Download this file

PDS_VERSION_ID                    = PDS3                              
LABEL_REVISION_NOTE               = "R. SIMPSON, 1999-09-01"          
RECORD_TYPE                       = FIXED_LENGTH                      
RECORD_BYTES                      = 72                                
                                                                      
OBJECT                            = INSTRUMENT                        
 INSTRUMENT_HOST_ID               = VG1                               
 INSTRUMENT_ID                    = "RSS-VG1S"                        
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_INFORMATION            
                                                                      
  INSTRUMENT_NAME                 = "RADIO SCIENCE SUBSYSTEM"         
  INSTRUMENT_TYPE                 = "RADIO SCIENCE"                   
  INSTRUMENT_DESC                 = "                                 
                                                                      
    Instrument Overview                                               
    ===================                                               
      Voyager Radio Science investigations at the giant planets       
      utilized instrumentation with elements both on the spacecraft   
      and at the DSN.  Much of this was shared equipment, being used  
      for routine telecommunications as well as for Radio Science.    
      The performance and calibration of both the spacecraft and      
      tracking stations directly affected the radio science data      
      accuracy, and they played a major role in determining the       
      quality of the results.  The spacecraft part of the radio       
      science instrument is described immediately below; unless       
      noted otherwise, the description applies equally well to        
      both Voyager 1 and Voyager 2 and it applies throughout the      
      Voyager mission.  The description of the DSN (ground) part      
      of the instrument follows.  Because the DSN was continually     
      changing, that description has been tailored to each Voyager    
      encounter.                                                      
                                                                      
                                                                      
    Instrument Specifications - Spacecraft                            
    ======================================                            
      The Voyager spacecraft telecommunications subsystem served as   
      part of a radio science subsystem for investigations of the     
      giant planets.  Many details of the subsystem are unknown; its  
      'build date' is taken to be 1977-09-05, the launch date for     
      Voyager 1.  Except for hardware failures, noted below, the      
      Voyager 1 and Voyager 2 spacecraft subsystems were identical.   
                                                                      
      Instrument Id                 : RSS-VG1S                        
      Instrument Host Id            : VG1                             
      Pi Pds User Id                : UNK                             
      Instrument Name               : RADIO SCIENCE SUBSYSTEM         
      Instrument Type               : RADIO SCIENCE                   
      Build Date                    : 1977-09-05                      
      Instrument Mass               : UNK                             
      Instrument Length             : UNK                             
      Instrument Width              : UNK                             
      Instrument Height             : UNK                             
      Instrument Manufacturer Name  : UNK                             
                                                                      
                                                                      
    Instrument Overview - Spacecraft                                  
    ================================                                  
      The spacecraft radio system was constructed around a redundant  
      pair of transponders.  Each transponder was equipped with an    
      S-band receiver (2115 MHz nominal frequency) and transmitters   
      at both S-band (2295 MHz nominal) and X-band (8415 MHz nominal).
      Compared with S-band, X-band is less sensitive to plasma effects
      by a factor of about 10; use of both frequencies coherently on  
      the 'downlink' allowed estimation of plasma content along the   
      radio path.  Use of X-band also significantly improved the      
      quality of radio tracking data for gravity investigations.      
                                                                      
      The transponder generated downlink signals in either 'coherent' 
      or 'non-coherent' modes, also known as 'two-way' and 'one-way,' 
      respectively.  When operating in the coherent mode, the         
      transmitted carrier frequency was derived coherently from the   
      received uplink carrier frequency with a 'turn-around ratio' of 
      240/221 at S-band and (11/3)*240/221 at X-band.                 
                                                                      
      In non-coherent mode the transmitted frequency was controlled   
      by an on-board oscillator; the X- and S-band remained coherent  
      in the ratio 11/3.  A single Ultra-Stable Oscillator (USO) was  
      used during radio occultations; it provided stabilities         
      several orders of magnitude better than the conventional        
      crystal oscillators, which were part of each transponder.       
                                                                      
      Stability of the Voyager USO was specified in terms of its      
      Allan Deviation -- the fractional frequency deviation from      
      linear drift [ALLAN1966].  Over 10 minute periods, the Allan    
      Deviation ranged from 10^-12 to 4 10^-12 for integrations of    
      1-10 sec.  Long-term fractional drift of the oscillator was     
      about 5 10^-11 per day.  Although the oscillator was hardened,  
      there were discontinuities in the drift when the spacecraft     
      passed through the radiation belts of the outer planets.        
      Equivalent X-band microwave frequencies for the Voyager 1 USO   
      during key events were (multiplying by 3/11 yields the S-band   
      frequency):                                                     
                                                                      
                     8,414,995,272.530 Hz (Titan occultation)         
                     8,414,995,272.376 Hz (Saturn occultation)        
                                                                      
