Voyager inside: FDS und Kameras

Voyager war, wie praktisch alle frühen Raumsonden, eine Sonde die alles in Realzeit machte. Das heißt, sie hatte nur begrenzte Möglichkeiten an Bord Bilder und Daten zu speichern und das Schreiben auf Band war bei Jupiter nicht schneller als das direkte Senden. Das machte Anpassungen nötig, denn die Datenrate nahm ja mit steigender Entfernung ab. Heute geht es um einige Details des FDS und der Kameras die ich bei meiner Recherche gefunden habe und die sich so nicht im Buch finden, auch weil sie zu weit gehen.

Aber damit wir alle auf dem gleichen Stand sind. Das zentrale Computersystem von Voyager für die Verarbeitung aller Messdaten, aber auch der internen Telemetrie ist das FDS, das Flight Data Subsystem. Es ist der leistungsfähigste Computer an Bord. Leider findet man auch bei der NASA fast nichts über die interne Arbeitswesire des FDS. Aber einiges habe ich herausgefunden.

Direkt an das FDS angeschlossen sind die Kameras, die nur mit dem FDS funktionieren, die anderen Experimente verarbeiten ihre Daten vor und benötigen das FDS meist nur zum Senden.

Aus den Kameras abgeleitet ist ein zentraler FDS Zyklus von 48 Sekunden Dauer. 48 Sekunden, so lange dauert das Auslesen eines Kamerabildes in besten Fall. Die Kameras arbeiten mit Vidicons, die so ausgelesen werden, wie damals Analogfernseher ihr Bild erzeugten: Ein Elektronenstrahl tastet das Bild zeilenweise ab. An jedem Zeilenende gibt es eine kurze Auszeit, welche die Elektronik braucht, den Elektronenstrahl wieder nach vorne und eine Zeile tiefer umzulenken. Daneben gibt es noch eine längere Auszeit, wenn der Strahl das unterste rechte Pixel erreicht und nach oben gelenkt wird, doch die geht dann schon in den Aktionen, unter die dann kommen um das alte Bild zu löschen.

Die Ausleserate beträgt 14,4 kHz für die Pixel und 7,2 kHz für das FDS. Das FDS ist ein 16 Bit Computer und erfasst so in einem 16 Bit Wort immer zwei Pixel. Ein Bild hat 800 x 800 Pixel, daraus kann man errechnen, dass die reine Ausleserate bei obigen 14,4 kHz nur 44,44 Sekunden beträgt und nicht 48. Die Differenz entsteht durch die erwähnte Zeit den Elektronenstrahl am Zeilenende nach vorne zu schicken. Sie dauert bei einer Zeile 4,4 ms. In dieser Zeit kann das FDS die Daten der anderen Instrumente verarbeiten.

Die maximale Datenrate ergibt sich so aus 5,12 MBit pro Bild / 48 Sekunden = 106.666 Bit/s. Wer als Voyager-Kenner nun ruft „nein das sind 115.200 Bit/s“ – das ist die Gesamtdatenrate mit allen Experimenten. Bis Uranus war es so, das sich die Gesamtdaten aus 7.200 Bit/s für die anderen Experimente und den Kameradaten zusammensetzen. Daher war das Abnehmen der Datenrate mit der Entfernung auch so bedeutsam, denn das ging voll auf die Kameradaten. Ab Uranus war es anders, da wurden „Science“ Daten und Bilddaten gemischt und eine Fehlerkorrekturinformationen zugefügt, vorher gab es diese Fehlerkorrektur nur bei den Science Daten.

Nun nimmt aber die Datenrate ab. Schon bei Saturn wäre sie ohne Maßnahmen auf 29.900 Bit/s gesunken. Dank dem schon dort praktizierten Zusammenschalten von Antennen betrug sie allerdings in der wichtigsten Phase 44.800 Bit pro Sekunde. Das FDS muss daher fähig sein, die Bilder auch langsamer zu übertragen und das war schon beim Start vorgesehen. Dafür gab bei Missionsbeginn folgende Datenraten:

Datentyp	Modi	Format	Datenrate Baud
Encounter Imaging, General Science and Engineering	13	Encounter General Science + Engineering + Imaging volle Auflösung	115.200 oder 115.200 Playback oder 7.200 und 115.200 Aufzeichnung
		3/4 Bild	89.600
		1/2 Bild	67.200
		1/3 Bild	44.800
		1/5 Bild	29.866 2/3
		1/10 Bild	19.200
		2:1 Slow Scan	67.200
		3:1 Slow Scan	44.800
		5:1 Slow Scan	29.866 2/3
		10:1 Slow Scan	19.200
		5:1 Slow Scan, halbes Bild	19.200

Das FDS konnte sich über zwei Arten an sinkende Datenraten anpassen. Es konnte die Bilder langsamer auslesen. Das geschah indem die Pause beim Stahlrücklauf nach jeder Zeit verlängert wurde. Sie konnte von 4,3 ms auf 604,3 ms beim Modus 10:1 verlängert werden. Die zweite Anpassung war, dass man Spalten links und rechts wegließ. Beim halben Bild wurden die mittleren 440 Pixel übertragen. Das man ganze Zeilen wegließ, was programmtechnisch eigentlich einfacher ist, kam erst in der erweiterten Mission bei Uranus und Neptun auf.

