In de wereld van ruimtecommunicatie spelen antennesystemen een cruciale rol bij het waarborgen van de effectiviteit van de signalen die tussen een ruimtevaartuig en de grondstations worden uitgewisseld. De sterkte van het ontvangen en uitgezonden signaal is sterk afhankelijk van het antennepatroon en de hoek van de signalen ten opzichte van het boegbeeld van het ruimtevaartuig. Naarmate de hoek tussen de antenne-as en de grondstation verandert, wordt de signaalsterkte zwakker, wat de communicatie kan beïnvloeden. Dit effect wordt nog prominenter wanneer het signaal een grote afstand door de atmosfeer moet afleggen, dichtbij de horizon van het grondstation, waar atmosferische attenuatie en breking een aanzienlijke rol spelen. Dit verklaart waarom het exact bepalen van het verlies van signaal (LOS) moeilijk is, aangezien het moeilijk voorspelbaar wordt wanneer dit precies zal optreden.

Een zorgvuldige operationele planning is essentieel, waarbij kritieke operaties worden ingepland tijdens periodes van stabiele ontvangst om signaalverlies te minimaliseren. Het boegbeeld van de antenne, ofwel de richting van de hoofdontvangst-as van de antenne, speelt hierbij een belangrijke rol. Dit boegbeeld wordt in de ruimtevaartcommunicatie bepaald door de hoek tussen de ontvangst-as van het ruimtevaartuig en het grondstation.

Ranging, of het bepalen van de afstand tussen het ruimtevaartuig en de grondstations, is een andere essentiële techniek die wordt gebruikt voor de navigatie van ruimtevaartuigen. Dit is vooral van belang voor satellieten in hogere aardbanen of interplanetaire missies die geen GPS-systemen kunnen gebruiken om hun positie te bepalen. In dit geval wordt een uplink-signaal van het grondstation direct naar de ontvanger op het ruimtevaartuig gestuurd, waarna het signaal terug naar de grondstations wordt gezonden. De vertraging van het signaal wordt nauwkeurig gemeten, wat vervolgens wordt gebruikt om de afstand te berekenen. Voor deze metingen moeten operaties pauzeren om het signaal niet te verstoren, wat de noodzaak benadrukt van zorgvuldige tijdsindeling in de vluchtoperaties.

Naast ranging wordt vaak ook de Doppler-shift gebruikt om de nauwkeurigheid van de positionering te verbeteren. Dit wordt gedaan door de verandering in frequentie te meten als gevolg van de Doppler-effecten, wat de snelheid van het ruimtevaartuig ten opzichte van het grondstation aangeeft. Het downlink-signaal moet hiervoor zeer nauwkeurig bekend zijn. Omdat de ruimtevaartuigen vaak geen bijzonder stabiele oscillatoren aan boord hebben, wordt het uplink-signaal als referentie gebruikt om het downlink-signaal te stabiliseren in wat we coherentiemodus noemen. Dit proces vereist vaak handmatige commando's om te zorgen voor een naadloze overgang tussen signaalbronnen, wat als risico kan worden beschouwd voor de werking van het systeem.

Een ander belangrijk aspect van de communicatie zijn de keuzes van antennes en transponders aan boord van het ruimtevaartuig. De eenvoud van het ontwerp speelt hierbij een belangrijke rol. Antennes die meerdere functies vervullen, zoals noodontvangst, worden doorgaans nooit volledig uitgeschakeld. De transponders worden echter alleen ingeschakeld wanneer ze daadwerkelijk worden gebruikt, om energie te besparen en onnodige storingen in de frequenties te vermijden. Dit vereist vaak een gedetailleerde planning en tijdsafstemming, aangezien sommige commando's automatisch worden gegenereerd, terwijl andere handmatig moeten worden ingesteld in geval van nood.

Een veelvoorkomend probleem bij ruimtevaartcommunicatie is de polariteit van de signalen. Ruimtevaartuigen die niet recht naar de aarde zijn gericht, maar bijvoorbeeld naar de zon, ervaren aanzienlijke veranderingen in de antennehoek tijdens het passeren van een grondstation. Dit heeft invloed op de polariteit van de signalen die tussen het ruimtevaartuig en het grondstation worden uitgewisseld. Het gebruik van verschillende polariteiten kan voordelen bieden, maar als de grondstations alleen in één polariteit kunnen uitzenden, kan dit leiden tot verliezen van communicatie wanneer de polariteit van het signaal verandert. Dit kan worden voorspeld en verholpen door een grondige berekening van de verwachte polariteit op basis van de voorspelling van de antennehoek van het ruimtevaartuig.

