HRSC Experiment

 
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Wissenschaftliche Ziele

  • Klima und die Rolle des Wassers im Verlauf der Marsgeschichte
  • Entwicklung des Vulkanismus auf dem Mars
  • Charakterisierung potentieller Ressourcen
  • Gestalt der Marsoberfläche im Verlauf der Zeit und geologischer Prozesse
  • Charakteristiken vergangener, aktueller und zukünftiger Landestellen
  • Wechselwirkungen zwischen Marsatmosphäre und Oberfläche
  • Dynamische Phänomene der Atmosphäre
  • Kartografierung von 100% der Marsoberfläche mit einer Auflösung kleiner als 30 Meter/Pixel
  • Kartografierung von 50% der Marsoberfläche mit einer Auflösung kleiner als 15 Meter/Pixel
  • Beobachtung von Phobos und Deimos
Die hochauflösende Stereokamera HRSC (High Resolution Stereo Camera) wurde ursprünglich für die russische Mars 96 Mission gebaut. Nach deren Fehlstart im November 1996 wurden bald darauf eine modifizierte Version für die ESA Mars Express Mission (diese Seiten), sowie eine auf Flugzeugen einsetzbare Version entwickelt. Die Flugzeugkamera HRSC-AX wird für hochauflösende, dreidimensionale Fernerkundungsprojekte eingesetzt.

 

 

Ansicht der Kamera

1024 X 681

2000 X 1330

Blockdiagramm in Hochauflösung

Überblick

HRSC Bild

Kamera Kopf (1)

Die HRSC hat die großflächige Kartografierung der Marsoberfläche zur Aufgabe. Die Auflösung beträgt in 250 km Höhe (marsnächster Punkt) 10m pro Pixel.

SRC Super Resolution Channel (2)

Das ist der hochauflösende Kanal. Mit diesem System werden Aufnahmen mit einer Auflösung von 2.3 m pro Pixel gemacht. Diese Bilder sollen dann detaillierte Ansichten von Gebieten speziellen Interesses liefern, unter anderem die Beurteilung der Landeplätze noch folgender Marsmissionen mit Landern.

Instrumentenrahmen (3)

Der Rahmen ist die Grundstruktur für die beiden Kameras, der Zeilenkamera (HRSC) und des superhochauflösenden Kanals (SRC).

Aufbau

Digitaleinheit (4)

Kamera Kontroll Processor CCP (Camera Control Processor)

Der CCP ist die zentrale Kontrolleinheit für das gesamte Kamerasystem. Er bearbeitet die seriellen Telekommandos und Kontrolldaten der Raumsonde. Die Grundlage ist ein Prozessor vom Typ 80C86, ein boot PROM, ein EEPROM für die Software, sowie RAM für die Programmausführung. Das EEPROM kann während der Mission neu beschrieben werden, was z.B. für Veränderungen an der Software notwendig ist.

Datenkompressionselektronik DCE (Data Compression Electronics)

Die DCE besteht aus 4 Kompressionseinheiten (Compression Units - CU) und einem Microcontroller. Die Input Speicher der CU's sind direkt mit den 4 Signalleitungen der Kamera verbunden. Die Daten werden, von der Kamera kommend, in einem Puffer zwischengespeichert, und von den Microcontrollern im JPEG Format komprimiert. Danach wird aus den 4fach parallelen Daten über einen Communication Interface Adapter ein serieller Datenstrom erzeugt. Ein weiterer Microcontroller vom Typ 80C31 übernimmt die Einstellung der Kompressionsrate und das Erzeugen des seriellen Datenstroms.

Interface Electronics (IFE)

Die IFE besteht aus zwei Boards:

Die IFE01 beeinhaltet die Schnittstellen niedriger Datenrate zwischen Kamerakopf, Datenkompressionselektronik, dem Raumfahrzeug und dem Kamera Kontroll Prozessor.

Die IFE02 beherbergt die Schnittstellen für hohe Datenrate, die den Datentransfer der wissenschaftlichen Bilddaten zum Massenspeicher gewährleisten.

Energieversorgung

Das Energiesystem versorgt die Digitaleinheit und den Kamerakopf. Für die SRC ist ein Energieumwandler in der Digitaleinheit enthalten.

Wärmekontrollelektronik

Das Heizsystem kontrolliert den thermischen Zustand der Kamera, die wärmetechnisch vom Raumfahrzeug isoliert ist. Die Energie, die von der Kamera abgeht, wird über Kühlstreifen und Radiatoren nach außen abgeleitet. Gleichzeitig wird über ein System von 6 unabhängigen Heizspiralen in der optischen Bank und in den front end electronics die Kamera auf etwa Raumtemperatur (20°C) "vorgeheizt". Die thermale Kontrolle wird unabhängig von der Elektronik der Kamera betrieben.