      Traveling wave tube or solid state amplifiers boosted the       
      transponder output.  Output powers of 9 and 26  watts could     
      be selected at S-band; the choices at X-band were 12 and 22     
      watts.                                                          
                                                                      
      The signals were radiated via a 3.66 m diameter parabolic high  
      gain antenna (HGA).  The HGA transmit boresight gain of         
      the HGA was 36 dB at S-band and 47 dB at X-band.  The half-power
      half-width of the antenna beam was 0.32 degrees at X-band and   
      1.1 degrees at S-band.  Transmit polarization was right-hand    
      circular at S-band and either right- or left-hand circular at   
      X-band.  A Low-Gain Antenna (LGA) was mounted on the feed       
      structure of the HGA and radiated approximately uniformly over  
      the hemisphere into which the HGA pointed.  It was used during  
      maneuvers, spacecraft anomalies, and at other times when the    
      HGA was not appropriate.                                        
                                                                      
      For receiving, the S-band HGA gain was 35 dB at 2115 MHz and the
      polarization was right-hand circular.  The receiving system     
      noise temperature was approximately 2000K, the carrier tracking 
      loop bandwidth was 18 Hz, and the ranging channel noise         
      bandwidth was 1.5 MHz.                                          
                                                                      
      More information can be found in [ESHLEMANETAL1977].            
                                                                      
                                                                      
    Science Objectives                                                
    ==================                                                
      Science objectives fell into two broad areas of investigation --
      those that could be met using high-precision radiometric data   
      (sometimes known as 'tracking' data) and those that could be met
      from studying characteristics of the radio signal after its     
      interaction with an atmosphere, plasma, ring particles, or other
      intervening medium.  The tracking data were fundamental to      
      inferring the gravitational forces on the spacecraft and        
      relativistic effects along the radio path; both the measured    
      time delay during a two-way transmission and the Doppler shift  
      were used.  Investigators seeking knowledge of atmospheric      
      structure, spatial and size distributions of ring particles,    
      and velocity of the solar wind measured amplitude, frequency    
      (and phase), and polarization of the radio signals which were   
      captured by Earth receiving systems.  There are, of course,     
      investigations which use both types of data.                    
                                                                      
                                                                      
      Gravity Measurements                                            
      --------------------                                            
        The frequency of the downlink carrier signal was precisely    
        measured to determine the magnitude of the Doppler shift      
        caused by acceleration of the spacecraft as it passed near    
        either a single body or a system of bodies.  Since the        
        magnitude of the Doppler shift is related to the gravitational
        field strength, the mass of the body (or bodies) can be       
        determined.  If the radius of the body is known (as from      
        calibrated images), the density can be calculated.            
                                                                      
        Doppler and range tracking measurements yield accurate        
        spacecraft trajectory solutions.  Simultaneously with         
        reconstruction of the spacecraft orbit, observation equations 
        for the central mass, low order coefficients for the field,   
        and a small number of ancillary parameters can be solved.     
        Measurements of the gravity field provide significant         
        constraints on inferences about the interior structure of     
        target bodies.                                                
                                                                      
        The Pioneer 10 and 11 spacecraft came closer to Jupiter than  
        Voyager, so there was no net improvement in the Jupiter mass  
        estimate from Voyager.  But Voyager probed the Galilean       
        satellites at closer range, and better mass estimates were    
        obtained.  The Voyager encounters with Saturn, in conjunction 
        with the close flyby of Pioneer 11, yielded a mass estimate   
        comparable to that of Jupiter along with several low-order    
        zonal harmonic coefficients.  Voyager 2 was targeted for a    
        close encounter with Miranda, an inner satellite of Uranus;   
        that, combined with long tracking arcs through the Uranian    
        system, yielded the first good estimates of masses for the    
        five largest satellites and an improved mass estimate for     
        Uranus itself.  The Voyager 2 very close near-polar flyby     
        with Neptune yielded estimates for the zonal harmonic         
        coefficients J2 and J4 in addition to estimates for the mass  
        of both Neptune and Triton.                                   
                                                                      
                                                                      
      Atmospheric and Ionospheric Radio Occultation Measurements      
      ----------------------------------------------------------      
        Atmospheric measurements by the method of radio occultation   
        contribute to an improved understanding of structure,         
        circulation, dynamics, and transport in atmospheres of remote 
        planetary bodies.  These results are based on detailed        
        analysis of the radio signal received from the spacecraft as  
        it enters and exits occultation by the planet.  Three phases  
        of an atmospheric investigation may be defined.  The first is 
        to obtain vertical profiles of atmospheric structure          
        (temperature and pressure in the neutral atmosphere and       
        electron density in the ionosphere) with emphasis on large-   
        scale phenomena.  During this stage, it is necessary to know  
        the mean molecular weight of the atmosphere; for Voyager      
        the hydrogen-helium mixing ratio could be determined for each 
        planet using the radio data in conjunction with Voyager IRIS  
        data.  Second is to investigate absorption at various levels  
        in the atmosphere -- such as by methane.  Third is to         
        study details of the structure, such as result from           
        propagation of buoyancy waves within a neutral atmosphere or  
        from alignment of charged particles along magnetic field lines
        in an ionosphere.                                             
                                                                      
