The Pathfinder
.docThe Pathfinder project was one of the first of NASA's Discovery Program missions. These missions are defined as low cost (less than $150 million) and have a three year or shorter development time.
NASA has an impressive history of building roving vehicles. The US first roving vehicle used for space exploration went to the moon on Apollo 15 and was driven by astronauts David R. Scott and James B. Irwin. Two other Lunar Roving Vehicles (LRV) also went to the moon on Apollo 16 and 17.
What is Microrover Telecommunications?
The Microrover telecommunications system is a two-way wireless UHF (Ultra High Frequency) radio link between the Lander and the Rover. The radio link is used to send commands from Earth to the Rover and receive images and data from the Rover. Because the Microrover radio has a signal range similar to a walkie-talkie, we cannot communicate directly to the Rover from Earth. All Rover communications is done with the aid of the Lander communications interface. Click here to see a diagram showing the Lander and Rover radio links.
What makes up the Microrover Telecommunications System?
The telecommunications system is composed of two UHF radios and two UHF whip antennas. The Microrover radio is located inside the Rover WEB (Warm Electronics Box) where it is protected from the extreme cold of the Martian environment. The radio is connected to the Microrover antenna using a short piece of coaxial cable that passes through the wall of the WEB. The radios that are used in the Microrover telecommunications system were purchased from Motorola's Paging Products Division. Several components that were designed and used in these radios were made by a company named DataRadio. These are off-the-shelf commercial radio modem's (modulator+demodulator) that were modified to meet the communication needs of the Microrover mission. The antennas were designed and built by our Telecom team here at JPL.
Before we purchased a large number of Motorola RNet 9600 radio modems, we did a study to see if it was better to 'make' the radios or to 'buy' them ourselves. The main factors under consideration in the 'make' or 'buy' trade-off study are, in order of priority: funding level (we knew how much money we could spend), schedule of hardware delivery (we knew when we had to deliver the radios) and environmental specifications (we knew the operating environment of space and the Martian surface). It was known based upon a Mars Lander-Rover radio link analysis performed in 1989 that a Radio Frequency (RF) range of 100 to 450 MHz (1Mega Hertz = 1 million cycles per second) should be used for surface-to-surface communications. Consequently an industry search was made for sources of wireless radio modems and antennas in this frequency range.
We understood the expected temperature environment, the shock and vibration environment in which these radio modems will have to survive and operate. For temperature, the radios have to survive -55°C to +60°C, while they will have to operate from -30C to +40C. As for shock and vibration, the radio modems have to survive the launch vibrations and the shock of landing on the Martian surface equivalent to an impact at 40 mph; they are not required to operate during launch and landing.
Once these radios were modified to be space-flight ready, we put them through a series of environmental tests. We first put them through shock and vibration tests, by mounting the radio modems on a 'shaker table' which shook them at the necessary vibration levels. Then we placed the radios inside thermal chambers, which cooled and heated them. By first shaking the radios, and then thermal cycling them, we more closely emulated the sequence of events they will see during the mission - launch, landing and then Martian surface operations. We expected these radios to pass the environmental tests and they did.
What about the outer space radiation environment?
Certain flight components are susceptible to the damaging effects of radiation. There are different types of radiation, some more harmful than others. Spacecrafts need to function in the presence of ultraviolet radiation. This is the type of radiation which we on Earth are protected from by the ozone layer. The ozone layer is about 30 Km above earth's surface and protects us from the damaging effects of ultraviolet radiation by absorbing solar wavelengths between 2,000 and 3,000 Angstroms (1 Angstrom = 10-8centimeters). The entire Mars Pathfinder spacecraft in the cruise and landed configurations was tested in a 25' space simulator where it was subjected to high intensity light twice as bright as the sun. The Martian atmosphere is very thin which does not protect the planets surface from ultraviolet radiation, but the Mars Pathfinder and Microrover hardware have been designed, built and tested to survive this radiation for an extended time period.