Funktionsweise

Orbit

Die Mars Express Sonde wird den Mars in einem elliptischen Orbit umfliegen. Im Punkt der größten Annäherung (Perizentrum) befindet sich die Sonde etwa 250 km über der Marsoberfläche. Den Ort maximaler Entfernung nennt man Apozentrum. Die Kamera wird hauptsächlich um den Punkt größter Annäherung eingesetzt. Pro Umlauf hat man in diesem Bereich für etwa 40 min günstige Aufnahmebedingungen. Der andere Abschnitt des Orbits wird dazu genutzt, die Daten nach erfolgter Kompression zur Erde zu senden. Um Untersuchungen und Wartung der Kamera zu gewährleisten, ist der break mode vorgesehen, welcher erweiterte Selbsttests, Upload und Überprüfung des Speichers ermöglicht. Der standby mode dient der Vorbereitung der Aufnahme und ihr nachfolgender technischer Abläufe.

Aufnahmeprinzip HRSC / SRC

Die Aufnahmeelektronik der HRSC basiert auf dem Prinzip einer Linienscanner-Kamera. Das heißt, die Abbildung geschieht nicht auf einer Fläche (wie z.B. auf einem 35 mm Film), sondern auf einer Linie. Eine Linie (Zeile) besteht bei der HRSC aus 5184 lichtempfindlichen Zellen, die nebeneinander angeordnet sind. Die HRSC besitzt 9 dieser Zeilen. Das heißt, pro Auslesevorgang werden 9 unabhängige Bildzeilen erzeugt. Die CCD's liegen senkrecht zur Flugrichtung und werden mit einer der jeweiligen Geschwindigkeit angepassten Frequenz ausgelesen. Das Resultat sind neun Streifen (Pinselstrich Prinzip), einer für jeden Kanal. Drei der Zeilen nehmen Spektralbereiche von Rot, Grün und Blau auf. Eine weitere nimmt den jenseits von Rot liegenden nahen Infrarotbereich auf. Dazu kommen 3 Stereokanäle (Nadir, Stereo 1 und Stereo 2), die zur Ermittlung von 3D-Daten für ein digitales Geländemodell genutzt werden. Das Prinzip besteht darin, von einem Objekt eine Aufsicht, eine schräg nach vorne und eine schräg nach hinten schauende Ansicht zu bekommen. Aus diesen verschiedenen Blickwinkeln kann dann mittels Photogrammetrie die 3D-Information gewonnen werden. Den Abschluß bilden 2 Photometrie-Kanäle, die Daten für die physikalische Analyse des Mars liefern.

Die SRC ist der zweite Bestandteil des HRSC Kamerasystems und arbeitet mit einem CCD-Flächensensor. Das heißt, daß die Lichtintensitäten nicht auf einer Linie gemessen werden, sondern durch eine Matrix von 1024 X 1032 Elementen. Das Ergebnis für jeden Einlesevorgang ist ein Bild mit der Auflösung von 1024 X 1032 Pixel, das entspricht in einer Höhe von 250 km einem Quadrat auf dem Mars mit 2,35 km Kantenlänge. Die Kantenlänge eines Pixels beträgt 2,3 m.

HRSC und SRC im Einsatz

Im Normalfall arbeiten die HRSC und die SRC simultan. Der Datenstrom der SRC wird dann in den der HRSC integriert. Da es außerordentlich schwierig ist, die von SRC generierten Bilder auf der Marsoberfläche zu lokalisieren, wird sie nur in Ausnahmefällen allein betrieben. Wenn die HRSC parallel mitläuft, werden die hochauflösenden Bilder in den HRSC Streifen integriert, und liefern detaillierte Informationen besonders interessanter Gebiete. Es werden drei verschiedene Kommandomodes unterschieden, der Punktmodus, der Rastermodus und der kontinuierliche Modus.

Datenreduktion und Ausgabe

Mit den 9 Kanälen der HRSC und dem der SRC würden theoretisch 10 Kanäle gleichzeitig in voller Auflösung Daten liefern. Aufgrund technischer Beschränkungen sind jedoch Grenzen gesetzt. Die Hauptantenne, die für den Transport der Daten zur Erde verantwortlich ist, hat eine begrenzte Kapazität und kann aus bahnmechanischen Gründen maximal 8 Stunden am Tag mit der Erde in Kontakt treten. Daher ist eine Datenreduktion notwendig, die durch Pixelsummierung oder Kompression erfolgen kann. Bei der Pixelsummierung werden aus benachbarten Pixel Durchschnittswerte gebildet. Bei 1X1 Summierung bleibt die volle Auflösung erhalten. Bei 2X2 wird der Wert der Punkte eines Quadrats von 2 Pixel Kantenlänge zu einem Mittelwert zusammengefasst. Dadurch erhält man einen 4 Mal kleineren Datenstrom. Als weitere Optionen gibt es noch die 4X4 und die 8X8 Reduktion. Der zweite Ansatz ist eine auf dem JPEG-Verfahren basierende Kompression. Nach umfangreichen Tests mit beispielhaftem Bildmaterial wurde der Kompressionsfaktor auf einen variablen Wert zwischen 4 und 10 festgelegt. Dieser ermöglicht eine auf verschiedenste Bildeigenschaften zugeschnittene Reduktion des Datenaufkommens bei akzeptablen Qualitätsverlusten.

 


 
 
Autor:  Ernst Hauber WWW-Bearbeiter: Dennis Reiß  
Letzte Änderung: Wednesday, 07-Jul-2004 15:28:46 CEST