        Retrieval of atmospheric profiles requires coherent           
        samples of the radio signal that has propagated through       
        the atmosphere, plus accurate knowledge of the antenna        
        pointing and the spacecraft trajectory.  The spatial and      
        temporal coverage in radio occultation experiments are        
        determined by the observing geometry, including the spacecraft
        trajectory.  For deep atmospheres, changes in antenna pointing
        may be required to compensate for refractive bending by the   
        atmosphere.  At Jupiter and Saturn both diametric and grazing 
        occultations were obtained using the two Voyager spacecraft;  
        measurements were obtained at both equatorial and polar       
        latitudes.  Voyager 1 also obtained profiles for Titan.       
        Voyager 2 continued to Uranus and Neptune, and also obtained  
        occultation profiles at Triton.                               
                                                                      
                                                                      
      Radio Measurements on Planetary Rings                           
      -------------------------------------                           
        Radio occultation measurements of planetary rings are carried 
        out using procedures similar to those employed for atmospheric
        occultations.  Although absorption by ring particles must be  
        considered, the dominant effect on strength of the directly   
        propagating signal is believed to be conservative scattering--
        that is, scattering which disperses the signal in direction   
        without significant absorption.  Profiles of received signal  
        strength can be inverted to yield the radial distribution of  
        ring material.  Doppler spreading of the signal scattered in  
        the near-forward direction can be used to infer the particle  
        size distribution, especially when measurements at the two    
        Voyager radio wavelengths are combined.                       
                                                                      
        Ring occultations were planned and observed using Voyager 1   
        at Saturn and Voyager 2 at Uranus.  Measurements were carried 
        out at Neptune using Voyager 2, but no rings or arcs were     
        detected using the radio system.  A post-encounter search for 
        a radio ring occultation at Jupiter was unsuccessful.         
                                                                      
        Voyager 2 also carried out an oblique forward scattering      
        experiment during its Saturn encounter.  The spacecraft high- 
        gain antenna was deflected from the Earth direction so that   
        it illuminated the ring system; but no scattered signal was   
        detected.                                                     
                                                                      
                                                                      
      Solar Conjunction Experiments                                   
      -----------------------------                                   
        Solar conjunction experiments were conducted to improve       
        understanding of the structure and dynamics of the solar      
        corona and wind, to improve understanding of relativistic     
        effects when radio waves propagate near the Sun, and to test  
        the different elements of the radio science subsystem.        
        Approximately once per year, each Voyager spacecraft appeared 
        to pass behind the solar disk, as seen from Earth.  Radio     
        waves propagating between Voyager and Earth stations were     
        refracted and scattered (scintillation) by the solar plasma   
        [WOO1993].  Intensity fluctuations can be related to          
        fluctuations in electron density along the path, while Doppler
        or phase scintillations can be related to both electron       
        density fluctuations and also the speed of the solar wind.    
        Many plasma effects decrease as the square of the radio       
        frequency; plasma effects are about an order of magnitude     
        stronger at S-band than X-band.                               
                                                                      
                                                                      
      Experimental Relativity                                         
      -----------------------                                         
        The gravitational field of the Sun causes a time delay on     
        signals that propagate near the Sun of approximately 300      
        microseconds.  Although previous tests had verified the effect
        to an accuracy of a few percent, Voyager measurements could   
        be conducted annually and at two frequencies, allowing        
        separation of plasma effects.                                 
                                                                      
        Gravitational fields of the gas giant planets also affected   
        radio signals by causing them to have apparent frequencies    
        lower than predicted.  The change in frequency is related to  
        the mass of the planet.  By measuring the change in frequency 
        as the spacecraft approached the planet, a value for the mass 
        could be calculated.  This value could then be compared with  
        the mass derived from two-way tracking data.  The spacecraft  
        Ultra-Stable Oscillator was used for these measurements;      
        two-way transmissions have nearly canceling frequency shifts  
        as the signal travels to the spacecraft and then returns.  The
        dual frequencies available from Voyager allowed correction for
        plasma effects along the radio path, but calibration for      
        radiation damage to the USO during encounters was more        
        difficult.                                                    
                                                                      
