Voyager inside: Datenraten, Framemodi und der Bandrekorder

Wie man an der Woche zwischen diesem und dem letzten Blogeintrag sieht war ich beschäftigt – noch immer mit dem Voyager Buch, pardon, es heißt ja offiziell „Voyagers Grand Tour“ mit dem Untertitel „Eine Reise zu den Gasriesen und darüber hinaus“, aber ich kürze meine Titel intern immer ab. Daher zuerst mal ein kleiner Nachtrag. Ich habe die Zeit genutzt einige chronische Fehler zu beseitigen. Dazu gehört mein Hang zu Passiva und Konjunktive, der zu schwer lesendem Text führt. Ich brauchte alleine eine Woche, um die unpersönlichen „man“ aus dem Text zu entfernen, habe teilweise etwas gekürzt, wenn etwas zu detailliert beschrieben war und umgekehrt noch zwei Seiten für die Projektorganisation eingeführt. Als Umfang für das Buch habe ich nun 600 Seiten angesetzt. Das erlaubt es mir, noch einige Seiten mit Fotografieren der Monde und Saturnringe einzufügen und außerdem klingen „600 Seiten“ es eben besser als 584 oder 588 Seiten worauf es sonst herausgelaufen wäre. Ich lese derzeit das Manuskript zum letzten Mal von Vorne, derzeit bin ich bei Seite 90 und schaffe etwa 50 bis 70 Seiten pro Tag. Die Korrekturleser sind bei Uranus und Neptun, (S.389 und 430). So könnt e es irgendwann Mitte Oktober soweit sein. Bis zum 4.10 möchte ich meinen Teil in jedem falle durch haben, denn dann gehe ich für eine Woche weg.

Heute schiebe ich mal einen Zwischenblog ein, der euch über Voyagers Datenraten und Telemetrieformate informiert sowie die Zusammenarbeit des FDS mit dem Bandrekorder.

Voyagers hat zwei Sender. Einer im S-Band und einer im X-Band. Beide Sender sind jeweils doppelt vorhanden und mit zwei wählbaren Sendestärken. Beide Sender haben eigene Datenraten. Der S-Band Sender war in der Frühphase der Mission der einzige aktive Sender. Das lag daran, dass die Hochgewinnantenne, HGA mit 3,66 m Durchmesser durch den Sonnensensor auf die Sonne zeigt. Die HGA kann aus der Richtung leicht gedreht werden, aber nicht viel. Im X-Band ist der Öffnungswinkel der 3,66 m großen Hauptantenne zu klein, als das die Empfänger und Sender auf die Erde ausgerichtet sind. Nach 80 Tagen ist Voyager soweit von der Erde und Sonne entfernt, dass auch die X-Band Antenne Kontakt hat. Der S-Band Sender ist trotzdem noch aktiv, weil Voyager während eines Großteils der Mission nur Unterstützung von den „kleinen“ Antennen des Deep Space Networks bekommt, diese Antennen waren bei Missionsbeginn 26 m groß, bis zur Saturnbegegnung wurden sie auf 34 m erweitert. Bedeutender war, das bis dahin die Antennen nur S-Band Empfänger hatten. Die Mission unterteilt sich daher in zwei Phasen: „Cruise-Science“ und „Encounter Science“. Während der Cruise Science Phase sind nur die S-Band Sender aktiv und die Datenrate auf maximal 2.560 Bit/s beschränkt. Alle verfügbaren Datenraten im S-Band sind um den Faktor 2 abgestuft. Im Cruise Science Modus sind die Kameras inaktiv.

Komplizierter ist es im X-Band. Hier ist das System, dass es ganzzahlige Brüche mit 7 im Nennner sind der Maximaldatenrate von 115.200 Bit/s. Also ⁷/₉, ⁷/₁₂, ⁷/₁₈, ⁷/₂₄, ⁷/₂₈, ⁷/₄₂ … Ich musste bei der 7 dann an Galileo denken. Denn multipliziert man die maximale Datenrate von Voyager mit 7 so erhält man die maximale Datenrate von Galileo, nämlich 806.400 Bit/s. Zufall? Kann sein, muss aber nicht. Viele technische Teilaspekte von Voyager findet man auch bei Galileo. So kann es sein, das der Maximaltakt 806,4 khz beträgt und Voyager technisch eben einfach nicht mehr als 115.200 bit/s herausholte (¹/₇) und Galileo mit schnelleren Rechnern noch weitere Datenraten. Die niedrigen Datenraten sind dagegen ganzzahlige Vielfache von 1,2 kbit/s. Ich vermute diese leiten sich vom AACS Zentraltakt ab, der in vielen Systemen der Taktgeber ist und genau 2,4 kHz beträgt. Seitdem gab es aber weitere Datenrate. So überträgt Voyager derzeit routinemäßig mit 160 Bit/s und periodisch mit 1400 Bit/s, vor einigen Jahren sogar noch mit 2.800 Bit/s. Das sind ⁷/₂₈₈, ⁷/₅₇₆ der maximalen Datenrate bzw. (160 Bit/s) eine vordefinierte Datenrate.