Bij gebruik van Ku-band frequenties voor communicatie met ruimtevaartuigen, is een andere uitdaging de interferentie met andere ruimtevaartuigen. Satellieten die in de Ku-band werken, bieden hogere datasnelheden en worden vaak gebruikt voor communicatie tijdens de positioneringsfase van de missie. Deze hogere frequenties kunnen echter leiden tot interferentie tussen verschillende satellieten die zich tegelijkertijd in het gezichtsveld van de grondstations bevinden. Dit kan leiden tot storingen in zowel uplink- als downlink-signalen, wat vooral kritisch is tijdens de zogenaamde LEOP-fase (Launch and Early Orbit Phase), wanneer de controle en gegevensverzameling uiterst gevoelig zijn voor storingen. Ervaring leert dat de meeste interferentie de uplink beïnvloedt, waardoor commando’s van de grondstations verstoord kunnen worden.

Het is van essentieel belang dat ruimtevaartoperaties deze interferentieproblemen begrijpen en anticiperen, om ervoor te zorgen dat de communicatie altijd betrouwbaar blijft, zelfs in de meest uitdagende omstandigheden.

Hoe verbeteren communicatieconcepten voor satellietcaptatie en rendezvousmissies?

Bij het uitvoeren van een ruimteoperatie, zoals het inhalen en vastgrijpen van een doelwit, komt het aan op een zorgvuldige afstemming van meerdere systemen om een succesvolle missie te garanderen. In het geval van een oncontroleerbare servicersatelliet, wat soms gewenst is, bijvoorbeeld voor het vastgrijpen van de klant, vindt de interactie tussen de verschillende elementen van het rendezvoussysteem plaats op basis van nauwkeurige sensormetingen en controlemechanismen. De sensoren van de satelliet verkrijgen beelden van het doelwit, waarna de houding (pose) van de doelwit wordt geschat en doorgegeven aan een navigatiefilter. Het geleidingssysteem bepaalt vervolgens de referentietrajecten, die door de controller worden gebruikt om de krachten en momenten te berekenen die nodig zijn om het traject te volgen. Via het actuatorsysteem worden deze krachten en momenten op de servicersatelliet toegepast, wat resulteert in een verandering van de relatieve beweging tussen de servicer en het doelwit. Zodra het laatste houdpunt in de nabijheid van het doelwit is bereikt, wordt de fase van het nauwkeurige rendezvous beëindigd en volgt de daadwerkelijke satellietcaptatie.

Het rendezvousproces, inclusief de vastgrijpfase, is het meest kritieke deel van een operationele ruimteondersteuningsmissie (OOS). Voor de uitvoering van deze manoeuvres moeten operators het autonome benaderingssysteem van de satelliet sturen door middel van telecommando’s. Deze commando’s geven de operator de mogelijkheid om de geleidingsmodus te wijzigen, zoals het starten van een rechte benadering, of te kiezen welke sensoren het navigatiefilter moet gebruiken. Aangezien de belangrijkste functies autonoom aan boord kunnen worden uitgevoerd, is constante communicatie niet noodzakelijk. Toch is het voor de operator van essentieel belang om via de zogenaamde 'wetenschappelijke telemetrie' informatie van de rendezvoussensoren te ontvangen. Deze gegevens, gecombineerd met speciale applicaties zoals GUI’s voor het visualiseren van de benadering, maken het mogelijk om de missie effectief te beheren, zelfs tijdens een autonoom rendezvous.