                                                                      
    Operational Considerations - Spacecraft                           
    =======================================                           
      Descriptions given here are for nominal performance.  The       
      spacecraft transponder system comprised redundant units,        
      each with slightly different characteristics.  As               
      transponder units age, their performance changes slightly.      
      More importantly, the performance for radio science depended    
      on operational factors such as the modulation state for the     
      transmitters, which cannot be predicted in advance.  The        
      performance also depended on factors which were not always      
      under the control of the Voyager Project.                       
                                                                      
      Spacecraft receivers were designed to lock to the uplink        
      signal.  Without locking, Doppler effects -- resulting from     
      relative motion of the spacecraft and ground station -- could   
      result in loss of the radio link as the frequency of the        
      received signal drifted.  Unfortunately, a series of failures   
      in the Voyager 2 receivers left that transponder unable to      
      track the uplink signal.  Beginning in April 1978, Doppler      
      shifts were predicted and the uplink carrier was tuned so       
      that Voyager 2 would see what appeared to be a signal at        
      constant frequency (to an accuracy of 100 Hz).                  
                                                                      
      During deep occultations by the giant planets, the bending angle
      resulting from refraction exceeded 10 degrees in some cases --  
      well beyond the half power beamwidth of the spacecraft antenna. 
      In those cases, the pointing of the HGA was adjusted so that    
      it followed a 'virtual' Earth and maximum signal strength could 
      be sustained.  These 'limb-track' maneuvers were critically     
      dependent on accurate timing in the encounter.  To protect      
      against Voyager 1 timing errors at Titan (primarily from        
      uncertainties in the radius and position of the satellite),     
      no limb-track was attempted during ingress, and a fixed         
      antenna offset was used during egress.  Fortunately, timing was 
      accurate enough that useful data were obtained from each event. 
                                                                      
      Although the spacecraft radioisotope thermoelectric generators  
      were not dependent on solar flux for power, their output decayed
      as the Voyager spacecraft moved outward through the solar       
      system.  During encounters with the outer planets, caution was  
      required in budgeting power and the high-power mode could not   
      be used for the radio transmitters.                             
                                                                      
                                                                      
    Calibration Description - Spacecraft                              
    ====================================                              
      Prior to and during some encounter sequences, the spacecraft    
      was commanded to execute a 'mini-ASCAL' maneuver.  The HGA was  
      moved slightly above the Earth line then slightly below the     
      Earth line.  The procedure was repeated to the left and right   
      of the Earth line so that a 'cross-hair' pattern was mapped     
      out.  During the maneuver, the amplitude of the carrier         
      signal was measured carefully.  Analysis of the results         
      showed whether the HGA was pointed accurately and, if not,      
      approximately the error magnitude and direction.                
                                                                      
      Prior to and after encounters, the spacecraft frequency         
      reference was switched to the USO for several hours and the     
      carrier signal was monitored using equipment at the DSN.        
      These 'USO Tests' were used to calibrate the frequency and      
      frequency drift of the USO.  USO tests were particularly        
      important before and after the spacecraft entered a severe      
      radiation environment since the radiation typically damaged     
      the crystal and changed its characteristics slightly.           
                                                                      
                                                                      
    Platform Mounting Descriptions - Spacecraft                       
    ===========================================                       
      The centerline of the bus was the roll axis of the              
      spacecraft; it also served as the z-axis of the spacecraft      
      coordinate system with the high-gain antenna (HGA) boresight    
      defining the negative z-direction.  The HGA boresight was       
      also defined as cone angle 0 degrees and as azimuth 180         
      degrees, elevation 7 degrees.  The Low-Gain Antenna (LGA)       
      was mounted on the feed structure of the HGA and radiated       
      approximately uniformly over the hemisphere into which the      
      HGA pointed.                                                    
                                                                      
                                                                      
    Principal Investigators                                           
    =======================                                           
      The Radio Science Team Leader through the Jupiter encounters    
      was Von R. Eshleman.  The Team Leader for the Saturn, Uranus,   
      and Neptune encounters was G. Leonard Tyler.                    
                                                                      
                                                                      
    Instrument Section / Operating Mode Descriptions - Spacecraft     
    =============================================================     
      The Voyager radio system consisted of two sections, which       
      could be operated in the following modes:                       
                                                                      
      Section      Mode                                               
      -------------------------------------------                     
      Oscillator   two-way (coherent)                                 
                   one-way (non-coherent)                             
      RF output    low-gain antenna (no information available)        
                   high-gain antenna                                  
                                                                      
      Selected parameters describing NASA Standard Transponder (NST)  
      performance are listed below:                                   
                                                                      
