Download this file

PDS_VERSION_ID                     = PDS3                                     
RECORD_TYPE                        = "STREAM"                                 
LABEL_REVISION_NOTE                = "CREATED: 1998-05-18, J. MAFI (PPI);     
        UPDATED: 2001-06-22, J. MAFI (PPI)"                                   
                                                                              
OBJECT                             = INSTRUMENT_HOST                          
  INSTRUMENT_HOST_ID               = "ULY"                                    
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_INFORMATION              
    INSTRUMENT_HOST_NAME           = "ULYSSES"                                
    INSTRUMENT_HOST_TYPE           = "SPACECRAFT"                             
    INSTRUMENT_HOST_DESC           = "                                        
                                                                              
                                                                              
  Instrument Host Overview                                                    
  ========================                                                    
                                                                              
    System Configuration                                                      
    --------------------                                                      
      Dictated by the long distances from the Earth and the Sun at            
      which the spacecraft operates, the configuration of the                 
      spinning spacecraft (5 rpm) is dominated by the large                   
      diameter (1.65 m), Earth-pointing High-Gain Antenna (HGA)               
      providing the communication link and by the Radioisotope                
      Thermoelectric Generator (RTG) supplying the spacecraft's               
      electrical power.  Experiment requirements for                          
      electromagnetic cleanliness (EMC) and for minimisation of the           
      RTG radiation environment resulted in a 5.6 m long radial               
      boom which carries several experiment sensors and is mounted            
      on the opposite side of the spacecraft to the RTG.  A 72.5 m            
      tip-to-tip dipole wire boom and a 7.5 m axial boom serve as             
      electrical antennas for the Unified Radio and Plasma Wave               
      Experiment ([STONEETAL1992A]).  Most of the scientific                  
      instruments are mounted on the main body, as far as possible            
      removed from the RTG, and in compliance with the                        
      field-of-view requirements of the experiment sensors.  The              
      spacecraft mass at launch was 367 kg including 55 kg of                 
      payload and 33.5 kg of hydrazine for orbit, attitude and spin           
      rate adjustments.                                                       
                                                                              
      The HGA meets the radio-link requirement to Earth with 20 W             
      X-band and 5 W S-band transmitters.  The uplink S-band                  
      carries commands and ranging code.  The downlinks in X- and             
      S-band carry telemetry and turnaround ranging code,                     
      respectively.  (S-band telemetry could only be used in the              
      early orbit phase at close distance to Earth).  This                    
      simultaneous ranging and telemetry is a basic feature of the            
      spacecraft communication system.                                        
                                                                              
      Spacecraft mass properties and balance have been a driver in            
      the spacecraft design to meet the requirements both for the             
      launch configuration and for the deployed boom configuration            
      with the HGA pointing towards Earth.  The spin axis of the              
      launch configuration was the geometric centre line.  The                
      theoretical spin axis in deployed configuration is aligned              
      with the electrical axis of the HGA.                                    
                                                                              
      Near-continuous data throughout the mission is a prime                  
      scientific requirement.  Since continuous coverage by ground            
      stations is impossible for such a long-duration mission, data           
      are stored on-board and replayed, interleaved with real-time            
      data, during periods of coverage.  The nominal tracking                 
      coverage is 8 h in every 24 h.                                          
                                                                              
      A variety of downlink bit rates up to 8192 bit/s is                     
      selectable, which can provide real-time data rates between              
      128 and 1024 bit/s and stored data rates between 128 and 512            
      bit/s.  The prime data rates are 1024 bit/s for real-time               
      data ('tracking mode') and 512 bit/s for stored data                    
      ('storage mode').  The reason for the disparity between the             
      maximum downlink rate of 8192 bit/s and the real-time data rate         
      of 1024 bit/s has to do with Ulysses' science objective of              
      providing 'continuous' data.  With a single 34-m DSN pass per day       
      most of the data downlinked during a DSN pass is not real-time,         
      but playback data, which is sometimes collected at a lower rate.        
                                                                              
