutern. Pioneer Venus setzt die Sonden, einen Monat vor Ankunft ab, bremst dann ab und erreicht so die Venus 30 Minuten nach Ankunft am Boden der letzten Sonde. Über den Bus wurden keine Daten übertragen, aber er ist ein schönes Beispiel. Pioneer Venus übertrug rund 55 Minuten beim Abstieg. Der Bus erreicht die Venus 30 Minuten später, nehmen wir 90 Minuten an und das die Kapseln noch 30 Minuten nach der Landung (eine überlebte ja auch 67 Minuten) noch Daten über den Bus gesandt hätten. Bei einer Geschwindigkeit (im Unendlichen) von 3 km/s und 90 Minuten Zeitversatz wäre der Bus in 40.130 km Entfernung wenn die Sonden mit dem Senden beginnen. Nach einer Stunde wäre er in 20.170 km Entfernung, also halb so weit. Vor allem am Schluss kurz vor dem Verglühen steigt die Datenrate enorm an. Blendet man die Zeit direkt vor dem Eintritt ab, da es unwahrscheinlich ist, dass er genau über dem Lander herabkommt, zumal dieser nach dem Eintritt in die Atmosphäre senkrecht sinkt und nimmt eine Minimaldistanz von 3000 km an, so bekommt man für 90 Minuten Kommunikation folgende Tabelle:

(Daten mit Pioneer Venus Sendesystem. Sendeleistung 10 Watt, Sender und Empfänger Rundstrahlantennen)

Distanz [km]	Zeit [s]	Geschwindigkeit [m/s]	Datenrate [bit/s]	Daten gesamt [Mbit]
3.000	0	8.989	750.933	0
7.869	600	7.461	109.151	166
12.094	1.200	6.692	46.207	209
15.954	1.800	6.205	26.554	230
19.568	2.400	5.860	17.651	243
23.001	3.000	5.598	12.774	252
26.296	3.600	5.390	9.774	258
29.477	4.200	5.221	7.778	264
32.566	4.800	5.079	6.373	268
35.576	5.400	4.958	5.340	271

Sie zeigt das Dilemma: In den ersten 600 Sekunden (10 Minuten) kann man 166 MBit übertragen. Wegen des ansteigen der Entfernung in den restlichen 4800 s nur noch weitere 105 MBit. Die Abhängigkeit von der Entfernung ist immer gegeben, ebenso das sowohl bei Bussen wie auch Orbiter das Relais irgendwann von der Sonde aus gesehen hinter dem Horizont verschwindet und man so einen Punkt definieren muss, bis zu dem man Kontakt hat. Legt man ihn nach weit hinten so kann man zwar die ganze Kommunikation übertragen, aber ist dann noch weit entfernt – niedrige Datenrate. Daher wäre ich dafür den Zeitpunkt bei einer Vorbeiflugmission auf die Solllebensdauer zu legen, auch wenn man dann nicht weiß wie lang sie wirklich gearbeitet hätte.

Bei Venera 9,10,13 Vega 1+2 war es so das die Sonden alle noch arbeiteten als die Relais keine Daten mehr empfingen.

Nun zu den Optionen:

Bus verglüht nach der Sonde

An und für sich eine gute Lösung erlaubt es die Distanz zu minimieren, da der Bus sich nicht selbst in sichere Distanz bringen muss, also im Flugpfad versetzen. So angewandt bei Pioneer Venus, die aber direkt zur Erde sandten. Lediglich nach dem Atmosphäreneintritt und der Landung weichen die Flugpfade ab. Dann bewegt sich die Landesonden fast kaum noch, der Bus nähert sich aber rapide. Bei 3 km/s Ankunftsgeschwindigkeit wäre der Bus dann aber bei Beginn der Übertragung bei einer 2 Stunden Mission (60 Minuten Abstieg, 60 Minuten auf der Oberfläche) noch über 48000 km entfernt, bei der Landung noch 30725 km. Die Datenrate wäre also niedrig. Bei den folgenden Beispielen gehe ich von einem 40 Watt Sender Rundstrahlantenne beim Sender, 1,5 m großen Parabolantenne beim Empfänger aus. Die Dämpfung wurde mit den Daten von Pioneer Venus berechnet. Startdatenrate: 50 Kbit/s, Enddatenrate, 125 Kbit/s.