Voyager hatte also nur die Möglichkeit sich in festen Schritten der abnehmenden Datenrate anzupassen. Diese Schritte waren, bei wenn man ganze Frames nimmt 67,2 kbaud bei einer Verdopplung der Auslesedauer, 44,8 kbaud bei der dreifachen, 29,9 kbaud bei der fünffachen und 19,2 kbaud bei der zehnfachen Dauer. Auch dann entsprach die Übertragungszeit immer Vielfachen von 48 Sekunden Zyklen.

Der 48 Sekunden Zyklus zieht sich wie ein roter Faden durch die Experimente. IRIS und PPS hatten einen 48 Sekunden-Messzyklus, PRA und PWS einen Modus mit hoher Datenrate, ebenfalls im 48 Sekunden Rhythmus. Alle Bilddateien die man heute bei der NASA findet, haben als Dateinamen ein „C“ und die laufende FDC-Nummer, die ebenfalls in 48 Sekunden Intervallen inkrementiert.

Es gibt aber noch einen zweiten Zyklus. Was ich beschrieben habe ist der Readout-Zyklus. Es gibt noch den Prepare-Zyklus der der Aufnahme vorangeht. Er besteht aus folgenden Schritten:

Vorgang	Zeit
Verschluss schließen	2,5 ms
Mit Licht fluten	0,1 – 2,1 s
Altes Bild mit 14 Löschbilden löschen	2,2 – 29,5 s
Filterrad bewegen	3,5125 – 11,3525 s
Verschluss öffnen	30,84 – 45,995 s
Daraus ergibt sich als maximale Belichtungszeit	15,36 s

Nicht ganz klar ist, ob dieser Zyklus immer bis zum Schluss durchlief, auch wenn die Belichtungszeit deutlich kürzer als 15,36 s ist, bei Jupiter und Saturn waren typisch 1 Sekunde üblich. Wenn dem der Fall ist, dann trennen bei Jupiter mindestens zwei FDS-Zyklen (96 Sekunden) zwei Bilder, wenn nicht, so müsste es dazwischen auch Abstände von einem FDS-Zyklen geben. Längere Belichtungszeiten – in der Primärmission eigentlich nur für Navigationsaufnahmen vorgesehen – erhält man durch Verlängern der Belichtungszeit um je einen Prepare- und Readout-Zyklus, also 96 Sekunden. Bei der Neuprogrammierung des FDS zwischen Saturn- und Uranusvorbeiflug wurde dies flexibler, sodass auch eine Verlängerung um 48 Sekunden möglich war.

An dem minimalen Abstand von zwei FDS-Counts ändert sich auch nichts beim Speichern auf Band, da dieses auch die maximale Datenrate von 115,2 kbit/s hat. Die einzige Ausnahme die es gibt, ist es wenn beide Zyklen auf getrennten Kameras stattfinden, man also alternierend WAC (Weitwinkelkamera) und NAC (Telekamera) betreibt dann kann eine Kamera im Readout-Zyklus sein und eine im Prepare Zyklus. Das wäre eine Erklärung für die zahlreichen Weitwinkelaufnahmen, die man bei Voyager findet, und die in dem Kontext oft keinen Sinn machen weil ihr Blickfeld achtmal größer ist, sodass das Ziel in ihr relativ klein ist. Eine andere Begründung fand ich in einem Bericht über das Neptun Encounter: NAC und IRIS sollen nicht parallel arbeiten können. Leider ist das aber die einzige Erwähnung sodass ich dies nicht verifizieren kann. Bei Jupiter und Saturn ist eine dritte Erklärung, dass die Planeten (bei Saturn auch mit Ringsystem) so groß sind das sie das Blickfeld der NAC 15 Tage (Jupiter) bzw. 24 Tage vor der Begegnung.