      A strong scientific requirement was to have an                          
      electromagnetically and electrostatically clean spacecraft;             
      EMC considerations have therefore driven the mechanical                 
      configuration design.  The spacecraft is divided into a                 
      'quiet' and a 'noisy' zone.  The former comprises an                    
      electromagnetically shielded compartment of sensitive                   
      experiments, whereas the latter contains the less-                      
      susceptible but more emissive electrical spacecraft                     
      subsystems.  The preamplifiers for the wire booms and the               
      axial boom are mounted outside the overall spacecraft                   
      compartment, which acts as a Faraday cage against fields                
      generated inside.  A unipoint grounding concept has been                
      implemented in which the main platform constitutes an                   
      electrical ground reference with only one area which serves             
      as grounding starpoint for the electrical system.  All units            
      that produce significant magnetic fields are removed as far             
      as possible from the magnetometers.  Low-impedance ground bus           
      bars are isolated from the platform and connected to it only            
      at the starpoint.  Strict control of the magnetic properties            
      of all subsystems and experiments was exercised.  For                   
      example, the RTG was magnetically compensated.                          
                                                                              
      The electrostatic cleanliness requirement for low-energy                
      particle measurements ([BAMEETAL1992A]) has been achieved by            
      making all external surfaces of the spacecraft electrically             
      conducting.  This measure will also prevent differential                
      charging of parts of the spacecraft in the Jovian                       
      magnetosphere.                                                          
                                                                              
      The Jupiter gravity assist necessitates the spacecraft's                
      passage through the Jovian radiation belts.  All subsystems             
      and experiments have therefore been designed to survive this            
      environment and radiation-hardened parts (design dose rate 60           
      krad) have been used throughout the spacecraft.                         
                                                                              
      The spacecraft also provides autonomous system capabilities             
      for failure-mode detection and for safe spacecraft                      
      reconfiguration.  This is required during unexpected and/or             
      predicted periods of nontracking and because of the long                
      signal travel time between ground and spacecraft.  The                  
      preprogrammable functions include search-mode initiation to             
      reacquire the Earth if no command is received after a                   
      preselectable time of up to 30 d, switch-over to redundant              
      units, and preprogrammed attitude manoeuvres at superior                
      conjunctions.                                                           
                                                                              
                                                                              
    Structure and Mechanisms                                                  
    ------------------------                                                  
      The Ulysses spacecraft has a box-type structure with two                
      overhanging 'balconies' and a single aluminium honeycomb                
      equipment platform.  All electronics units of the scientific            
      instruments and spacecraft subsystems, most of the sensors              
      and the propellant tank are mounted on this platform.  The              
      RTG is mounted on an outrigger structure to minimise its                
      radiation effects and to isolate the main subsystems and the            
      experiments from excess heat.                                           
                                                                              
      The two-section radial boom carries the two magnetometer                
      sensors ([BALOGHETAL1992A]), the solar X-ray/cosmic gamma-ray           
      burst sensors ([HURLEYETAL1992]) and the magnetic search-coil           
      sensor of the wave experiment ([STONEETAL1992A]).  Because of           
      the radiation pattern of the RTG, it was necessary to have              
      the gamma-ray sensor lying as closely as possible along the             
      RTG centre axis.  The related boom configuration achieves               
      this whilst maintaining the maximum length of the boom                  
      consistent with a two-hinge system and satisfying the                   
      requirement for the spacecraft to be balanced in both the               
      stowed and deployed boom configurations.  The boom section              
      material is carbon-fibre-reinforced plastic (CFRP) tubing               
      with a 50 mm diameter and 1 mm wall thickness.                          
                                                                              
      The electrical antennae of the wave experiment                          
      ([STONEETAL1992A]) consist of a pair of radially extending              
      wire booms in the spin plane and an axial boom deployed along           
      the orbital spin axis.  The wire booms consist of 5 mm wide             
      and 0.04 mm thick Cu-Be ribbon stowed during launch on two              
      identical drive units.  The wires were deployed to a length             
      of 72.5 m tip-to-tip by centrifugal forces acting on tip                
      masses after the second trajectory correction manoeuvre                 
      (TCM-2).  Each wire boom has a passive tubular root damper              
      which reduces relative motions between the boom and the                 
      spacecraft by natural material damping with a time constant             
      of 3.5 h.  The axial boom element is formed by a                        
      pre-stressed, coilable elastic Cu-Be tube anchored in the               
      axial-boom drive mechanism located on the rear face of the              
      spacecraft.  The boom element was deployed to a length of 7.5           
      m by a traction force through a set of rollers driven by a              
      stepper motor one day after the wire booms.                             
                                                                              