Datenmodi stehen jeweils für bestimmte Daten die transportiert werden. Das sind bei Voyager vier Daten:

• Telemetrie über den Zustand der Sonde „Engineering“, also interne Messwerte von 240 Stellen. Sie sind während der Startphase die einzige Datenart die gesendet wird.

• General Science & Engineering: Die Messdaten aller Instrumente außer den Kameras, zu einem Datenstrom zusammengefasst und die obigen Telemetriedaten („Engineering“). Dieser Datenstrom umfasst maximal 3.600 Bit/s. Er ist der einzige Datenstrom der während der Cruise Science Phase aktiv ist. Zu ihm kommen noch Prüfinformationen. Während der Primärmission (bis Saturn) war dies der Golay Code der die Datenmenge auf 7.200 Bit/s verdoppelte, danach der Reed-Solomon Code der mit einer Datenrate von 4,8 kbit/s auskam (eigentlich mit 4,2 kbit/s, aber dafür gab es keine Datenrate).
• Die Kameradaten kamen auf die GS&E Daten „obendrauf“. Daher war die Kompression der Bilder ab Uranus so wichtig, da der GS&E Datenanteil immer größer wurde. Bei Jupiter macht er 6,4 Prozent der Gesamtdatenmenge aus, bei Saturn je nach Datenrate schon 16 und 24 Prozent. Ohne Datenkompression und weitere Maßnahmen wären es bei Uranus 50 Prozent gewesen und bei Neptun wären gar keine Bilder mehr möglich.

Die Kameras passten sich den abnehmenden Datenraten durch zwei Techniken an: Das langsamere Auslesen eines Bildes mit halber, drittel, fünftel oder Zehntel Geschwindigkeit, auch kombinierbar mit dem Übertragen von oberer und unterer Hälfte eines Bildes getrennt. Die zweite Option war es Spalten links und rechts wegzulassen. Erst bei Neptun kam als neuer FDS-Modus noch das Weglassen von Zeilen hinzu.

Aus Kombination der Datenraten mit den Modi der Instrumente (auch die anderen Instrumente konnten die Datenrate anpassen) ergaben sich beim Start 42 Datenmodi. Hier eine Übersicht der Datenmodi dies beim Start gab:

Datentyp	Modi	Format	Datenrate Baud
Engineering only	11	Launch Data	1200, Subset mit 40 Baud über Centaur
		Cruise	40
		TCM Engineering	1200 auf DTR
		Encounter	40
		Low Data Rate Computer Readouts	40
		High Data Rate Computer Readouts	1200
		High Data Engineering	1200
Cruise Science + Engineering	9	Daten aller Instrumente außer ISS, IRIS + Housekeeping Engineering	2560, 1280, 640, 320, 160, 80, später 40, 20, 10
Encounter General Science + Engineering	9	Standard Encounter General Science + Engineering	7200 Realzeit oder Realzeit + aufgezeichnete Daten (3600 + Golay Code)
		Plasmawellen	115.200
		Radioastronomie	115.200
		Bedeckung	7.200
		Playback + General Encounter	67.200, 44.800, 29.866 2/3, 14.400
		Playback only	21.600, 7200
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
		5:1 Slow Scan Drittel Bild	14.400

Später kamen noch weitere Datenraten hinzu. Bei Neptun z.B. 4,8 kbit/s für GS&E, 8,4 und 9,6 kbit/s für Kombination mit anderen Daten.

Bisher erfolgte alles durch das FDS, es gab aber noch den Bandrekorder, Digital Tape Recorder genannt, DTR abgekürzt. Er hatte zwei Schreibraten. Eine von 115,2 kbit/s in der er die Bilder und GS&E Daten mit maximaler Datenrate abspeicherte und eine Datenrate von 7,2 kbit/s in der er nur die GS&E Daten ablegte. Das Auslesen konnte dagegen mit 7.200, 21.600, 33.600, 57.600 Baud erfolgen. Die Bandrekorderdaten konnten alleine übertragen werden oder mit den FDS Daten gemischt werden. Bei Uranus arbeitete das FDS mit einer Datenrate, die zusammen mit den GS&E Daten 14,4 kbit/s entsprach. Damit war das Senden von Bildern im Framemodus 5:1 möglich. Kurzzeitig war wenn Voyager im Empfangsbereich des Canberra DSN Komplexes war, auch 21,6 kbit/s möglich dann konnte entweder der Bandrekorder mit 21,6 kbit/s ausgelesen werden oder mit nur mit 7,2 kbit/s und diese Daten mit 14,4 kbit/s der Realzeitdaten gemischt werden. Bedingt durch die damaligen Integrationsdichte der Speicher gab es keinen Zwischenspeicher. Ein Manko das sicher vieles in der Mission einfacher gemacht hätte. Ich vermute, dass das FDS das als einziges CMOS-Chips als Speicher einsetzte 288 bit Bausteine einsetzte, da die 1 Kbit Generation erst nach Fertigstellung des Designs auf den Markt kam und von Galileo eingesetzt wurde. Bei 256 nutzbaren Bit (32 für Prüfinformationen) werden nur für die 8 KWorte, rund 16 KByte Speicher eines FDS 512 Bausteine benötigt.

