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Text File  |  1993-07-27  |  18KB  |  301 lines

  1. $Unique_ID{bob01157}
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  3. $Title{Pioneer
  4. Chapter 2: Part 2 - The Pioneer Jupiter/Saturn Mission}
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  6. $Author{Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric}
  7. $Affiliation{Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer}
  8. $Subject{spacecraft
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  10. earth
  11. command
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  23. $Date{1980}
  24. $Log{See Mission Phases*0115701.scf
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  26. Title:       Pioneer
  27. Book:        Pioneer: First To Jupiter, Saturn, And Beyond
  28. Author:      Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric
  29. Affiliation: Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer
  30. Date:        1980
  31.  
  32. Chapter 2: Part 2 - The Pioneer Jupiter/Saturn Mission
  33.  
  34. Command, Control, and Communications
  35.  
  36.      Mission Phases - Five distinct phases of command and control
  37. characterized the Pioneer mission to Jupiter, Saturn, and beyond.  Each phase
  38. required different approaches and techniques.  Two phases - Earth launch and
  39. planetary encounter - were critical from the standpoint of controllers having
  40. to quickly make corrections if any problems arose.  For the other three
  41. interplanetary phases - travel from Earth to Jupiter, from Jupiter to Saturn,
  42. and beyond planetary encounters - time was not so critical.
  43.  
  44. [See Mission Phases: The Pioneer mission to Jupiter and Saturn consisted of
  45. several phases of spacecraft operations newar launch, interplanetary,
  46. encounter, and postencounter. When the first Pioneer survived its encounter
  47. with Jupiter and achieved all its scientific objectives, the second spacecraft
  48. was directed into a path that, after encounter with Jupiter, would allow it to
  49. rise high above the ecliptic plane and fly across the Solar System toward
  50. Saturn. Both spacecraft reached sufficiently high velocities from their
  51. planetary encounters to fly completely out of the Solar System.]
  52.  
  53.      During pre-launch and launch at John F. Kennedy Space Center, launch
  54. teams from Ames Research Center and Lewis Research Center controlled the
  55. spacecraft and launch vehicle, respectively.  Shortly after the spacecraft
  56. separated from the launch vehicle and entered the transfer orbit to Jupiter,
  57. control of the spacecraft was transferred to the Ames flight operations team
  58. at the Jet Propulsion Laboratory.  Simultaneously, control of the scientific
  59. instruments within the spacecraft was transferred to the Pioneer Mission
  60. Operations Center (PMOC) at Ames Research Center.  This period of split
  61. control between engineering at the Jet Propulsion Laboratory and science at
  62. the Pioneer Mission Operations Center was arranged to take advantage of the
  63. multiple consoles and backup computers at the Jet Propulsion Laboratory for
  64. the critical first days of Pioneer's epoch-making flights to the outer Solar
  65. System.  Engineer specialists were thereby able to simultaneously monitor all
  66. subsystems, such as telemetry, power, thermal, attitude control, data
  67. handling, and command.
  68.  
  69.      As Pioneer 10 moved away from Earth, passing the orbit of the Moon less
  70. than 11 hr after liftoff (compared with 3 days for the Apollo spacecraft to
  71. reach the Moon), the monitoring activities changed from assessing the "health"
  72. of the spacecraft and its scientific instruments to readying Pioneer for its
  73. momentous voyage to Jupiter and beyond.  Several days after liftoff and after
  74. midcourse maneuvers, with all equipment and scientific instruments performing
  75. well, the mission crews left the Jet Propulsion Laboratory and John F. Kennedy
  76. Space Center and returned to Ames Research Center - now the control center for
  77. the entire mission.
  78.  
  79.      As the spacecraft settled into the interplanetary mode, the task for
  80. those monitoring the Pioneer became one of watching and waiting, and becoming
  81. familiar with the unavoidable and increasing delays for signals to travel to
  82. the spacecraft and from the spacecraft to Earth.  During the interplanetary
  83. "cruise" phase, a team of five to seven scientists with supporting personnel
  84. at the Pioneer Mission Operations Center monitored the spacecraft.  During
  85. this phase, and in the subsequent flight of Pioneer 11 from Jupiter to Saturn
  86. and beyond the planetary encounters for both spacecraft, all data received
  87. from the spacecraft were continually monitored by computers and by personnel
  88. to alert ground control to any malfunction at the earliest possible moment -
  89. an important consideration if corrective action were required.  A computer at
  90. Ames Research Center monitored telemetry signals on critical aspects of both
  91. spacecraft and their payloads.  If a voltage or temperature were to rise or
  92. fall too much, or if the status of an instrument were to change without being
  93. commanded to do so, the computer sounded an alarm and printed out a message.