      Several experiment sensors had protective covers on ground              
      and during launch; these were all successfully opened in the            
      first month of operation.                                               
                                                                              
                                                                              
    Thermal Subsystem                                                         
    -----------------                                                         
      Thermal control of the spacecraft, its subsystems and of most           
      of the experiments is achieved by passive means in                      
      conjunction with a commandable internal/external power dump             
      and heater system.  This involves an optimised layout of                
      subsystems which avoids hot spots on the spacecraft platform,           
      an efficient thermal-blanket design in order to minimise the            
      solar input, the compensation, by the power dump system, of             
      heat fluxes which are caused by the varying solar input and a           
      heater system for individual critical units.  The most                  
      stringent requirements on the thermal subsystem are to                  
      guarantee a temperature above +5 degrees C at all times for             
      the hydrazine of the Attitude and Orbit Control Subsystem               
      (AOCS) and a temperature below +35 degrees C for all                    
      experiment solid-state detectors.  All spacecraft walls are             
      covered with thermal multilayer blankets, which are closely             
      fitted around the experiment-sensor apertures.  The blankets            
      consist typically of 20 layers of aluminised mylar.  The                
      outermost layer is kapton, coated with a transparent                    
      conductive coating (Indium Tin Oxide) to provide an                     
      electrically conductive outer spacecraft surface.  Heat                 
      rejection is performed by a thermal radiator, located on the            
      rear of the spacecraft and covered by a 2 mil kapton foil.              
      All units external to the spacecraft (e.g.  several                     
      experiments) are thermally decoupled from the interior.                 
                                                                              
                                                                              
    RTG and Power Subsystems                                                  
    ------------------------                                                  
      Electrical power is provided by the RTG at a level of about             
      280 W at the beginning of the mission, decreasing to about 250          
      W at nominal mission end.  The RTG, which generates 4500 W of           
      thermal energy, has two major components: a heat source and a           
      converter.  The General-Purpose Heat Source (GPHS) consists             
      of several elements containing the isotopic fuel 238 Pu, in             
      the form of PuO2.  The radioactive decay energy is absorbed             
      at the heat source-converter interface where heat is                    
      produced.  The Si-Ge converter contains thermoelectric                  
      elements which convert the heat into electrical energy.                 
      Power is delivered to the experiments and subsystems at 28V             
      +/-2%.                                                                  
                                                                              
                                                                              
    Communication Subsystem                                                   
    -----------------------                                                   
      The communication subsystem provides capabilities for                   
      telemetry with bit rates up to 8 kbit/s, ranging, telecommand           
      and radio science.  It operates in X-band (downlink) and                
      S-band (up- and downlink).  The subsystem includes two                  
      redundant transponders (each consisting of an X-band exciter,           
      a modulator, an S-band receiver and an S-band power                     
      amplifier), two redundant 20 W X-band Travelling-Wave-Tube              
      Amplifiers (TWTA), a TWTA Interface Unit and an S-band                  
      Radio-Frequency Distribution Unit.  A considerable amount of            
      cross-coupling capability exists within the subsystem                   
      ([BIRDETAL1992A], [EATON1990]).                                         
                                                                              
      The parabolic HGA, with both X-band (8.4 GHz) and S-band (2.3           
      GHz) capabilities, is the prime communications link.                    
      Telemetry is provided in X-band, with a 2 degree beamwidth              
      (3 dB); downlink S-band is used for ranging, and                        
      radio-science investigations.  S- or X-band ranging                     
      operations can be performed with or without telemetry                   
      transmission.  Both transponders can be operated                        
      simultaneously, one in X-band and the other in S-band.                  
                                                                              
      A special feature of the HGA is its ability to measure the              
      offset of the spin axis from the direction of the ground                
      station by the CONSCAN (conical scan) system.  This is                  
      accomplished by a tilt of 1.8 degrees between the S-band                
      antenna pattern and the spin axis which results in a spin               
      modulation in the uplink signal strength as the satellite               
      rotates.  Processing within the Attitude and Orbit Control              
      Subsystem (AOCS) gives the offset magnitude and direction               
      which is either transmitted for ground analysis or employed             
      in a closed loop control system to minimise the offset.                 
      Attitude adjustments are made by operating hydrazine                    
      thrusters.                                                              
                                                                              
