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Thesis

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Preparation of the satellite receiving station at Ny-Ålesund for upcoming satellite missions by means of new made-to-measure antenna operation software

Falck, C. (2018): Preparation of the satellite receiving station at Ny-Ålesund for upcoming satellite missions by means of new made-to-measure antenna operation software, PhD Thesis, (Scientific Technical Report STR ; 17/11), Potsdam : GFZ German Research Centre for Geosciences.
DOI: http://doi.org/10.2312/GFZ.b103-17113



http://gfzpublic.gfz-potsdam.de/pubman/item/escidoc:3042917
Resources

STR_1711_Falck.pdf
(Publisher version), 10MB

Authors
http://gfzpublic.gfz-potsdam.de/cone/persons/resource/falck

Falck ,  C.
Scientific Technical Report STR, Deutsches GeoForschungsZentrum;
1.2 Global Geomonitoring and Gravity Field, 1.0 Geodesy, Departments, GFZ Publication Database, Deutsches GeoForschungsZentrum;

Abstract
The German Research Centre for Geosciences GFZ operates a satellite-receiving station at Ny-Ålesund, Spitsbergen since 2001. Valuable support for several satellite missions was provided by the station on a best effort basis, while technical and software related issues, as well as uncertainties regarding important system properties, hindered any project participations with more binding commitments. The upcoming US-German GRACE-Follow On satellite mission with on-board GNSS-RO and gravity measurements and subsequent “near real-time” respectively low latency processing chains raised the demand to integrate the Ny-Ålesund station as the primary data receiving station of the mission’s ground segment. This required the demonstration of improved station performance and reliability with a perspective of sustainability as well as the determination of important antenna system parameters, such as the ratio of antenna gain to system noise (G/T). Analysis of receiving problems at the station in the past and considerations on methods to determine the station antennas characteristics suggested that improved antenna operation software was the most important and straightforward element on the planned way. Disappointing experiences with antenna operation programs of third parties, e.g., from shortcomings of functions, flexibility and support, indicated that the effort for an in-house development would pay off. Consequently new software for the semi-automatic operation of the antennas at the satellite receiving station at Ny-Ålesund was developed within this work. Main development objectives were the elimination of antenna operation problems which occurred in the past, to improve the station reliability, and to introduce program features for the support of required antenna measurements, e.g., such that use the sun as a natural radio signal source. Other focal points during the development were the program-internal timing routines, a compact, informative and operation-safe graphical user interface (GUI) and advanced operation logging features. Lessons learned by the operation of software from other parties in the years since 2001 were respected and even some hardware related issues with the antenna systems at Ny-Ålesund were solved by means of the new software. The new software “NYA-Sattrack” provides all required and desired functions, including some unconventional features. One example is the option to use two different external satellite orbit prediction programs and two sets of prediction elements (twoline elements). An operator can switch between the corresponding pass predictions at any time, even during a satellite contact with already moving antenna. This might be useful, e.g., in a Launch and Early Orbit Phase (LEOP), when different predictions from different sources and with uncertain quality have to be used. Another example is the generation of graphical logs for each satellite contact. An operator can check these logs very fast and simultaneously with normal, text-based logs through a built-in log-viewer function. An eventually desired adaptation to other antenna system types with different technical properties is explicitly supported by the software design as all antenna-specific program code is allocated to individual software interface modules (Dynamic Link Libraries). The new program “NYA-GPS-SYNC” maintains the accuracy of the antenna operation computer clock to support precise operation timing. The two different antenna positioning systems (Elevation over Azimuth and X over Y) of the satellite-receiving station at Ny-Ålesund are operated routinely with NYA-Sattrack since July 2014 and each of the antennas tracks more than 25 satellite passes per day. The number of outages related to antenna operation issues and the manual effort for the operation of the antennas has decreased significantly since introduction of NYA-Sattrack. The new program features of NYA-Sattrack, e.g., such as the sun-tracking mode combined with scan modes, strongly supported the determination of important antenna system characteristics and the detection of a source of radio interference. All achievements of this work have a benefit for supported missions, e.g., due to a better knowledge about technical boundary conditions for contact planning and less data losses during data reception. NYA-Sattrack significantly improved the reliability, efficiency and sustainability to support current and future satellite missions and the Ny-Ålesund ground station is ready to work as the primary downlink station for the GRACE-FO mission, due for launch in February 2018.