Bus passiert den Planeten

In meinen Augen die bessere Option, insbesondere weil ich dann eine Sonde bei jeder Mission zur Venus mitführen kann die sie als Swing-By Ziel nutzt. Es muss also keine dezidierte Venusmission sein, sondern eine “Sekundärnutzlast“. So verwandt bei Venera 11-14 und Vega. Diese passierten die Venus in großem Abstand von rund 36.000 km Distanz. In dieser hohen Distanz ändert sich diese kaum noch. In 7200 s nur auf 74.500 km. Aber auch hier gilt: die Distanz sollte möglichst klein sein. Sie wird aber nie so klein wie beim verglühenden Bus sein.

Der Orbiter der die Sonde absetzt und in einen Orbit einschwenkt, nähert sich zwar stärker der Venus zur effektiven Abbremsung, aber er verliert daher auch den Kontakt früher. Daher wird man hier eine kürzere Mission anstreben. Venera 9 und 10 funktionierten beide noch als ihre Orbiter keine Daten mehr empfingen. Für die Veneras errechnen sich Minimaldatenraten von 21 kbit und Maximaldatenraten von 91 Kbit/s.

Der elliptische Orbiter.

Alle bisherigen Orbiter haben einen elliptischen Orbit. Man kann als Vergleich die Molnija Satelliten heranziehen die hatten eine Umlaufsdauer von 12 Stunden bei denen sie 8 Stunden im Empfangsbereich eienr Bodenstation blieben, bei einer maximalen Entfernung von 40.000 km. Hier benötigen wir weniger Zeit, maximal 3 Stunden. Bei den Molnija Orbits war der Empfang möglich wenn sie mindestens 25.000 km von der Erdoberfläche entfernt waren. Übertragen auf die Venus mit fast gleichem Radius entspräche Ein Orbit mit mindestens 3 Stunden Übertragungszeit einer Bahn mit einem venusfernsten Punkt von 27.500 km. In den 3 Stunden wäre die Empfangsstation dann zwischen 24.000 und 27.500 km entfernt – näher als ein Bus, und in gleichmäßigem Abstand.Datenraten zwischen 206 und 157 Kbit.

In 3 Stunden sind das 1617 MBit.

Der Orbiter in einer Kreisbahn

Riskant, aber wenn es klappt, eine Hochgeschwindigkeitsalternative ist der Orbiter in einer niedrigen Kreisbahn. Er passiert das Landegebiet nur kurz, in einer 1000 km hohen bahn ist er nur 675 s lang 25 Grad über dem Horizont. Bei im Mittel 1.500 km Distanz beträgt die Datenrate dann aber 52,8 Mbit/s. In den 675 s kann man dann aber 35.640 MBit übertragen. Das Problem: lebt die Sonde zum zeitpunkt des Überflugs nicht mehr, dann bekommt man gar keine Daten. Man wird daher den Zeitpunkt so legen das dies garantiert ist, z.B. kurz nach der Landung. Die Veneras und Pioneer Venus brauchten alle ziemlich gleich lange für den Abstieg. Etwa 50 bis 55 Minuten ab Abtrennung des Hitzeschutzschildes. Etwa 10 Minuten mehr vom Atmosphäreneintritt. Rechnet man da 10 Minuten Reserve oben drauf (65 Minuten) und beginnt 10 Minuten nach der Landung mit der Übertragung so würde bei einem Abstieg in minimaler Geschwindigkeit der Orbiter 25 Minuten nach der Landung erscheinen. Bei 10-12 Minuten Übertragungsdauer würde man nur eine Lebensdauer von maximal 37 Minuten benötigen.