Bei Neptun wollte das JPL nach der Passage von Triton den Bandrekorder auslesen, ohne Realzeitdaten zu verlieren und musste wegen der niedrigen Datenrate einen Hack anwenden: Beim Speichern legte das FDS jedes Bit zweimal ab, sodass 3,6 kbit GS&E Daten mit 7,2 kbit/s gespeichert wurden. Beim Auslesen entsprach die Auslesedatenrate von 7,2 kbit dann nur 3,6 kbit/s, echten Daten zu denen noch 3,6 kbit/s Realzeitdaten kommen konnten, was 7,2 kbit insgesamt gab, mit RS-Code dann 8,4 kbit/s und das war die niedrigste Datenrate die ein DSN-Komplex, der von Madrid erreichte. Allerdings dauerte so das doppelte Auslesen des Bandrekorders fast vier Tage.

Hier eine Übersicht der Kameramodi die Voyager einsetzte:

Modus	Kamera	Datenrate	Beschreibung
IM2	WAC und NAC	57.600	Übertragung gespeicherter Bilder (Jupiter/Saturn)
IM2A	NAC	7.200 / 21.600	Übertragung gespeicherter Bilder (Uranus/Neptun)
IM2C	NAC	7.200	Übertragung gespeicherter Bilder (Neptun) fünftel Datenrate, Weglassen von Pixeln links/rechts Pixel jeder Zeile
IM2W	NAC	7.200 / 21.600	Übertragung gespeicherter Bilder (Neptun) letzte 80 Zeilen sind leer
IM3	NAC und WAC	106.700	Realzeit Übertragung Jupiter/Saturn
IM4	NAC und WAC	81.070	Realzeit Übertragung Jupiter/Saturn, nur mittlere 608 Pixel
IM5	NAC und WAC	53.400	Realzeit Übertragung Jupiter/Saturn, zuerst obere Hälfte dann untere Hälfte
IM6	NAC und WAC	56.700	Realzeit Übertragung Jupiter/Saturn, nur mittlere 440 Pixel
IM7	NAC und WAC	35.600	Realzeit Übertragung drittel Datenrate, Jupiter und Saturn
IM8	NAC und WAC	35.600	Realzeit Übertragung mittlere 272 Pixel, Jupiter und Saturn
IM9	NAC und WAC	21.600	Realzeit Übertragung drittel Datenrate, mittlere 480 Pixel
IM10	NAC und WAC	21.600	Realzeit Übertragung mittlere 160 Pixel, nur Jupiter und Saturn
IM11	NAC und WAC	21.600	Realzeit Übertragung fünftel Datenrate, Jupiter und Saturn
IM12	NAC und WAC	11.800	Realzeit Übertragung fünftel Datenrate, mittlere 440 Pixel
IM13	NAC und WAC	10.700	Realzeit Übertragung Zehntel Datenrate
IM14	NAC und WAC	10.700	Realzeit Übertragung mittlere 80 Pixel
IM15	NAC und WAC	26.700	Realzeit Übertragung, halbe Datenrate, obere und untere Hälfte eines Frames getrennt
IM26	NAC und WAC	9.000	Realzeit Übertragung halbe Datenrate, Zeilen 271-536 (Neptun)
IMK	NAC und WAC	10.700	Realzeit Übertragung Zehntel Datenrate, Uranus und Neptun
IMO	NAC und WAC	21.600	Realzeit Übertragung fünftel Datenrate, Uranus und Neptun
IMQ	NAC und WAC	21.600	Realzeit Übertragung fünftel Datenrate, variable Pixel/Zeile nur Uranus
OC3	NAC und WAC	1.040	Realzeit Übertragung drittel Datenrate, Zeilen 301 bis 510, Pixel 365 bis 453, nur Neptun
PB8			Übertragung gespeicherter Bilder im Modus IM2A, IM2C, IM2W (Uranus und Neptun), 1:1 oder 1:3 Datenrate