  94. Day or night, whenever the situation required it, the duty operator
  95. immediately notified the cognizant engineer or scientist, who then resolved
  96. the problem.  The mission controllers were given specific procedures to cover
  97. any emergency and they were advised where to obtain specialized technical help
  98. if it were needed.
  99.  
  100.      During the long voyage through interplanetary space, data from each
  101. scientific instrument were sampled periodically to assess how well the
  102. instrument was functioning, in both a scientific as well as an engineering
  103. sense.  Controllers, engineers, and 36 scientists watched for any need to
  104. change bias voltages, to adjust the range or sensitivity of instruments, or to
  105. switch modes of operations.
  106.  
  107.      When each Pioneer reached the edge of the Jovian system, quick action
  108. again became the mode of operation - but action quite different from that
  109. during the Earth launch phase.  Since the Pioneer spacecraft were then over
  110. 800 million kilometers (500 million miles) from Earth, radio signals took 92
  111. min for the round trip to the spacecraft and back.  When Pioneer 11 reached
  112. Saturn, the round-trip time was 173 min.  All commands to the spacecraft had
  113. to be planned well in advance because of the delay in communication.
  114.  
  115.      The most critical piece of equipment in this respect was the imaging
  116. photopolarimeter (IPP) (described in detail in the Appendix).  It required
  117. long sequences of commands during the planetary encounters to best utilize the
  118. time when the spacecraft passed by the planets and their satellites.  A
  119. sequence of contingency commands was designed to reconfigure the Pioneer
  120. spacecraft and their instruments should spurious commands be generated by the
  121. accumulation of electrical charges or by intense radiation during close
  122. approach to Jupiter.
  123.  
  124.      The fourth phase of command and control, which applied to Pioneer 11
  125. during its voyage from Jupiter to Saturn, was a quiet period as the spacecraft
  126. flew high across the Solar System above the plane of the ecliptic.  During
  127. this period, project personnel were busy planning how the spacecraft should
  128. penetrate Saturn's ring plane and were executing maneuvers of the spacecraft
  129. to allow a close look at Titan, Saturn's largest satellite, while ensuring an
  130. encounter with Saturn on the far side of the Sun from Earth early enough to
  131. prevent too much interference from the Sun itself.
  132.  
  133.      The Pioneers entered the final phase of command and control as they
  134. passed beyond planetary encounter.  As the Pioneers continue to move farther
  135. away, their received signals become fainter and fainter and take longer and
  136. longer to reach Earth.  Ultimately, somewhere beyond the orbit of Neptune,
  137. contact with these tiny emissaries from Earth will be lost as both spacecraft
  138. continue to move out of our Solar System and into interstellar space.
  139.  
  140.      Tracking and Data Acquisition Support - The NASA Communications Network
  141. operated by Goddard Space Flight Center provided worldwide ground
  142. communications circuits and facilities to link Earth terminals that receive
  143. signals from the spacecraft with control centers on the west coast of the
  144. United States.
  145.  
  146.      Extending around the world, the Deep Space Network (operated for NASA by
  147. the Jet Propulsion Laboratory) provided deep space tracking, telemetry data
  148. acquisition, and commanding capabilities through the 26-m (85-ft) and 64-m
  149. (210-ft) diameter antennas at Goldstone, California, and in Spain, South
  150. Africa (until July 1, 1974), and Australia.  During the later phases of the
  151. mission, some of the smaller antennas were enlarged to 34-m (112-ft) diameter
  152. dishes; then each of the three stations had one of each size of antenna.  As
  153. Earth turned on its axis, the controllers maintained contact with the
  154. spacecraft using stations in Goldstone, Australia, Spain, or, for part of the
  155. Pioneer 10 mission, South Africa, operating in turn each day.  As each Pioneer
  156. spacecraft began to set at one station, the next station acquired it, with
  157. periods of overlapping coverage.  The encounter with Saturn was timed so that
  158. signals from Pioneer were received at both the Madrid and Goldstone stations
  159. during the most critical period of the enccounter to reduce the chance that
  160. vital data might be lost.