In tegenstelling tot autonome uitvoering aan boord, is het ook mogelijk om bepaalde onderdelen van de missie op de grond te berekenen. Dit kan echter alleen als er constant contact is met het ruimtevaartuig, zoals bij geostationaire (GEO) missies, of wanneer een netwerk van grondstations beschikbaar is. Beeldverwerking bijvoorbeeld kan profiteren van de veel krachtigere rekenkracht van standaard pc’s in vergelijking met de beperkte rekenkracht van onboard computers. Toch kan de tijdsvertraging die optreedt wanneer beelden van de satelliet naar de aarde worden gestuurd, verwerkt en vervolgens de verwerkte resultaten teruggestuurd worden naar de satelliet, leiden tot instabiliteit in de besturingslus. Bovendien vormt de live-stream van ongecomprimeerde beelden met voldoende resolutie en frequentie een andere uitdaging, vooral voor toepassingen waarbij elke milliseconde van belang is.

Bij satellietcaptatie, vooral wanneer dit gepaard gaat met een manipulator, is een stabiele communicatieverbinding cruciaal voor de uitvoering van de manoeuvres. Dit geldt in het bijzonder voor missies in een lage aardbaan (LEO), waarbij de beschikbare communicatietijd vaak beperkt is tot slechts enkele minuten wanneer een antenne passeert. Om voldoende tijd te hebben voor de voorbereiding en uitvoering van de vangmanoeuvre, kunnen meerdere grondstations in een keten worden ingezet, zodat de telemetriegegevens voor een langere tijd beschikbaar blijven. Dit biedt echter slechts een tijdelijke oplossing, aangezien de handover van één station naar een ander de verbindingskwaliteit kan beïnvloeden.

Een andere mogelijkheid is het gebruik van een relay-satelliet in geostationaire baan, wat een bijna continue datalink zou kunnen bieden, maar dit introduceert ook extra vertraging en complexiteit in het systeem. Dit type oplossing vereist geavanceerde communicatiemiddelen en de nodige kosten om te implementeren. Niettemin kunnen de voordelen van een betere verbinding de kosten in sommige gevallen rechtvaardigen.

Het is van cruciaal belang dat het communicatieconcept de stabiliteit en betrouwbaarheid van de verbinding garandeert, vooral wanneer de benadering van de klant in kwestie complex is. Bij een geostationaire OOS-missie kan bijvoorbeeld de klantensatelliet in de schaduw van de servicerantennes komen, wat de communicatie bemoeilijkt. Een mogelijke oplossing hiervoor is het gebruik van extra antennes op de servicer, of het inzetten van een netwerk van grondstations die gezamenlijk de communicatiecapaciteit vergroten. Daarnaast moet ook rekening worden gehouden met het potentieel voor interferentie tussen de signalen van de servicer en die van de klant. Dit kan worden tegengegaan door grondige tests van de radiofrequentie (RF)-compatibiliteit van de systemen.

Wat betreft de teleoperatie, waarbij de operator via een afstand het manipulator-systeem aanstuurt, is het van belang dat de vertraging en jitter tot een minimum worden beperkt. De vertraging moet bij voorkeur minder dan 500 ms zijn om de operator in staat te stellen op een natuurlijke manier te reageren. Hoge jitter kan de responsiviteit van de manipulator belemmeren en zelfs leiden tot verkeerde handelingen van de robot. Hierdoor wordt teleoperatie, met name in de nabije omgeving van het doelwit, onmogelijk.

Hoewel de werking van het communicatieconcept afhangt van het specifieke missiedoel, blijkt dat een robuuste en betrouwbare datalink de sleutel is voor een succesvolle uitvoering van de rendezvous en satellietcaptatie.

Hoe worden landers succesvol op andere planeten en hemellichamen geland?

De landing van landers op andere planeten en hemellichamen is een complexe onderneming die diverse technische en operationele uitdagingen kent. Sinds de vroege missies zoals Viking 1 en 2 in 1975, die succesvol op Mars landden en respectievelijk tot 1980 en 1982 opereerden, is de technologie steeds verfijnder geworden. Deze landers brachten waardevolle gegevens terug en legden de basis voor latere missies, zoals Mars Pathfinder in 1996, dat het airbag-landersysteem introduceerde, en de Mars Exploration Rovers Spirit en Opportunity in 2003, die beiden lange operationele levensduur behaalden.