The sun gives off other types of radiation which is potentially damaging to spacecraft. Solar flares and prominences erupting from the suns surface eject a stream of high energy ionizing radiation and sub-atomic particles into space. In addition, cosmic rays originating outside the solar system add ultra-high energy ionizing radiation to the mix. These ions can strike certain electronic circuitry on the spacecraft and cause any number of Single Event Phenomena (SEP) to occur. These range from soft errors, hard errors, latchup, burnout and transients. Fortunately, the probability of such particles affecting the rover telecommunications hardware is small because the sun is expected to be at a solar minimum during the mission. But, nevertheless, the experimental radios used during screening were taken through extensive radiation testing at Brookhaven National Laboratories on Long Island using their Van De Graaff accelerator. We learned from these tests what can happen to the radios if highly energetic ions hit them. It did not permanently damage them, but caused a condition called 'Single Event Latchup' or just 'latchup' to occur. Latchup is a condition in which certain transistor junctions in VLSI (Very Large Scale Integrated) and ASIC (Application Specific Integrated Circuits) chips short to ground, thereby drawing very high current (specifically, an abnormal low impedance, high current state induced in a parasitic P-N-P-N structure of a bulk CMOS IC). The latchup current in the radios was high, but limited by the presence of an on-board voltage regulator. It was found that the radio modems can recover from this latchup condition, with no damage, by simply turning them off and then on again (this is known as power-cycling). There are software algorithms in the rover and hardware timing circuitry in the lander which detect this condition and automatically power cycle the radio to provide this protection and restore it to a normal working condition.
The telecommunications system on the Lander uses X-band microwave uplink and downlink signals. These microwave signals occupy two narrow bands that are about 15.5 times higher in frequency than the UHF band used by the rover. There is no way that the lander signals can be received by the rover and vice-versa. But to confirm this we had to run a series of EMC (ElectroMagnetic Compatibility) tests.
The Radio Modem that is inside the Microrover.
Principles of Operation
These radio modems operate, in many ways, just as walkie-talkies do. However, instead of sending and receiving voice, these radios send and receive data in the form of digital symbols. The radio modems transmit short bursts of data symbols, termed "packets", each consisting of 2000 eight-bit bytes. On Mars, the data packets will transfer rover camera images and engineering telemetry detailing the operational status of the rover, as well as commands from Earth. Like walkie-talkies, the radio modem can either talk or listen at any given time, with the direction of the flow of information between the rover and the lander being controlled by the rover radio modem using a communication protocol called "half-duplex operation". In other words, the rover itself starts the telecommunication sessions with the lander, so most of the time the LMRE radio is in the receive mode.
There are two main parts to these radio modems: the digital portion on one printed wiring board, and the analog portion on a separate circuit board. The digital board acts as an interface between the analog board and the computer inside the Sojourner rover (or the computer inside the Pathfinder lander). This digital board processes the data to be sent and received, and directs the communication protocol, that is, when to talk and when to listen. The analog board, when transmitting data, turns on its 459.7 MHz UHF transmitter and sends out modulated radio waves which correspond to the digital information formatted by the digital board. During receive, the analog board is tuned to radio waves that are the same 459.7 MHz frequency. It amplifies and filters them, and extracts, in a process called demodulation, the digital symbols in such a way that the digital board can input each information bit within a packet as it is received.
The rover radio modem also has a 0.5 W heater attached to its metal frame. This heater is used to raise the rover radio modem's temperature in the early hours of the Martian morning in preparation for the first telecommunication session of the day. This heater was added to the rover radio modem because its crystal oscillator (and that of the LMRE radio modem as well) is not temperature-compensated, allowing the transmit and receive frequency of the radio modem to change with temperature. As the radio modem temperature gets warmer, the transmit and receive frequencies increase; as the temperature gets colder, the frequencies decrease. The maximum permissible frequency shift is on the order of 5 kHz. Testing has shown that when the lander radio runs at about 0°C, the fewest communication transmission errors occur when a temperature difference of 20°C or less is maintained between the rover and lander radio modems. This will be accomplished in part by monitoring the engineering telemetry and issuing commands from Earth to control power to the rover radio modem heater. Typically the lander battery temperature and therefore LMRE modem temperature, will be between 20°C and 30°C for daily operations, so with the rover modem temperature running between 25°C and 40°C we can maintain a temperature difference of less than 20°C. This will be accomplished in part by monitoring the engineering telemetry and issuing commands from Earth to control power to the rover radio modem heater.