  161.  
  162.      Telecommunications - Communications over the vast distances to Jupiter
  163. and Saturn and beyond presented problems never before encountered in our space
  164. program.  Transmitters and antennas onboard the spacecraft had to be designed
  165. to conserve power and to be as lightweight as possible.  Communications with
  166. Earth relied heavily on the extremely sensitive 64-m (210-ft) antennas of the
  167. Deep Space Network and their advanced receiving systems.  During the long
  168. interplanetary cruises, the spacecraft used the 26-m (85-ft) diameter antennas
  169. when the larger antennas were required for other space missions, but with the
  170. smaller antennas, information had to be transferred from the spacecraft to
  171. Earth at a lower rate.
  172.  
  173.      When used to transmit commands to the spacecraft, the 64-m (210-ft)
  174. antennas were so precise in directing their radio beams and provided such a
  175. high radiated power (up to 400,000 W at Gold-stone) that these commands could
  176. be received by the spacecraft at greater distances (to several hundred times
  177. the distance between Earth and the Sun) than those at which messages from the
  178. spacecraft could be received at Earth (perhaps 40 times the distance between
  179. Earth and the Sun).
  180.  
  181.      The spacecraft carried three antennas to receive and to send signals -
  182. low gain (omnidirectional), medium gain, and high gain (beamed).  It also
  183. carried two redundant receivers (for commands from Earth) and two redundant
  184. transmitters.  The redundancy provided a back-up in the event of a failure
  185. during the journeys of the two Pioneers which lasted more than two decades.
  186.  
  187.      The amount of energy received at Earth from the spacecraft via radio
  188. links from Jupiter's distance is incredibly small: from the distance of Saturn
  189. the amount is smaller still by more than two-thirds.  A 26-m (85-ft) diameter
  190. antenna collecting this energy from the distance of Jupiter would require 17
  191. million years to gather enough energy to light a 7.5-W night lamp for a mere
  192. one thousandth of a second.  From Saturn it would require nearly 56 million
  193. years.  Only the sophisticated data coding and signal modulation techniques,
  194. coupled with the large antennas and the advanced, ultra-cold receiving devices
  195. attached to them made it possible to receive and record these faint signals
  196. from the two Pioneer spacecraft.  All the pictures of Jupiter and Saturn
  197. reproduced in this volume, all the information from space to beyond the orbit
  198. of Uranus, all the information about the environment of the two planets, all
  199. the engineering data about the spacecraft and their many scientific
  200. instruments, all the tracking of the spacecraft to 2 billion miles from Earth
  201. derived from these incredibly weak radio signals.  The communications system
  202. of the Pioneer spacecraft and the Deep Space Network are truly great
  203. technological achievements.
  204.  
  205.      The rate at which information is passed over a radio link is expressed in
  206. bits/second, where a bit is defined as a unit of information analogous to the
  207. dots and dashes of the Morse code.  Onboard each spacecraft, a data-handling
  208. system converted science and engineering information into an organized stream
  209. of data bits for transmission to Earth.  Just as a street lamp shining at
  210. night appears fainter and fainter with increasing distance, radio signals from
  211. a spacecraft also become fainter with distance.  Also, natural background
  212. radio signals create interference, and even the components of the electronic
  213. apparatus generate radio noise by the movement of electrons within them.  As
  214. signals become fainter with distance they tend to be drowned out by this
  215. background of noise.  Therefore, sophisticated techniques and equipment had to
  216. be developed to receive information from these extreme distances.
  217.  
  218.      As the Pioneer spacecraft moved farther into our Solar System, their
  219. signals became weaker and weaker at Earth.  The telemetry system adjusted to
  220. these weaker signals by commanding a change in the rate at which information
  221. was transmitted to Earth.  Power per unit of information depends on the rate
  222. at which the information is sent - the bit rate.  To extract information from
  223. a radio signal, the energy level of the signal must exceed the energy of the
  224. background noise.  As the spacecraft moved farther and farther away, the bit
  225. rate was reduced so that less information was sent per second.  Each bit of
  226. information lasted longer and thereby possessed more energy, so that it could
  227. be detected above the radio noise.
  228.  
