Wie wurde der Magnetbandzerfall in Voyager 1 verhindert?

Voyager-Sonden verwenden 8-Spur-Digitalbandrekorder (DTR), um Telemetrie- und wissenschaftliche Daten aufzuzeichnen, und beide verfügen über Fehlerkorrekturfunktionen, wobei Voyager 2 über stärkere, fehlerresistentere Algorithmen verfügt. Zitat von Wikipedia zur Fehlererkennung und -korrektur in der Weltraumtelekommunikation :

Die Entwicklung von Fehlerkorrekturcodes war aufgrund der extremen Verdünnung der Signalleistung über interplanetare Entfernungen und der begrenzten Stromversorgung an Bord von Raumsonden eng mit der Geschichte der Weltraummissionen verbunden. Während frühe Missionen ihre Daten unverschlüsselt übermittelten, wurde ab 1968 eine digitale Fehlerkorrektur in Form von (suboptimal decodierten) Faltungscodes und Reed-Muller-Codes implementiert . Der Reed-Muller-Code war gut für den Lärm geeignet, dem das Raumfahrzeug ausgesetzt war (ungefähr passend zu einer Glockenkurve ), und wurde beim Mariner-Raumfahrzeug für Missionen zwischen 1969 und 1977 implementiert.

Der erwähnte Artikel fährt fort zu erklären, dass der verkettete Fehlerkorrekturcode verwendet wird, indem ein Faltungscode und ein binärer Golay-Code kombiniert werden, was eine codierte Datenredundanz bereitstellt, die durch einen Viterbi-Decoder decodiert wird . Es erklärt auch, dass der Voyager 2 theoretisch fehlerresistenter ist, wenn ein zusätzlicher verketteter Reed-Solomon-Code (Reed-Solomon-Viterbi) für eine sehr leistungsfähige Fehlerkorrektur verwendet wird.

Das CCSDS [Consultative Committee for Space Data Systems] empfiehlt derzeit die Verwendung von Fehlerkorrekturcodes mit mindestens ähnlicher Leistung wie der RSV-Code von Voyager 2. Verkettete Codes geraten bei Weltraummissionen zunehmend in Ungnade und werden durch leistungsfähigere Codes wie Turbo-Codes oder LDPC-Codes [Low-density parity-check] ersetzt.

Dies ist jedoch möglicherweise etwas überwältigend für jeden, der nicht mit der Funktionsweise von Datenparität, verketteter Fehlerkorrektur oder zyklischen Redundanzprüfungsalgorithmen vertraut ist. Aber wir können schlussfolgern, dass durch Datenredundanz und Verschlüsselungsalgorithmen Daten mit diesen Maßnahmen dekodiert und teilweise fehlerfrei rekonstruiert werden können und noch bestehende Fehler erkennbar wären. Dies ist jedoch nicht die ganze Geschichte. Erneut Wikipedia zitierend, diesmal jedoch zur Telemetrie des Voyager-Programms :

Die Telemetrie kommt separat als ein Kanal mit "niedriger Rate" von 40 Bit pro Sekunde (Bit/s) und ein Kanal mit "hoher Rate" zu der Telemetrie-Modulationseinheit (TMU).

Telemetrie mit niedriger Rate wird durch die TMU geleitet, so dass sie nur als uncodierte Bits abwärts übertragen werden kann (mit anderen Worten, es gibt keine Fehlerkorrektur). Bei hoher Rate wird eine aus einem Satz von Raten zwischen 10 Bit/s und 115,2 kBit/s als codierte Symbole abwärts übertragen.

Die TMU codiert den Datenstrom mit hoher Rate mit einem Faltungscode mit einer Beschränkungslänge von 7 mit einer Symbolrate gleich der doppelten Bitrate (k = 7, r = 1/2).

Obwohl also keine Fehlerkorrektur vom TMO zum DTR vorhanden ist (es gibt jedoch eine auf dem DTR selbst, wie wir bereits erwähnt haben), deutet dieses Zitat darauf hin, dass zwei unterschiedliche Bitraten-Streams auf demselben 8- Spur DTR. Da es keine Möglichkeit gibt, dass sich eine Spur mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt als die anderen (als physischer Teil desselben Bandes), bedeutet dies, dass Voyager tatsächlich zwei Spuren gleichzeitig verwenden und mit unterschiedlicher Datendichte pro Spur und den Telemetriedaten aufgezeichnet werden die Aufzeichnung mit niedriger Bitrate (und damit geringere Datendichte auf dem Band selbst), dies sollte zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis der Bandaufzeichnung führen und weniger anfällig für Datenfehler sein, die durch die zuvor erwähnten Algorithmen korrigiert werden müssten, oder andernfalls keine Telemetriedaten liefern.