Проект Первооткрывателя был одним из первых из миссий Программы Открытия НАСА. Эти миссии определены как низкая цена (меньше чем 150 миллионов $) и имеют трех-летнее или более короткое время развития.
НАСА имеет внушительную историю здания бродячих транспортных средств. Американское первое бродячее транспортное средство, используемое для исследования космоса пошло в луну на Аполлоне 15 и приводилось{привозило} астронавтами Дэвидом Р. Скотт и Джеймс Б. Ирвин. Два других Лунных Бродячих Транспортных средства (LRV) также пошли в луну на Аполлоне 16 и 17.
Какова Телесвязь Микроровера?
Система телесвязи Микроровера - двухсторонние беспроводные УВЧ (Крайняя Высокая частота) радио-связь между Высаживающимся на берег{Посадочным модулем} и Ровером. Радио-связь используется, чтобы послать команды от Земли до Ровера и получить изображения{образы} и данные от Ровера. Поскольку радио Микроровера имеет диапазон сигнала, подобный портативной радиостанции, мы не можем связаться непосредственно к Роверу от Земли. Все коммуникации Ровера сделаны при помощи интерфейса коммуникаций Высаживающегося на берег{Посадочного модуля}. Щелкните здесь, чтобы видеть, что диаграмма показывает Высаживающемуся на берег{Посадочному модулю} и связям радио Ровера.
Что составляет Систему Телесвязи Микроровера?
Система телесвязи составлена из двух радио УВЧ и двух антенн кнута УВЧ. Радио Микроровера расположено в СЕТИ{ТКАНИ} Ровера (Теплая Коробка Электроники), где это защищено от чрезвычайного холода Марсианской окружающей среды. Радио связано с антенной Микроровера, используя короткую часть коаксиального кабеля, который проходит через стену СЕТИ{ТКАНИ}. Радио, которые используются в системе телесвязи Микроровера, были куплены от Разделения Изделий Оповещения Моторолы. Несколько компонентов, которые были разработаны{предназначены} и использовались в этих радио, были сделаны компанией по имени DataRadio. Они - имеющийся в наличии коммерческий радио-модем (modulator+demodulator), которые были изменены, чтобы встретить{выполнить} потребности связи миссии Микроровера. Антенны были разработаны{предназначены} и построены нашей командой Телесвязи здесь в JPL.
Прежде, чем мы купили большое количество Моторолы RNet 9600 радио-модемов, мы сделали бы изучение, чтобы видеть, было ли лучше 'делать' радио или 'покупать' их непосредственно. Главные факторы на рассмотрении в 'делающимся' или 'покупают' изучение обмена, в порядке приоритета: финансирование{консолидирование} уровня (мы знали, сколько денег мы могли тратить{проводить}), список{график} поставки аппаратных средств ЭВМ (мы знали, когда мы должны были поставить радио), и экологические спецификации (мы знали операционную окружающую среду места и Марсианской поверхности). Это было известно основанным на Марсе, который анализ связи радио Ровера высаживающегося на берег выполнил в 1989, что Радио-Частота (РФ) диапазон 100 - 450 МГЦ (1Mega Герц = 1 миллион циклов в секунду) должен использоваться для коммуникаций поверхности-к-поверхности. Следовательно поиск промышленности был сделан для источников беспроводных радио-модемов и антенн в этом диапазоне частоты.
Ниже мы будем смотреть на историю решений и продвижения{прогресса}, сделанного в поставке системы телесвязи Ровера так же как ответов на часто заданные вопросы.
Мы поняли ожидаемую температурную окружающую среду, удар и окружающую среду вибрации, в которой эти радио-модемы должны будут выжить и работать. Для температуры, радио должны пережить-55°C к +60°C, в то время как они должны будут работать от-30C до +40C. Что касается удара и вибрации, радио-модемы должны пережить колебания запуска и удар приземления на Марсианском поверхностном эквиваленте воздействию в 40 милях в час; они не обязаны работать в течение запуска и приземления.