  229.      By reducing the bit rate, controllers compensated for the fainter signals
  230. received from the Pioneer spacecraft.  When each spacecraft was on its way to
  231. Jupiter, the communication system could pass a maximum of 2048 bits of
  232. information to Earth every second, using the 26-m (85-ft) antennas.  But at
  233. Jupiter, because of the increased distance, the maximum rate was only 1024
  234. bits/sec, using the 64-m (210-ft) antennas.  Near Saturn the maximum rate was
  235. maintained at 1024 bits/sec with the larger antennas because their sensitivity
  236. had been improved during the five years the Pioneer spacecraft took to travel
  237. from Jupiter to Saturn.  Because of the increased sensitivity of the Deep
  238. Space Network, communication between Earth and the two Pioneers far exceeded
  239. original expectations.  At Saturn encounter, however, proximity to superior
  240. conjunction with the Sun forced a reduction in the transmitting rate from 1024
  241. to 512 bits/sec for part of each station's view period.
  242.  
  243.      A digital telemetry unit onboard each spacecraft prepared the data for
  244. transmission in one of 13 data formats at one of 8 bit rates from 16 to 2,048
  245. bits/sec.  An onboard data storage unit was able to store 49,152 data bits for
  246. later transmission to Earth.  This storage capability allowed data to be
  247. gathered by the spacecraft during important parts of the mission faster than
  248. the data could be sent to Earth.  It also stored data when the data could not
  249. be transmitted at all, for example, when the spacecraft was passing behind
  250. Jupiter or Saturn.  The data were later transmitted in response to ground
  251. command.
  252.  
  253.      Command and Control - At Pioneer Mission Operations Control, 222
  254. different commands were used to operate the Pioneer spacecraft.  The command
  255. system consisted of two command decoders and a command distribution unit
  256. within each spacecraft.  Commands were transmitted from Earth at 1 bit/sec.
  257. Since each command message consisted of 22 bits, a command required 22 sec to
  258. transmit.
  259.  
  260.      Each spacecraft also carried a small command memory that could store five
  261. commands.  When a series of up to five commands had to be executed in less
  262. time than was needed to transmit them from Earth at the command rate, that is,
  263. 22 sec for each command, this memory was used.  The command memory with time
  264. delay was also used to command the spacecraft when it was behind Jupiter and
  265. Saturn and out of touch with Earth.
  266.  
  267.      A command distribution unit in each spacecraft routed the commands within
  268. the spacecraft:  73 commands to operate experiments and 149 to control
  269. subsystems of the spacecraft.  Science commands, for example, included those
  270. to calibrate instruments, change modes, move the photopolarimeter telescope,
  271. and change instrument data types.  Spacecraft commands included firing the
  272. rocket thrusters and changing from one component to another redundant
  273. component, selecting different antennas, and changing the modes of the
  274. data-handling subsystems.
  275.  
  276.      Any command not properly verified by the decoder in the spacecraft was
  277. not acted on by the command distribution unit.  Thus, precautions were taken
  278. against the spacecraft accepting wrong commands.  Commands were also verified
  279. on Earth by a computer and by controllers before the commands were
  280. transmitted.  A Pioneer Encounter Planning Team, headed by the Project Science
  281. Chief, considered many possible contingencies that might arise during the
  282. weeks when each Pioneer spacecraft was passing through the systems of the
  283. giant planets, and they developed command sequences to meet such
  284. contingencies.
  285.  
  286.      The decision early in the planning stages to "fly" the Pioneer spacecraft
  287. by command required constant scrutiny and diligence on the part of the
  288. controllers well in advance of any commanded events taking place on the
  289. spacecraft.  Indeed, two years of careful planning preceded the first
  290. encounter with Jupiter.  All commands (e.g., more than 16,000 total for the
  291. first Pioneer) were meticulously sequenced, checked, and stored in a
  292. ground-based computer in 8-hr-long files suitable for transmission during the
  293. time that a ground station would be in contact with the distant spacecraft.
  294. Most of these commands were transmitted to the spacecraft in a four-week
  295. period.  Personnel at the Pioneer Mission Operations Center, the Ground Data
  296. System, and the Deep Space Network met all the demands of the mission -
  297. sending commands on time, with the high level of reliability the mission
  298. demanded.  This performance was repeated for the encounter of the second
  299. Pioneer with Jupiter and, five years later, with Saturn.
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