Das Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ betreibt seit 2001 eine Satelliten-Empfangsstation bei Ny-Ålesund auf Spitzbergen. Die Station hat, so gut es ging, wertvolle Dienste für etliche Satellitenmissionen geleistet. Verbindliche Verpflichtungen in Projekten konnten aber, wegen hard- und softwaretechnischer Probleme und den nur unsicher bekannten Leistungsparametern der Station, nicht eingegangen werden. Die aufkommende US-amerikanisch-deutsche GRACE-Follow On Satellitenmission für GNSS-RO- und Schwerefeldmessungen und die sich daran anschließenden nahe-Echtzeit Datenverarbeitungsketten führten zu dem Wunsch, die Ny-Ålesund Station als primäre Empfangsstation im Bodensegment der Mission zu integrieren. Dies erforderte den Nachweis von verbesserten Betriebseigenschaften, sowie verbesserter Betriebszuverlässigkeit und Zukunftssicherheit, und die Bestimmung wichtiger Antennenparameter, wie dem Verhältnis von Antennengewinn zu Systemrauschen (G/T). Analysen zu Empfangsproblemen an der Station in der Vergangenheit und Überlegungen zur Bestimmung der Antennencharakteristika legten nahe, dass der wichtigste und direkteste Schritt auf diesem Weg eine verbesserte Software für den Betrieb der Antennen sein würde. Wegen in verschiedener Hinsicht enttäuschenden Erfahrungen mit Antennenbetriebssoftware von Dritten, z.B. wegen unzureichenden Funktionen und mangelnder Flexibilität und Unterstützung, wurde angenommen, dass sich der Aufwand für eine eigene Programmentwicklung auszahlen würde. Infolgedessen wurde mit dieser Arbeit eine neue Software für den halb-automatischen Betrieb der Antennen an der Satelliten-Empfangsstation Ny-Ålesund entwickelt. Die wichtigsten Punkte dabei waren die Lösung der in der Vergangenheit beobachteten Betriebsprobleme mit den Antennen, bzw. die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Station, und Funktionen für Messungen an und mit den Antennen, z.B. mit Nutzung der Sonne als natürliche Quelle für Radiosignale. Andere Schwerpunkte der Entwicklung waren die zeitlichen Abläufe im Programm, eine kompakte, informative und betriebssichere graphische Nutzerschnittstelle (GUI) und erweiterte Möglichkeiten zum Protokollieren (Loggen) des Betriebs. Dabei wurden die seit 2001 mit dem Betrieb von extern beschaffter Software gemachten Erfahrungen berücksichtigt und sogar durch Hardware verursachte Probleme beim Betrieb der Antennen in Ny-Ålesund durch die neue Software gelöst. Das neue Programm „NYA-Sattrack“ stellt alle benötigten und gewünschten Funktionen bereit, inklusive einiger ungewöhnlicher Funktionen. Ein Beispiel ist die Möglichkeit zur Nutzung von zwei unterschiedlichen externen Programmen zur Bahnvorhersage mit unterschiedlichen Bahnelementen (twoline elements). Ein Operator kann so jederzeit zwischen den beiden entsprechenden Bahnvorhersagen wechseln, sogar während eines Satellitenkontakts mit sich bereits bewegenden Antennen. Dies könnte z.B. in der ersten Zeit nach einem Satellitenstart nützlich sein, wenn unterschiedliche Bahnberechnungen mit unsicherer Genauigkeit von unterschiedlichen Quellen verwendet werden müssen. Ein anderes Beispiel ist die Erzeugung graphischer Logs für die einzelnen Satellitenkontakte. Diese Logs lassen sich von einem Operator sehr schnell überprüfen, durch eine integrierte Anzeigefunktion sogar zusammen mit den textbasierten Logdateien. Eine möglicherweise gewünschte Anpassung des Programms für andere Antennen mit unterschiedlichen Betriebseigenschaften wird dadurch unterstützt, dass antennenspezifischer Programmcode in Programmerweiterungen (Dynamic Link Libraries) platziert wurde. Das neue Programm “NYA-GPS-SYNC” kontrolliert die Uhr des Computers für die Antennensteuerung und sorgt so für einen zeitlich präzisen Betrieb. Die beiden unterschiedlichen Antennenpositionierungssysteme an der Satelliten- Empfangsstation Ny-Ålesund (Elevation über Azimut und X über Y) werden seit Juli 2014 routinemäßig mit NYA-Sattrack betrieben. Jede der beiden Antennen bedient mehr als 25 Satellitenkontakte pro Tag. Seit der Einführung von NYA-Sattrack haben betriebsbedingte Ausfälle stark abgenommen, ebenso der manuelle Aufwand zum Betrieb der Antennen. Die neuen Funktionen von NYA-Sattrack, wie z.B. das Verfolgen der Sonne mit einer Antenne in Kombination mit speziellen Bewegungsmustern, haben die Bestimmung wichtiger Antennenparameter und das Erkennen einer funktechnischen Störquelle ermöglicht. Alle erzielten Ergebnisse nützen indirekt auch den unterstützten Missionen, z.B. durch bessere Kenntnis der technischen Randbedingungen für die Planung von Kontakten und geringere Datenverluste beim Datenempfang. NYA-Sattrack hat die Zuverlässigkeit, Effektivität und Nachhaltigkeitsperspektive der Station für die Unterstützung aktueller und zukünftiger Satellitenmissionen stark verbessert, so dass diese nun für den geplanten Einsatz als primäre Empfangsstation für GRACE-FO bereit ist (geplanter Start im Februar 2018).