      Oscillator Parameters:                    S-Band     X-Band     
         Two-Way Transponder Turnaround Ratio  240/221    880/221     
         One-Way Transmit Frequency (MHz)        2296.      8415.     
         Nominal Wavelength (cm)                13.06       3.56      
                                                                      
      RF Output parameters:                     S-Band     X-Band     
         RF Power Output (w)                   9 or 26    12 or 22    
         Low-Gain Antenna:                                            
           Half-Power Half Beamwidth (deg)        UNK                 
           Gain (dBi)                             UNK                 
           EIRP (dBm)                             UNK                 
           Polarization                         Circular              
         High-Gain Antenna:                                           
           Half-Power Half-Beamwidth (deg)        1.1       0.32      
           Gain (dBi)                              36        47       
           Polarization                           RCP    RCP or LCP   
                                                                      
                                                                      
    Instrument Overview - DSN                                         
    =========================                                         
      Three Deep Space Communications Complexes (DSCCs) (near         
      Barstow, CA; Canberra, Australia; and Madrid, Spain) comprise   
      the DSN tracking network.  During the Voyager-Saturn era each   
      complex was equipped with several antennas (including at least  
      one 64-m and and one 26-m antenna), associated electronics,     
      and operational systems.  Primary activity at each complex      
      was radiation of commands to and reception of telemetry         
      data from active spacecraft.  Transmission and reception was    
      possible in several radio-frequency bands, the most common      
      being S-band (nominally a frequency of 2100-2300 MHz or a       
      wavelength of 14.2-13.0 cm) and X-band (7100-8500 MHz or 4.2-   
      3.5 cm).  Transmitter output powers up to 400 kw were           
      available.                                                      
                                                                      
      Ground stations have the ability to transmit coded and uncoded  
      waveforms which can be echoed by distant spacecraft.  Analysis  
      of the received coding allows navigators to determine the       
      distance to the spacecraft; analysis of Doppler shift on the    
      carrier signal allows estimation of the line-of-sight           
      spacecraft velocity.  Range and Doppler measurements are used   
      to calculate the spacecraft trajectory and to infer gravity     
      fields of objects near the spacecraft.                          
                                                                      
      Ground stations can record spacecraft signals that have         
      propagated through or been scattered from target media.         
      Measurements of signal parameters after wave interactions with  
      surfaces, atmospheres, rings, and plasmas are used to infer     
      physical and electrical properties of the target.               
                                                                      
      The Deep Space Network is managed by the Jet Propulsion         
      Laboratory of the California Institute of Technology for the    
      U.S.  National Aeronautics and Space Administration.            
      Specifications include:                                         
                                                                      
      Instrument Id                  : RSS-VG1S                       
      Instrument Host Id             : DSN                            
      Pi Pds User Id                 : N/A                            
      Instrument Name                : RADIO SCIENCE SUBSYSTEM        
      Instrument Type                : RADIO SCIENCE                  
      Build Date                     : N/A                            
      Instrument Mass                : N/A                            
      Instrument Length              : N/A                            
      Instrument Width               : N/A                            
      Instrument Height              : N/A                            
      Instrument Manufacturer Name   : N/A                            
                                                                      
      For more information on the Deep Space Network and its use in   
      radio science investigations see the reports by                 
      [ASMAR&RENZETTI1993], [ASMAR&HERRERA1993], and [ASMARETAL1995]. 
      For design specifications on DSN subsystems see [DSN810-5].     
      For an example of use of the DSN for Radio Science see          
      [TYLERETAL1992].                                                
                                                                      
                                                                      
    Subsystems - DSN                                                  
    ================                                                  
      The Deep Space Communications Complexes (DSCCs) are an integral 
      part of the Radio Science instrument, along with other          
      receiving stations and the spacecraft Radio Frequency           
      Subsystem.  Their system performance directly determines the    
      degree of success of Radio Science investigations, and their    
      system calibration determines the degree of accuracy in the     
      results of the experiments.  The following paragraphs describe  
      the functions performed by the individual subsystems of a DSCC. 
      This material has been adapted from [ASMAR&HERRERA1993]; for    
      additional information, consult [DSN810-5].                     
                                                                      
      Each DSCC includes a set of antennas, signal processing         
      equipment, and communication links to the Jet Propulsion        
      Laboratory (JPL).  The general configuration is illustrated     
      below; antennas (Deep Space Stations, or DSS -- a term carried  
      over from earlier times when antennas were individually         
      instrumented) are listed in the table.                          
                                                                      