Bei Jupiter konnten die beiden Sonden noch mit der höchsten Datenrate senden. Hier würde ich also erwarten das die meisten Bilder 2 Zyklen auseinander liegen, 1 wenn WAC / NAC alternierend betrieben werden. Bei Jupiter verliert man beim alternierenden betrieb nichts, weil in der Zeit eines Prepare Zyklus einer NAC ein kompletter WAC Frame übertragen wird. Voyager 2 war deutlich weiter von der Erde bei der Begegnung von Jupiter entfernt, sodass für sie auch der Framemodus 1:2 infrage kommt. Weitere Abstände sind natürlich möglich, wenn es eine Pause zwischen Bildern gibt oder geben muss, z.B. wenn die Sonde bei einer Bodenstation nahe des Horizonts ist bei der anderen noch gar nicht aufgegangen ist. Außerdem teilen sich die Bilder in Beobachtungsprogramme auf, zwischen denen es Pausen gibt.

Das Bild der Verteilung (gekürzt) zeigt das die Vermutung richtig ist. Die meisten Bilder gibt es mit 2 FDS-Zyklen Abstand und bei Voyager 2 sind die Abstände größer, es gibt auch zahlreiche mit Abstand 3:1 was für den FDS-Mode 2:1 + Prepare-Zyklus steht.

Bei Saturn war es so, das es zwei Datenraten gab. In der Observationsphase 29,9 kbaud entsprechend dem Mode 5:1 (mit Prepare-Zyklus dann 6 FDS-Zyklen) und danach 44,8 kbaud entsprechend dem Mode 3:1. So würde ich einen Peak bei 4:1 erwarten, dann noch 3:1 und 5:1 / 6:1. Genau das ist der Fall. Die große Zahl von 2 FDS Zählern führe ich auf Bandaufnahmen zurück, die schnell aufgezeichnet werden und dann später langsam ausgelesen werden. So bekommt man möglichst kleine Veränderungen der Position bei Mosaiken die man in den frühen Achtzigern nur mit großem rechnerischen Aufwand sonst entzerren konnte.

Dieser Modus 2:1 für Bandaufzeichnungen wird man dann auch bei Uranus und Neptun finden. Bei Uranus waren durch Datenkompression die gleichen Bildmodi wie bei Saturn aktiv also 5:1 und 3:1. 3:1 ging nur über Australien, sodass 5:1 vorherrschen müsste. Bei Neptun kamen die Modi von Uranus ebenfalls zum Einsatz daneben in der Observationsphase noch 10:1. Auch das trifft zu. Mich wunderte nur der Peak bei 7:1 bei Neptun, der so nicht direkt passt. Er passt auch bei angepasster Frameauslesezeit zu keiner Datenrate. Es wurden für Uranus und Neptun neue Modi eingeführt, doch die unterscheiden sich im Weglassen von Zeilen, nicht neuen Framemodi wie 4:1 oder 6:1.

Man sieht hier einen Vorteil den CCD-Detektoren haben und der sonst kaum auftaucht. Die aufwendige Löschung des Vidicons ist nicht nötig, ein CCD ist sofort wieder aufnahmebereit. Bestimmte CCD-Typen, die Frametransfer-CCD haben sogar einen lokalen Zwischenspeicher. Bei diesen ist eine Hälfte des CCD abgedeckt. In diese Hälfte kann der Inhalt schnell umkopiert werden. Das ist besonders von Nutzen, wenn man wie dies heute öfters vorkommt, mit Verschlusslosen Kameras arbeitet. Jeder Verschluss kann als mechanisches Bauteil ausfallen. Dann würde beim meist zu langsamen Auslesen des CCD dauernd weiteres Licht auf den CCD fallen und das Bild überlichten und verschmieren. Voyagers Verschlüsse durchliefen 97.000 Zyklen ohne Ausfall. Einem Reserveexemplar der Wide Angle Camera, die Stardust einsetzte erging es nicht so gut, hier blieb der Verschluss stecken, gottseidank in der Neutralfilterposition. Vielleicht hätte man die Kamera nachdem sie 25 Jahre lang rumstand, doch etwas mehr testen sollen.

Der Prepare Zyklus hätte bei reinen NAC-Aufnahmen, nur eingespart werden können, wenn es zwei NAC gegeben hätte. Klingt zuerst ungewöhnlich, doch aus demselben Grund, der Vorbereitungszeit eines Frames hatten die Viking Orbiter zwei identische Kameras die alternierend betrieben werden, weil sonst bei der Anfertigung von Frames durch die Bewegung der Raumsonde es sonst zu große abstände und damit Lücken gegeben hätte. Bei Voyager, die aber schon 50 kg zu schwer war und wahrscheinlich an der Gewichtsgrenze – für TOPS die dieselbe Route hatten, gab es eine Gewichtsgrenze von 839 kg, also nur 14 kg mehr als Voyager wog, war das wahrscheinlich zu viel Zusatzgewicht gewesen. Der Nutzen wäre optimal auch nur bei Jupiter gewesen, bei allen anderen Planeten nur, wenn die Daten auf Band aufgezeichnet werden, weil sonst die langsame Auslesezeit sowieso die Dauer eines Frames diktiert.