Belangrijk in het proces van landingsoperaties is de manier waarop de lander wordt vrijgegeven. Dit kan gebeuren via directe inslag vanaf een hyperbolische baan of via een voorafgaande omloopbaan om het doellichaam. De eerste methode, waarbij het ruimtevaartuig op een botsingskoers met de planeet aan komt vliegen, is energetisch voordeliger en vaker toegepast. Hier wordt de lander losgelaten terwijl het ruimtevaartuig nog op deze trajectbaan is, waarna de drager ofwel de atmosfeer binnengaat en verbrandt, ofwel een orbitale manoeuvre uitvoert. Dit vereist een precieze timing van loslating en orbitale insertie, omdat de veiligheid van de lander en de rest van de missie ervan afhangt.

De tweede methode, waarbij het ruimtevaartuig eerst in een baan rond de planeet komt alvorens de lander los te laten, is minder energetisch efficiënt, maar biedt meer flexibiliteit. Zo konden de Viking-missies bijvoorbeeld eerst de landingsplaatsen in kaart brengen met hun orbiter, waardoor onveilige gebieden konden worden vermeden en de landingslocaties aangepast werden. Ook de Chinese Tianwen 1 missie volgde deze strategie bij haar succesvolle Marslanding in 2021. Voor kleinere landers, zoals MASCOT en Minerva, die door de Japanse Hayabusa 2-missie werden afgeleverd, vond de loslating plaats op zeer lage hoogte, wat grote eisen stelde aan de navigatie- en besturingssystemen van het moederschip. Deze landers landden onbestuurd en moesten zichzelf na de landing oriënteren om metingen te kunnen verrichten.

De samenwerking tussen internationale ruimtemissies blijkt cruciaal, vooral bij het monitoren van de landing. Dit wordt geïllustreerd door de ESA Schiaparelli-lander, waarvan het falen in 2016 werd gevolgd door meerdere orbiter- en grondobservatiesystemen, waaronder Mars Express en het Giant Meterwave Radio Telescope in India. Door de signalen gelijktijdig op meerdere manieren te ontvangen, wordt de kans vergroot dat data veilig worden overgedragen, wat essentieel is bij het hoogrisico-proces van entry, descent and landing (EDL).

De evolutie van landingssystemen omvat ook verschillende technologieën, van airbags tot de ‘sky-crane’ methode die bij de Mars Science Laboratory Curiosity en Mars 2020 Perseverance wordt toegepast. De introductie van nieuwe technologieën, zoals de eerste door een helikopter uitgevoerde vlucht op Mars door Ingenuity, toont de voortdurende vooruitgang in ruimte-exploratie.

Het is van belang te begrijpen dat succesvolle landingen afhankelijk zijn van een uitgebreid ecosysteem van technologieën, grondcontroles, samenwerking tussen landen en de aanpassing aan steeds nieuwere wetenschappelijke doelen en omgevingscondities. Elke planeet, maan of asteroïde heeft zijn eigen uitdagingen — van de dichte atmosfeer en extreme temperaturen van Venus tot de ijskoude polaire gebieden op Mars. Daarom is het niet alleen het ontwerp van de lander zelf, maar ook de gehele missieplanning en de inzet van ondersteunende infrastructuren die het verschil maken tussen falen en het terugbrengen van onschatbare wetenschappelijke gegevens.

Hoe werkt de nauwkeurige bepaling van de houding van een satelliet voor missie-gerelateerde operaties?

Het nauwkeurig richten van een instrument op een specifiek punt op het aardoppervlak vereist meerdere transformaties van coördinatensystemen en kennis over de huidige positie van het satelliet in zijn baan. In eerste instantie is het nodig om de precessie en nutatie vanaf de catalogusdatum naar het exacte moment van de bepaling te berekenen. Het gebruik van de richting van het lentepunt en de huidige waarde van de obliquiteit van de ecliptica – de hoek tussen de evenaar en het vlak van de ecliptica – leidt tot de benaming “waarheidsdatum” (true-of-date). De verandering van het referentiesysteem van een geïnertiaal naar een aardgebonden systeem wordt gerealiseerd door aanvullende informatie over de huidige positie van de satelliet in zijn baan, wat mogelijk wordt gemaakt door een ephemeride of een enkele staatvector die vervolgens wordt gepropageerd met behulp van een model aan boord van de satelliet.

Satellieten in lage aarde-orbit (LEO) maken gebruik van GPS-ontvangers die deze informatie autonoom kunnen bepalen. Dit is alleen haalbaar voor satellieten met een hoogte lager dan 10.000 km. Na het bepalen van de positie kunnen de houdingparameters van de satelliet, zoals roll, pitch en yaw, verder worden berekend. Dit wordt echter pas bereikt nadat de juiste tijdsinformatie is verkregen en er kennis is over de exacte locatie in de baan.