                    --------   --------   --------                    
                   | DSS 11 | | DSS 12 | | DSS 14 |                   
                   |  26-m  | |  26-m  | |  64-m  |                   
                    --------   --------   --------                    
                        |            |     |                          
                        |            v     v                          
                        |         --------------                      
                         -------❯|COMMUNICATIONS|                     
                                 |    CENTER    |                     
                                  --------------                      
                                        |                             
                                        v                             
                    ----------      ---------                         
                   | NETWORK  |    |   JPL   |                        
                   |OPERATIONS|    | CENTRAL |                        
                   |   AND    |❮--❯|   COMM  |                        
                   | CONTROL  |    | TERMINAL|                        
                   |  CENTER  |     ---------                         
                    ----------                                        
                                                                      
                          GOLDSTONE     CANBERRA      MADRID          
             Antenna      CALIFORNIA    AUSTRALIA     SPAIN           
            --------      ----------    ---------    --------         
              26-m          DSS 11       DSS 44       DSS 62          
              26-m          DSS 12       DSS 42       DSS 61          
              64-m          DSS 14       DSS 43       DSS 63          
            Developmental   DSS 13                                    
                                                                      
                                                                      
                                                                      
      DSCC Transmitter Subsystem                                      
      --------------------------                                      
        Two transmitters were available at 64-m antennas; output      
        power of the first could be adjusted over the range 0.2-20 kW,
        while the second could be adjusted over 10-100 kW.  Nominal   
        tuning range was 2100-2120 MHz with the -1 dB points at 2110  
        and 2118 MHz.                                                 
                                                                      
        Only the 0.2-20 kW transmitter was available at 26-m antennas.
        Tuning range was the same.                                    
                                                                      
                                                                      
                                                                      
      Multi-Mission Receiver (MMR)                                    
      ----------------------------                                    
        The Multi-Mission Receiver provided four channels of data for 
        occultations studies during the Voyager encounters at Saturn. 
        A programmable local oscillator/synthesizer was used to keep  
        the signal as close to the center of a 10 MHz IF filter as    
        predictions would permit.  The output was sent to the Radio   
        Science Subsystem for sampling and recording.  Filter         
        bandwidths for S-RCP and S-LCP ring occultations and          
        scattering observations were 50 kHz; the corresponding        
        bandwidths for X-RCP and X-LCP were 150 kHz.                  
                                                                      
        For signals with narrower spectral ranges, the 10 MHz IF      
        output was mixed to 100 kHz where filters as narrow as 100 Hz 
        could be applied.                                             
                                                                      
                                                                      
      DSS Radio Science (DRS) Subsystem                               
      ---------------------------------                               
        The Radio Science Subsystem sampled output from the MMR and   
        recorded it on high-speed analog video tape for later         
        conversion to computer compatible tape (CCT) formats.  Sample 
        rates for the Voyager 1 Titan and Saturn encounters were 300  
        ksps on all receiver outputs.                                 
                                                                      
        Narrower filters and lower sampling rates could be selected   
        for special purposes.                                         
                                                                      
                                                                      
      DSS Frequency and Timing Subsystem                              
      ----------------------------------                              
        Frequency and timing were provided by three references: a     
        rubidium standard, a hydrogen maser, and a cesium beam        
        standard.  Precisions are shown in the tables below:          
                                                                      
         Reference             Frequency Stability   Integration Time 
         -----------------     -------------------   ---------------- 
         Rubidium Standard      5   parts in 10^12         1 second   
                                5   parts in 10^13       100 seconds  
                                5   parts in 10^13      1000 seconds  
                                5   parts in 10^13        12 hours    
                                1   part  in 10^11         1 year     
         Hydrogen Maser         3   parts in 10^13         1 second   
                                2   parts in 10^14       100 seconds  
                                2   parts in 10^14        12 hours    
                                2   parts in 10^13         1 year     
         Cesium Beam Standard   5   parts in 10^12         1 second   
                                8   parts in 10^13       100 seconds  
                                2.5 parts in 10^13      1000 seconds  
                                8   parts in 10^14     10000 seconds  
                                                                      
        Station Time relative to the DSN master clock was accurate to 
        20 microseconds based on rubidium standard synchronization and
        to 3 milliseconds based on calibration by HF radio.  The DSN  
        master clock was accurate to 50 microseconds relative to the  
        National Bureau of Standards, based on calibration using a    
        portable cesium clock.  The DSS frequency offset relative to  
        the DSN master reference frequency was accurate to 1 part in  
        10^11 based on rubidium standard or cesium beam standard      
        synchronization and to 2 parts in 10^13 based on a hydrogen   
        maser.                                                        
                                                                      
                                                                      
    Optics - DSN                                                      
    ============                                                      
      Performance of DSN ground stations depends primarily on size of 
      the antenna and capabilities of electronics.  These are         
      summarized in the following set of tables.  Note that 64-m      
      antennas were upgraded to 70-m between 1986 and 1989.           
      Beamwidth is half-power full angular width.  Polarization is    
      circular; L denotes left circular polarization (LCP), and R     
      denotes right circular polarization (RCP).                      
                                                                      