                                                                              
    Command and Data-Handling Subsystem                                       
    -----------------------------------                                       
      The command and data-handling subsystem provides capabilities           
      for ground commanding, a variety of telemetry formats,                  
      on-board data storage, and, in combination with the AOCS,               
      safe automatic manoeuvring.                                             
                                                                              
      The telecommand decoder checks commands for validity and                
      distributes them to the experiments and subsystems.  There              
      are directly executed commands and memory-load commands.  The           
      latter are stored as block commands that are validated prior            
      to execution of critical operations.  A command-time-tagging            
      capability over a range of 32 s to 24 d is also available.              
                                                                              
      The Central Terminal Unit (CTU) processes command messages              
      received from the decoder, provides on-board timing                     
      information, and performs formatting and encoding of data to            
      be sent to the ground.  It also controls all on-board                   
      automatic functions.  The CTU contains a provision to                   
      auto-check its own functioning and to switch over to the                
      redundant CTU in the event that a failure is detected,                  
      assuring that important spacecraft information is maintained.           
                                                                              
      The CTU contains a master crystal oscillator from which all             
      synchronisation and timing signals for subsystems and payload           
      are derived.  32-bit timing information with a resolution of            
      2 s is included in every telemetry format, ensuring                     
      unambiguous identification of the telemetry data throughout             
      the mission lifetime.  A spin reference ('Sun pulse') and               
      spin segment clock (16384 pulses per spin period) are also              
      supplied by the CTU, based on Sun-sensor data provided by the           
      AOCS subsystem.                                                         
                                                                              
      The Data Storage Units consist of two redundant tape                    
      recorders for storage of data during those periods when the             
      spacecraft is not in communication with the ground                      
      (nontracking periods) for subsequent playback and                       
      transmission during the next tracking period.  The 45 Mbit              
      capacity of each tape recorder is sufficient to provide                 
      continuous storage at 512 bit/s for 22 h or 256 bit/s for 44            
      h.                                                                      
                                                                              
      Telemetry formats are built up of successive frames.  There             
      are three data formats:                                                 
                                                                              
      - Scientific format consisting of 32 scientific frames                  
      - Interleaved format consisting of a block of 32 frames,                
        interleaving real-time and stored frames with a selectable            
        ratio (1:1, 1:3, 1:7). Formats are played back in reverse             
        time order, but the frames within each format and each                
        individual frame are in forward order                                 
      - Engineering format consisting of two frames of spacecraft             
        housekeeping data and containing no scientific data.                  
                                                                              
      Telemetry channels are sampled in a time-ordered fashion and            
      allocated to specific words (8 bit), which are arranged into            
      frames of 128 words.  In the scientific and interleaved                 
      formats one frame consists of 110 digital science words, nine           
      analogue science words, two subcommutated experiment                    
      housekeeping words, four subcommutated spacecraft                       
      housekeeping words and three synchronisation and                        
      identification words.  Analogue channels are sampled and                
      converted into 8-bit words with an accuracy of 1% full scale.           
      There are also datation channels which contain accurate time            
      information on an event with a resolution of 0.488 ms (32 s             
      range) or 3.9 ms (256 c range).  Datation channels are used             
      by the gamma ray-burst instrument (high resolution) and by              
      the magnetometer and wave experiments (low resolution).                 
                                                                              
                                                                              
    Attitude and Orbit Control Subsystem (AOCS)                               
    -------------------------------------------                               
      The primary operational functions of the AOCS are to maintain           
      the spacecraft spin axis Earth-pointing and control the spin            
      rate.  Additional operational functions are dictated by                 
      trajectory control requirements, nutation damping, and by the           
      measurement of the attitude for scientific reasons.                     
                                                                              