Bij toepassingen die een zeer hoge precisie vereisen, moeten er extra correcties worden toegepast. Dit kan bijvoorbeeld het verschil tussen UT1 en UTC zijn, of het effect van de oblateness van de aarde. De afvlakkingsfactor van de aarde, oftewel de mate waarin de aarde niet perfect rond is, kan de nauwkeurigheid van de houdingbeheersing beïnvloeden, vooral bij langdurige operaties.

Daarnaast kan de willekeurige polaire beweging van de aarde de nauwkeurigheid van de houding verder beïnvloeden. Deze beweging moet worden gecorrigeerd door de tijd te converteren van UTC naar UT1, zoals beschreven door Seidelmann (1992). Dergelijke correcties zijn essentieel voor het gericht positioneren van instrumenten die bedoeld zijn om specifieke aardoppervlakken te bestuderen, zoals bij satellieten die beelden van het aardoppervlak verzamelen.

De operatie van de payload vereist een laatste transformatie naar het instrumentenframe, dat afhankelijk van de specifieke missie, payload, sensoren en het centrale hemellichaam kan verschillen. Er zijn altijd enkele operationele aspecten die in acht moeten worden genomen. In fine pointing-modus wordt vaak een redundante sensor gebruikt voor houdingbepaling, die nauwkeurig moet worden uitgelijnd met de primaire sensor om storingen te voorkomen wanneer een omschakeling nodig is.

Een belangrijke overweging bij het gebruik van verschillende sensoren is dat de resultaten van diverse sensoren onderling moeten overeenkomen binnen hun respectieve nauwkeurigheidsbereiken. Wanneer verschillende typen sensoren worden gebruikt voor het bepalen van de houding, moeten hun relatieve gewichten worden ingesteld. Bijvoorbeeld, de richting naar het aardcentrum kan afgeleid worden uit gegevens van een CESS en een magnetometer met een gewichtverhouding van 2:1 (deze verhoudingen zijn willekeurig gekozen als voorbeeld).

Bovendien vereist de evaluatie van sensorinformatie vaak aanvullende gegevens, zoals de actuele positie van de satelliet, het magnetisch veldmodel van de aarde of het gebruik van star trackers voor nauwkeurige positionering. De bepaling van de houding wordt vaak beïnvloed door de omgeving van de satelliet, de orbitale positie, en het effect van externe storingen zoals zonnevlammen of verstoringen veroorzaakt door nabijgelegen objecten in de ruimte. Deze factoren kunnen de operationele stabiliteit van de sensoren beïnvloeden, waardoor soms de keuze voor een secundaire sensor noodzakelijk wordt.

In gevallen van onverwachte uitvallen van sensoren, zoals wanneer een star tracker door de zon wordt verblind, kunnen de effecten van deze uitvallen geminimaliseerd worden door tijdelijk over te schakelen naar een redundante sensor. Als er geen redundante sensor beschikbaar is, kunnen berekeningen doorgevoerd worden door de laatst bekende houdingsmetingen verder te extrapoleren. Dit vereist echter een goed model van de verstoringen die op de satelliet werken en/of onafhankelijke snelheidsmetingen. In sommige gevallen kan het ook nodig zijn om actieve houdingcontrole tijdelijk uit te schakelen, maar dit leidt vaak tot grotere afwijkingen die schadelijk kunnen zijn voor de nauwkeurigheid van de missie.

Daarnaast kunnen er periodes zijn waarin de zintuiglijke waarnemingen tijdelijk niet beschikbaar zijn vanwege technische storingen of andere onverwachte omstandigheden. In dergelijke gevallen worden de laatst geldige metingen gebruikt om een schatting van de houding te maken, totdat de sensoren weer operationeel zijn.

In speciale gevallen kan het nodig zijn om op aarde specifieke berekeningen te maken voor bepaalde operaties, zoals orbitmanoeuvres of beeldverwerking. Het attitudeprofiel kan dan vanaf de grond naar de satelliet worden gestuurd als referentie. Dit vereist vaak nauwkeurige tijdcorrecties om kleine afwijkingen in de baan van de satelliet op te vangen.