                            DSS Antenna Characteristics               
                                                                      
                                Transmit              Receive         
                            ---------------    --------------------   
        Quantity             64-m      26-m        64-m       26-m    
        --------            -----     -----    ------------   -----   
        Frequency (MHz)     2110-     2110-    2270-  8400-   2270-   
                             2120      2120     2300   8440    2300   
        Wavelength (m)      0.142     0.142    0.131  0.036   0.131   
        Gain (dBi)           60.7      51.8     61.7   71.3    53.2   
        Beamwidth (deg)      0.15      0.36     0.14  0.038    0.33   
        Polarization          RCP       RCP      RCP    RCP     RCP   
                              LCP       LCP      LCP    LCP     LCP   
                              LIN                LIN            LIN   
        CP Ellipticity (dB)   2.2       1.0     0.28    1.0     0.4   
        SNT-TWM1-unspec (K)                              25      33   
                -diplex (K)                       22                  
                -orthog (K)                       18                  
           -TWM2-unspec (K)                                      41   
                -diplex (K)                       26                  
                -orthog (K)                       23                  
                                                                      
         Notes: (1) DSS 14 receive gain was 71.3 dB at X-band; but    
                    gain at DSS 43 and DSS 63 was 71.8 dB             
                (2) Polarizations available at 64-m antennas were     
                    RCP and LCP (simultaneously) or rotatable linear. 
                    Polarizations available at 26-m antennas were     
                    RCP or LCP or fixed linear.                       
                                                                      
                                                                      
    Electronics - DSN                                                 
    =================                                                 
                                                                      
      DSCC Open-Loop Receiver (RIV)                                   
      -----------------------------                                   
        The open loop receiver block diagrams below show the Modified 
        Block III Open-Loop Receiver (DSS 14 and 43) and the          
        Narrowband Multi-Mission Receiver (MMR) (DSS 63) used during  
        early Voyager encounters.  Only the S-band block diagrams are 
        shown; expressions for reconstructing both S- and X-band      
        signal frequencies (Fs and Fx, respectively) from the         
        observed output frequencies (Folr) are given below the        
        diagrams.                                                     
                                                                      
        DSS 14 and 43                                     DSS 63      
                                                                      
          S-Band                                          S-Band      
         2295 MHz                                        2295 MHz     
          Input                                            Input      
            |                                                |        
            v                                                v        
           ---     ---                              ---     ---       
          | X |❮--|x48|❮-- ~46 MHz       ~41 MHz--❯|x48|--❯| X |      
           ---     ---                              ---     ---       
            |                                                |        
          50|                                                |300     
         MHz|                                                |MHz     
            v                                                v        
           ---                                              ---       
          | X |❮-- 60 MHz                       290 MHz --❯| X |      
           ---                                              ---       
            |                                                |        
          10|                                                |10      
         MHz|                                                |MHz     
            v                                                v        
           ---                                              ---       
          | X |❮-- 10 MHz                        10 MHz --❯| X |      
           ---                                              ---       
            |                                                |        
            v                                                v        
         Output                                            Output     
                                                                      
                                                                      
        Reconstruction of the antenna frequency from the frequency of 
        the signal in the recorded data can be achieved through use   
        of one of the following formulas.  Frequency of the           
        Programmable Oscillator Control Assembly (Fpoca) is           
        approximately 46 MHz at DSS 14 and 43 and approximately       
        41 MHz at DSS 63.                                             
                                                                      
        DSS 14 and 43                                                 
                                                                      
          Fs = 48*Fpoca + 50*10^6 - Folr                              
          Fx = (11/3)*(48*Fpoca + 50*10^6) - Folr                     
                                                                      
        DSS 63                                                        
                                                                      
          Fs = 48*Fpoca + 300*10^6 + Folr                             
          Fx = (11/3)*(48*Fpoca + 300*10^6) + Folr                    
                                                                      
                                                                      
    Filters - DSN                                                     
    =============                                                     
                                                                      
      DSCC Open-Loop Receiver (RIV)                                   
      -----------------------------                                   
        Filters (usually at the 10 MHz intermediate frequency) could  
        be selected by the user to match expected width of the signal 
        or uncertainty in its location.  Filters and sampling rates   
        used during the Voyager Saturn encounters were:               
                                                                      
                           DSS 43                DSS 63               
                     ------------------    -------------------        
                        3 dB     Sample       3 dB     Sample         
                     Bandwidth    Rate     Bandwidth    Rate          
                     ---------  -------    ---------  --------        
          S-band       4.1 kHz  10 ksps      50. kHz  300 ksps        
          X-band      15.0 kHz  30 ksps     150. kHz  300 ksps        
                                                                      