      The spacecraft Earth-pointing attitude is measured and                  
      controlled by the CONSCAN system with spin-rate, spin-phase             
      and solar-aspect-angle information determined from redundant            
      Sun sensors.  The Sun-sensor outputs are processed in the               
      data- handling subsystem to provide the spin reference pulse            
      and the spin segment clock.  These signals and the Sun-sensor           
      data are then used in the AOCS electronics to determine the             
      spacecraft spin rate and solar aspect angle for the purpose             
      of closed loop on-board control, failure detection and                  
      recovery.  Hydrazine thrusters are actuated either by                   
      telecommand or automously.  These are fed from a single tank,           
      mounted at the launch centre of gravity, and arranged in two            
      blocks of four thrusters each, providing complete redundancy.           
                                                                              
      Another AOCS operation is the periodic precession manoeuvring           
      for correction of the apparent Earth drift with respect to              
      the spin axis.  These can be performed in closed loop                   
      on-board or in open loop via time-tagged command.                       
                                                                              
      A special manoeuvre strategy is required for conjunctions,              
      since the proper spacecraft attitude depends on the operation           
      of the Sun sensors with a safe operational limit of the solar           
      aspect angle greater than 1.25 degrees.                                 
                                                                              
      The spacecraft carries three nutation dampers containing a              
      fluid whose viscous motion dissipates energy.  In the                   
      operational spin rate range the nominal damping time constant           
      for nutation cone angles from 2.0 to 0.02 degrees is less than          
      one hour.                                                               
                                                                              
      The AOCS also includes failure-mode-detection and protection            
      functions which result in fail-safe operation and a                     
      reacquisition capability in both automatic and                          
      ground-initiated recovery sequence.                                     
                                                                              
                                                                              
  In-Flight Performance                                                       
  =====================                                                       
    Following launch and orbit injection of Ulysses on 6 October 1990,        
    the initial flight phase consisted of checking out all spacecraft         
    subsystems (including redundancy), deploying the radial, axial and        
    wire booms and switching on all experiments. The latter were              
    commanded on one-by-one and thoroughly checked over an extended           
    period between 19 October and 16 November 1990. Early in January          
    1991 the spacecraft was formally declared to be commissioned.             
                                                                              
    Anomalies                                                                 
    ---------                                                                 
    The following is a list of (major) spacecraft anomalies to have           
    occurred since launch:                                                    
                                                                              
     Nutation. Shortly after deployment of the axial boom, build-up of a      
     nutation-like disturbance was observed. This is now believed to be       
     the result of an oscillation induced by non-uniform solar heating        
     of the axial boom coupling into the spacecraft motion, together          
     with under-performance of the passive nutation dampers on board the      
     spacecraft. The onboard CONSCAN system has been successfully             
     employed to control subsequent episodes of nutation, which occurred      
     in 1994 and 1995. Nutation is predicted to return in 2001. More          
     details on the nutation anomaly are discussed in the Ulysses             
     MISSION.CAT.                                                             
                                                                              
     Disconnect Non-Essential Loads (DNEL). The DNEL condition is a           
     spacecraft safing mode, and is known to be associated with               
     operation of the latching valve when coinciding with unpredictable       
     peaks in payload current demand. Overcurrent criteria are violated,      
     and the onboard protection logic correctly operates, placing the         
     spacecraft in a minimum current demand mode by disconnecting the         
     scientific payload.  To date, 8 DNEL events have occurred.               
                                                                              
     CTU-2 Anomaly. During check-out of the Data Handling Subsystem           
     following Jupiter flyby, telemetry from the redundant Central            
     Terminal Unit (CTU-2) was found to be partially corrupted. CTU-2 is      
     a redundant unit, however, and will only be used in case of CTU-1        
     failure. If this occurs, extra data processing will be implemented       
     to minimise the impact of the CTU-2 malfunction.                         
                                                                              
                                                                              
  References                                                                  
  ==========                                                                  
    Spacecraft systems descriptions were adapted from [WENZELETAL1992]."      
                                                                              
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_INFORMATION              
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "WENZELETAL1992"                         
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "HURLEYETAL1992"                         
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "STONEETAL1992A"                         
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "EATON1990"                              
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "BIRDETAL1992A"                          
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "BAMEETAL1992A"                          
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
  OBJECT                           = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
    REFERENCE_KEY_ID               = "BALOGHETAL1992A"                        
  END_OBJECT                       = INSTRUMENT_HOST_REFERENCE_INFO           
                                                                              
END_OBJECT                         = INSTRUMENT_HOST                          
END