Как только эти радио были изменены, чтобы быть готовым космическим полетом, мы помещаем их через ряд экологических испытаний. Мы сначала помещаем их через удар и испытания вибрации, устанавливая радио-модемы на 'столе{таблице} шейкера', который колебал их на необходимых уровнях вибрации. Тогда мы поместили радио в тепловых палатах, которые охладили и нагрели их. Первым колебанием радио, и затем тепловая езда на велосипеде их, мы более близко подражали последовательности событий, которые они будут видеть в течение миссии - запуск, сажая и затем Марсианские поверхностные действия. Мы ожидали, что эти радио передадут экологические испытания, и они сделали.
Что относительно окружающей среды радиации космоса?
Некоторые компоненты полета{рейса} восприимчивы к разрушительным эффектам радиации. Есть различные типы радиации, некоторые более вредный чем другие. Космические корабли должны функционировать в присутствии ультрафиолетовой радиации. Это - тип радиации, от которой мы на Земле защищены озоновым слоем. Озоновый слой - на приблизительно 30 км выше поверхности земли и защищает нас от разрушительных эффектов ультрафиолетовой радиации, поглощая солнечные длины волны между 2 000 и 3 000 Ангстремов (1 Ангстрем = 10-8centimeters). Полный космический корабль Первооткрывателя Марса в круизе и посаженных конфигурациях был проверен в 25' космических тренажерах, где это было подвергнуто высокому свету интенсивности дважды{вдвое} столь же яркий как солнце. Марсианская атмосфера очень тонка, который не защищает поверхность планет от ультрафиолетовой радиации, но Первооткрыватель Марса и аппаратные средства ЭВМ Микроровера были разработаны{предназначены}, построены и проверены, чтобы пережить эту радиацию для расширенного{продленного} периода времени.
Солнце испускает другие типы радиации, которая является потенциально разрушительной на космический корабль. Солнечные сигнальные ракеты и выдающиеся положения, прорывающиеся от поверхности солнц изгоняют поток высокой атомной радиации энергии и податомных частиц в космос. Кроме того, космические лучи, порождающие вне солнечной системы добавляют ультравысокую атомную радиацию энергии к соединению. Эти ионы могут ударить некоторую электронную схему на космическом корабле и заставить любое число{номер} Единственных{Отдельных} Явлений Случая (SEP) происходить. Они располагаются от мягких ошибок, твердых{трудных} ошибок, latchup, выгорания и переходных процессов. К счастью, вероятность таких частиц, затрагивающих аппаратные средства ЭВМ телесвязи ровера является маленькой, потому что солнце, как ожидается, будет в солнечном минимуме в течение миссии. Но, однако, экспериментальные радио, используемые в течение экранирования были взяты{предприняты} через обширное испытание радиации в Brookhaven национальных Лабораториях на Длинном Острове, используя их акселератор Ван Де Граффа. Мы узнали из этих испытаний, что может случиться с радио, если очень энергичные ионы поражают их. Это постоянно не повреждало их, но заставило условие{состояние}, названное 'Единственный{Отдельный} Случай Latchup' или только 'latchup' происходить. Latchup - условие{состояние}, в каких некоторых соединениях{переходах} транзистора в VLSI (Объединенный Очень Крупный масштаб) и ASIC (Прикладные Определенные Интегральные схемы) чипы, короткие основывать, таким образом тянущий{рисуя} очень высокий поток (определенно, неправильный низкий импеданс, высокое текущее состояние вызвало в паразитной структуре P-N-P-N большой части CMOS ИС). latchup поток в радио был высок, но ограничил присутствием бортового регулятора напряжения. Находилось, что радио-модемы могут оправиться от этого latchup условия{состояния}, без повреждения{ущерба}, просто выключая их и затем на снова (это известно как езда на велосипеде власти). Есть алгоритмы программного обеспечения в ровере и аппаратных средствах ЭВМ, рассчитывающих схему в высаживающемся на берег{посадочном модуле}, которые обнаруживают это условие{состояние} и автоматически цикл власти{мощи} радио, чтобы обеспечить эту защиту и восстановить это к нормальному рабочему условию{состоянию}.