De taak van het nauwkeurig volgen en sturen van de houding van een satelliet vereist dus een gedetailleerde en veelzijdige aanpak. De methoden die hiervoor gebruikt worden, kunnen variëren afhankelijk van de specifieke missie, het type sensoren aan boord van de satelliet, en de omgevingsomstandigheden tijdens de missie. Er is altijd een balans tussen technologische mogelijkheden, nauwkeurigheid en de mogelijkheid om te reageren op onverwachte omstandigheden in de ruimte.

Hoe wordt een missieplan efficiënt en flexibel opgebouwd?

Missieplanning is een van de meest kritieke en tegelijk meest onderschatte aspecten van ruimtevaartoperaties. Het vormt de ruggengraat van het grondsegment en bepaalt in hoge mate het succes van een missie. Afhankelijk van de aard van de missie en de mate van automatisering varieert het planningssysteem van sterk geautomatiseerde tot volledig handmatige benaderingen.

Bij sommige missies, zoals TerraSAR-X/TanDEM-X, wordt de volledige planning automatisch gegenereerd: alle benodigde telecommando’s worden vooraf berekend, verspreid over beide satellieten, en vervolgens doorgegeven aan de relevante subsystemen op de grond. In dit geval is er nauwelijks menselijke tussenkomst, en de consistentie van de planning wordt op systeemniveau bewaakt. Deze benadering is efficiënt en kostenbesparend, mits de missie voorspelbaar genoeg is om dit niveau van automatisering te ondersteunen.

Het tegenovergestelde uiterste vinden we bij de planning voor het ISS, waar elke stap handmatig wordt gepland door mensen. Software speelt hier slechts een ondersteunende rol bij het visualiseren en distribueren van de tijdlijn. Tussen deze twee extremen bevindt zich een hybride model, zoals gebruikt bij de GRACE-missie, waar kleine algoritmes menselijke planners ondersteunen bij specifieke taken, bijvoorbeeld het plannen van zendcommando’s.

De gekozen benadering hangt nauw samen met de voorspelbaarheid van de uitvoering. Tijdgebaseerde planning volstaat wanneer de activiteiten voldoende precies kunnen worden voorspeld. Maar bij onzekere omgevingen, zoals bij Marsrovers, waar obstakels onvoorziene vertragingen kunnen veroorzaken, faalt deze aanpak. In zulke gevallen is er behoefte aan event-gebaseerde of doelgerichte planningsmethodes, waarin flexibiliteit voorop staat. Dergelijke methodes vereisen fundamenteel andere technische oplossingen, die buiten het bereik van conventionele planningssystemen liggen.

Een andere fundamentele eigenschap van een missieplanningssysteem is de periodiciteit van de planning. Sommige missies worden volledig gepland vóór de uitvoering begint, zoals bij flybys van kortdurende sondes. Andere vereisen frequente herplanning op basis van binnenkomende informatie, zoals veranderende baanparameters, klantverzoeken of weersvoorspellingen. Hoe vaker herplanning nodig is, hoe meer eisen er worden gesteld aan de wendbaarheid van het systeem.

In de praktijk onderscheiden we drie benaderingen voor het genereren van tijdlijnen: vaste planning, herhaalde herplanning en reactieve planning. Bij vaste planning wordt de volledige missie vooraf uitgestippeld en daarna niet meer aangepast. Dit vereist volledige kennis van missieparameters vooraf en leidt tot een conservatief maar zeer geoptimaliseerd plan. Herhaalde herplanning, daarentegen, vindt plaats op regelmatige tijdstippen — bijvoorbeeld voor elk contactmoment met een satelliet — en laat toe om actuele informatie te integreren. Deze aanpak is dynamisch, maar beperkt in optimalisatie door tijdsdruk en algoritmische vereisten. De gebruiker heeft minder controle en ziet d

Hoe bereid je een heerlijke en smaakvolle maaltijd: van eend tot visgerechten?
Hoe overleven en aanpassen na vernietiging: reflecties vanuit het naoorlogse Duitsland
Hoe beïnvloedt diepzeemijnbouw de mariene biodiversiteit en ecosystemen?
Hoe kweek je eetbare planten op het aanrecht voor het hele jaar door?