Wikipedia zitierte Bitraten sowohl für Telemetrie- als auch für wissenschaftliche Daten von 1400 bzw. 7200 Bit/s. Ich konnte kein Zitat über das tatsächlich verwendete Band und seine deklarierte Datendichte finden, und die Datenrate pro Sekunde sagt uns nicht wirklich etwas über seine Grenzen (es könnte einfach schneller über das Lesen / Aufzeichnen von Magnetbandköpfen gedreht werden , soweit wir wissen), aber ich würde vermuten, dass eine viel langsamere als die nominale Aufnahmegeschwindigkeit eine Rolle bei Maßnahmen spielen würde, die ergriffen werden, um Datenverlust zu verhindern und das Signal-Rausch-Verhältnis auf dem Aufnahmeband selbst etwas zu erhöhen. Hinzu kommt natürlich die Verwendung von Fehlerprüfungs- und Korrekturalgorithmen mit den digitalen Aufzeichnungen von Voyager.

Das im obigen Artikel gezeigte Tonbandgerät (von @user6972) und das in diesem Artikel gezeigte sind jeweils repräsentativ für den Viking Mars Lander DTR und seinen ähnlich aussehenden Bruder, den Voyager DTR . Bitte beachten Sie jedoch, dass sich der „Flansch“ der DTR-Aufwickelspule des vorherigen Artikels deutlich von dem unterscheidet, das auf dem von mir hier vorgestellten Foto des DTR gezeigt wird. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, warum.

Die Wahrheit ist, dass ich während meines Studiums und nach meinem BS- und MS-Abschluss am Caltech am JPL gearbeitet habe. Ich habe beide Flansche entworfen, einen für Viking und einen für Voyager . Beide Teile wurden entwickelt, um Resonanzen zu absorbieren, die durch den um das Band gewickelten klaren/transparenten Riemen erzeugt werden, der durch die Bewegung des Bandlaufwerks selbst erzeugt wird.

Die Flansche machen im Wesentlichen dasselbe - bis zu einem gewissen Punkt. Der Flansch von Viking zeigt die Grundstruktur, schauen Sie genau hin. Der Flansch selbst kann sich frei auf einem Lager drehen, das in der Mitte der Bandspule montiert ist, und er könnte sich frei selbst drehen. Aber hier ist der Trick: Beachten Sie, dass am Flansch zwei kleine Stücke aus weißem Gummi befestigt sind, die auch am Rotationszentrum der Rolle befestigt sind. Diese Verbindung absorbiert winzige Vibrationen in der Bandbewegung, wodurch die Motorservosteuerung des DTR eine im Wesentlichen vibrationsfreie kontinuierliche Bandgeschwindigkeit aufrechterhalten kann. Dieses Design des Flansches von Viking DTR hat das Projektziel mehr als erfüllt.

Der Flansch von Voyager funktioniert im Grunde nach dem gleichen Prinzip, aber ich wusste, dass er für eine sehr lange Lebensdauer ausgelegt sein musste. Vikings Leben war vergleichsweise kurz. Reisende? Ich plante ein unendliches Leben. Ja, Sie haben Recht: Der "Flansch" auf Voyager sieht aus wie ein solides Stück Metall, das an der Oberseite der Bandspule befestigt ist. Nun, eigentlich nicht genau. Es ist eine „Schale“ aus Titan, in der ein Flansch durch ein Lager in der Mitte der Flanschbaugruppe montiert ist. Nachdem es jedoch durch Elektronenstrahlschweißen versiegelt wurde, wurde es mit einer Dämpfungsflüssigkeit/einem Öl hinterfüllt, um den Platz des vibrationsdämpfenden Gummis in Viking einzunehmen. Dann wird die Versiegelung durch weiteres Elektronenstrahlschweißen gründlich abgeschlossen. Und gute Nachrichten! Es wird sehr lange überleben! Wie für immer.

Ich dachte immer, diese Tatsachen würden irgendwo im Internet auftauchen, aber nach meiner langen Suche, nach vielen Jahren, entschied ich mich, es der Welt zu erklären, besonders bevor ich sterbe. Besser jetzt als nie LOL. Ich hoffe, Sie haben alle etwas Neues über Voyager und Viking gelernt, etwas, das nur einer kleinen Gruppe von Ingenieuren bei der NASA, Texas Instruments und Lockheed bewusst war. Erkunden Sie weiter!

Aus einem Kommentar von @user6972:

Meine Eltern hatten das Glück, 2 Jahre aus ihren 8 Tracks herauszuholen, geschweige denn 30+ Jahre ... Fehlerkorrektur würde den Knoten nicht lösen, den sie ausspucken würden.

Das 8-Spur-1/4-Zoll-Tonband, auf das es sich bezieht, war berüchtigt dafür, schlecht konstruiert zu sein. Viele moderne Bandformate verwenden das gleiche allgemeine Prinzip: eine einzelne Spule, die eine endlose Bandschleife enthält. DLT zum Beispiel. Keines von ihnen sind so unzuverlässig wie 8-Spur 1/4".