Система телесвязи на Высаживающемся на берег{Посадочном модуле} использует микроволновую печь X-полосы{X-оркестра} uplink и сигналы передачи информации из космоса. Эти микроволновые сигналы занимают две узких полосы{оркестра}, которые приблизительно в 15.5 раз выше в частоте чем полоса{оркестр} УВЧ, используемая ровером. Нет никакого пути, которым сигналы высаживающегося на берег{посадочного модуля} могут быть получены ровером и наоборот. Но подтверждать это мы должны были управлять рядом EMC (Электромагнитная Совместимость) испытания.
Радио-Модем, который является в Микроровере....
Принципы Действия
Эти радио-модемы работают, многими способами, также, как портативные радиостанции делают. Однако, вместо того, чтобы посылать и получать голос, эти радио посылают и получают данные в форме цифровых символов. Радио-модемы передают короткие взрывы символов данных, которые называют "пачками", каждый состоящий из байтов восьми битов 2000. На Марсе, пачки данных передадут{переместят} изображения{образы} камеры ровера и техническую телеметрию, детализирующую эксплуатационный статус ровера, так же как команд от Земли. Подобно портативным радиостанциям, радио-модем может или говорить или слушать в любое данное время, с руководством{направлением} потока информации между ровером и высаживающимся на берег{посадочным модулем}, управляемым модемом радио ровера, используя протокол связи названный "полудуплексной работой". Другими словами, сам ровер начинает сессии телесвязи с высаживающимся на берег{посадочным модулем}, так большинство времени, LMRE радио находится в получающемся способе. Есть две главных части на эти радио-модемы: цифровая часть на одном напечатанном правлении телеграфирования, и аналоговой части на отдельном правлении кругооборота. Цифровое правление действует как интерфейс между аналоговым правлением и компьютером в ровере Временного жителя (или компьютер в высаживающемся на берег{посадочном модуле} Первооткрывателя). Это цифровое правление обрабатывает данные, которые будут посланы и получен, и направляет протокол связи, то есть когда говорить и когда слушать. Аналоговое правление, когда передавая данные, включает его передатчик УВЧ НА 459.7 МГЦ и отсылает модулируемые радиоволны, которые соответствуют цифровой информации, форматированной цифровым правлением. В течение получают, аналоговое правление настроено к радиоволнам, которые являются той же самой частотой на 459.7 МГЦ. Это усиливает и фильтры их, и извлечения, в процессе названном демодуляцией, цифровые символы таким способом, что цифровое правление может ввести каждый информационный бит{частицу} в пределах пачки, поскольку это получено.
Модем радио ровера также имеет 0.5 W нагревателя, приложенные к его металлической структуре{рамке}. Этот нагреватель используется, чтобы поднять температуру модема радио ровера в ранние часы Марсианского утра в подготовке к первой сессии телесвязи дня. Этот нагреватель добавлялся к модему радио ровера, потому что его кристаллический генератор (и что из LMRE радио-модема также) не дается компенсацию температурой, позволяя передававшийся и получают частоту радио-модема, чтобы измениться с температурой. Поскольку радио-температура модема становится более теплой, передававшейся и получать увеличение частот; поскольку температура становится более холодной, уменьшение частот. Максимальное допустимое изменение частоты находится на заказе{порядке} 5 кГц. Проверяя показал, что, когда пробеги радио высаживающегося на берег{посадочного модуля} в приблизительно 0°C, наименьшее количество ошибок передачи связи происходят, когда температурное различие 20°C или меньше обслужено{поддержано} между ровером и модемами радио высаживающегося на берег{посадочного модуля}. Это будет достигнуто частично, контролируя техническую телеметрию и выходящие команды от Земли, чтобы управлять властью{мощью} на нагреватель модема радио ровера. Типично температура батареи высаживающегося на берег{посадочного модуля} и поэтому LMRE температура модема, будет между 20°C и 30°C для ежедневных действий, так с температурой модема ровера, управляющей между 25°C и 40°C мы можем поддержать{обслужить} температурное различие меньше чем 20°C. Это будет достигнуто частично, контролируя техническую телеметрию и выходящие команды от Земли, чтобы управлять властью{мощью} на нагреватель модема радио ровера.