In meinen Augen ist dies das Optimum. Man könnte es noch optimieren indem man den Bus zusätzlich nutzt, so gehen garantiert keine Daten verloren, aber man hat das Potential viel mehr zu übertragen.

Mögliches Szenario

Für die reine Orbiter/Bus Mission bei einer Datenrate in der Größenordnung von 100 Kbit/s. Wäre bei 20 Minuten Mindestlebenszeit folgendes denkbar:

Etwa 30 Minuten vor der Landung beginnt die Sonde mit der Anfertigung von Panoramen, alle 5 Minuten eines. Bei der JPEG-Komprimierung „fein“ (0,17 MB/Mpixel) sind dies 1,44 MPixel pro Aufnahme, rund 1200 x 1200 Pixel bei 7 Aufnahmen (6 Seitlich, eine unten). Nach der Landung während 17 Minuten ein Panorama (6 Aufnahmen) mit doppelter Auflösung. (2.400 Pixel x 2.400 Pixel/Bild). Das gleiche Datenvolumen entfällt auf ein abbildendes Spektrometer. Das sind 110 x 110 Pixel mit 128 Punkten pro Spektrum. Nach der Landung braucht man für ein doppelt auflösendes Spektrum 50 Minuten, bei Nutzung der Zeit nach 17 Minuten während der es keine Bilder mehr gibt, sind es 34 Minuten.

Danach könnte man entweder doppelt hoch aufgelöste Versionen der Aufnahmen übertragen die man schon gemacht hat, oder weitere Aufnahmen, die man zwischen den schon übertragenen beim Abstieg machte. Das wäre die Kür.

Mit dem Orbiter in der Kreisbahn sähe das ganz anders aus. Die 35.640 MBit auf dieselbe Datenmenge übertragen würde 13.700 x 13.700 Pixel große Bilder ermöglichen und Spektren mit 512 Pixeln räumlicher und 720 Pixeln spektraler Auflösung. So fein müsste es gar nicht sein. Mit 16 Mpixel pro Bild könnte man 11-mal mehr Bilder (774 anstatt 66) übertragen. Bei den Spektren würde ich nichts ändern weil leider bei diesen Instrumenten das Datenvolumen in der dritten Potenz zur Auflösung ansteigt.

Idealerweise passt der Lander seine Datenrate dynamisch der Dichte der Atmosphäre und der Entfernung ab. Dazu muss das Relay nur denselben Sender wie der Lander haben, der auf einer leicht anderen Frequenz sendet. Er überträgt ein definiertes Bitmuster zyklisch in verschiedenen Datenraten und der Lander bestimmt die Datenrate wo er es sauber empfängt. Da Sende/Empfangssystem symmetrisch ist, empfängt dann auch der Bus die Daten gut.

Optimierungen

Vor allem bei der kleinen Datenrate der Buslösung gäbe es zu optimieren. Die JPEG.Komprimeriung habe ich von meiner Digitalkamera genommen. Ich kenne durchaus gut komprimiertes JPEG und trotzdem gut aufgelöste Bilder. Ich denke man kann hier um den Faktor 2 hochgehen. Es gibt auch neuere Verfahren wie JPEG-2000 die effizienter komprimieren. Vor allem beim Anfang des Abstiegs wird die Atmosphäre noch nicht klar sein. Der Bordcomputer kann die Aufnahmen analysieren und wenn es zu wenig Kontrast gibt entscheiden stattdessen Spekten mit doppelt so hoher spektraler Auflösung zu senden.

Sender ist hier ein 40 Watt Sender, den hatte schon Pioneer Venus. Angesichts einer Betriebszeit von maximal einigen Stunden könnte man auf 100 Watt gehen, das addiert natürlich Gewicht beim Sender aber auch der Batterie. Zuletzt die Empfangsantenne. 1,5 m sind nicht groß. MRO, Exomars und Juno kommen auf 2,2 bis 3 m Antennengröße. Eine 3 m Antenne erhöht die Datenrate um den Faktor 4. Alles zusammen würde den Faktor 20 ergeben.