Der Voyager DTR verwendete ein 1/2-Zoll-Band in einem Format, das eher einem Tonbandgerät mit offener Spule als einem 8-Spur-Tonabnehmer ähnelt. Dadurch werden das Einzelspulendesign und viele seiner potenziellen Probleme vollständig vermieden. So sieht das DTR aus :

Laut diesem Voyager Backgrounder, Oktober 1980 (PDF) ¹ :

Bei jeder Begegnung kann das Flugdaten-Subsystem die Bilddaten mit sechs Downlink-Raten von 115,2 bis 19,2 kbps verarbeiten. Die 115,2-kbps-Rate repräsentiert die Standard-Vollbildanzeige (bei 48 Sekunden pro Bild) des TV-Vidicons. Unter normalen Bedingungen wurde dieser Kurs bei Jupiter verwendet. Full-Frame-Fernsehen mit voller Auflösung von Saturn kann erhalten werden, indem die Frame-Auslesezeit auf 144 Sekunden (3:1 Slow Scan) erhöht und die Daten mit 44,8 kbps übertragen werden. Eine Reihe weiterer Slow-Scan- und Frame-Edit-Optionen stehen zur Anpassung an die Leistungsfähigkeit der Telekommunikationsverbindung zur Verfügung.
Das Datenspeichersubsystem kann mit zwei Raten aufzeichnen: Fernsehbilder, allgemeine Wissenschaft und Technik mit 115,2 kbps; allgemeine Wissenschaft und Technik bei 7,2 kbps; und Engineering nur mit 7,2 kbps (Engineering wird mit nur 1.200 bps erfasst, aber mit Füller formatiert, um der Eingaberate des Rekorders zu entsprechen). Der Bandtransport ist riemengetrieben. Sein 1/2-Zoll-Magnetband ist 328 m (1.076 Fuß) lang und in acht Spuren unterteilt, die nacheinander jeweils eine Spur aufgezeichnet werden. Die gesamte recycelbare Speicherkapazität beträgt etwa 536 Millionen Bits – das Äquivalent von 100 Fernsehbildern. Die Wiedergabe erfolgt mit vier Geschwindigkeiten – 57,6; 33,6; 21,6 und 7,2 kbps.

Es wird also immer nur auf eine Spur aufgenommen.

¹ NASA-NEWS-RELEASE-80-160, P80-10172

Eines der Probleme mit dem Verständnis der Öffentlichkeit darüber, wie das Bandlaufwerk genau funktioniert, scheint ein bisschen "mysteriös" zu sein, weil etwas Unerwartetes auftauchte, das ein großes Problem darstellte: Die Synchronisation des Zeitsignals des Bandes konnte nicht aufrechterhalten werden. Es bedrohte sogar die Startsequenz!

Der große Vorteil der Handhabung von Magnetbändern hat wunderbare Vorteile (na ja, damals) - das Band wird bei Spezialtransporten wie diesem kaum gehandhabt, aber die meisten Leute haben nicht wirklich verstanden, wie wenig das Band berührt wird, selbst wenn sie es vielleicht getan haben bemerkte. Nicht viele taten es. Sobald der durchsichtige "Antriebs"-Riemen die Rückseite des Magnetbands nicht mehr berührt (sehen Sie sich das Foto an, um zu sehen, wo sie sich trennen), bewegt er sich frei in Richtung des Band-Lese-/Schreibkopfs, mit nur dem genauen Abstand, der für das Band erforderlich ist. wie es frei durch den sehr schmalen Schlitz im Tonkopf gleitet. Nun, das ist nur die Einführung in das eigentliche Problem. Kehren Sie zu den vorherigen Diskussionen über die Bandflansche zurück. Dort wurde das Problem gelöst.

Zur Erinnerung: Die Bandflansche sind nicht inaktiv. Vibrationen im durchsichtigen Transportband und im Band selbst waren ein echtes Problem, das beseitigt werden musste. Überprüfen Sie die obigen Informationen. Bei Viking wurde ein Flansch an Gummi aufgehängt, um Vibrationen zu absorbieren; In der Voyager wurde ein Flansch für immer in einer dauerhaft versiegelten Hülle versiegelt, die mit Dämpfungsöl gefüllt war.

Wie habe ich dieses Problem gelöst? Nun, damals in den frühen 70er Jahren hatte ich kürzlich einen der allerersten BMWs gekauft, die jemals von einem neuen Händler in der Nähe von Caltech verkauft wurden. Es war eine manuelle Schaltung und ein Artikel erklärte, wie manuelle Kupplungen funktionierten, um das Drehmoment reibungslos durch die Antriebswelle zu übertragen. Ich habe das nicht vergessen und es benutzt, um NASA/JPL einen Teil der Antwort zu zeigen. Ein paar Jahre später, während eines Urlaubs in Europa, besuchte ich das BMW -Werk in München und erzählte einem Ingenieur, dass BMW geholfen hat, Viking und Voyager zu retten !