                                                                      
                                                                      
                                                                      
    Detectors - DSN                                                   
    ===============                                                   
                                                                      
      DSCC Open-Loop Receivers                                        
      ------------------------                                        
        Open-loop receiver output is detected in software by the      
        radio science investigator.                                   
                                                                      
                                                                      
      DSCC Closed-Loop Receivers                                      
      --------------------------                                      
        Nominal carrier tracking loop threshold noise bandwidths at   
        S- and X-band were 10-12 and 30 Hz, respectively.  Sample     
        rates for Doppler were 1-10 per second.                       
                                                                      
                                                                      
    Calibration - DSN                                                 
    =================                                                 
      Calibrations of hardware systems are carried out periodically   
      by DSN personnel; these ensure that systems operate at required 
      performance levels -- for example, that antenna patterns,       
      receiver gain, propagation delays, and Doppler uncertainties    
      meet specifications.  No information on specific calibration    
      activities is available.  Nominal performance specifications    
      are shown in the tables above.  Additional information may be   
      available in [DSN810-5].                                        
                                                                      
      Prior to each tracking pass, station operators perform a series 
      of calibrations to ensure that systems meet specifications for  
      that operational period.  Included in these calibrations is     
      measurement of receiver system temperature in the configuration 
      to be employed during the pass.  Results of these calibrations  
      are recorded in (hard copy) Controller's Logs for each pass.    
                                                                      
      Filters for the Open-Loop Receivers were checked during the     
      Test and Calibration period after the Titan and Saturn          
      observations concluded.  A test signal was injected at a        
      constant frequency, then stepped across the passband to measure 
      filter gain at discrete frequencies.                            
                                                                      
                                                                      
    Operational Considerations - DSN                                  
    ================================                                  
      The DSN is a complex and dynamic 'instrument.' Its performance  
      for Radio Science depends on a number of factors from equipment 
      configuration to meteorological conditions.  No specific        
      information on 'operational considerations' can be given here.  
                                                                      
                                                                      
    Operational Modes - DSN                                           
    =======================                                           
                                                                      
      Closed-Loop vs. Open-Loop Reception                             
      -----------------------------------                             
        Radio Science data can be collected in two modes: closed-     
        loop, in which a phase-locked loop receiver tracks the        
        spacecraft signal, or open-loop, in which a receiver samples  
        and records a band within which the desired signal presumably 
        resides.  Closed-loop data are collected using Closed-Loop    
        Receivers, and open-loop data are collected using Open-Loop   
        Receivers in conjunction with the DSCC Spectrum Processing    
        Subsystem (DSP).  See the Subsystems section for further      
        information.                                                  
                                                                      
                                                                      
      Closed-Loop Receiver AGC Loop                                   
      -----------------------------                                   
        The closed-loop receiver AGC loop can be configured to one of 
        three settings: narrow, medium, or wide.  Ordinarily it is    
        configured so that expected signal amplitude changes are      
        accommodated with minimum distortion.  The loop bandwidth is  
        ordinarily configured so that expected phase changes can be   
        accommodated while maintaining the best possible loop SNR.    
                                                                      
                                                                      
      Coherent vs. Non-Coherent Operation                             
      -----------------------------------                             
        The frequency of the signal transmitted from the spacecraft   
        can generally be controlled in two ways -- by locking to a    
        signal received from a ground station or by locking to an     
        on-board oscillator.  These are known as the coherent (or     
        'two-way') and non-coherent ('one-way') modes, respectively.  
        Mode selection is made at the spacecraft, based on commands   
        received from the ground.  When operating in the coherent     
        mode, the transponder carrier frequency is derived from the   
        received uplink carrier frequency with a 'turn-around ratio'  
        typically of 240/221.  In the non-coherent mode, the          
        downlink carrier frequency is derived from the spacecraft     
        on-board crystal-controlled oscillator.  Either closed-loop   
        or open-loop receivers (or both) can be used with either      
        spacecraft frequency reference mode.  Closed-loop reception   
        in two-way mode is usually preferred for routine tracking.    
        Occasionally the spacecraft operates coherently while two     
        ground stations receive the 'downlink' signal; this is        
        sometimes known as the 'three-way' mode.                      
                                                                      
                                                                      
      Open-Loop Sampling                                              
      ------------------                                              
        The Open-Loop Receiver sampling system can operate in four    
        sampling modes with from 1 to 4 input signals.  Input         
        channels are assigned to ADC inputs during configuration.     
        Modes are summarized in the tables below:                     
                                                                      
        Mode   Analog-to-Digital Operation                            
        ----   ----------------------------                           
          1    4 signals, each sampled by a single ADC                
          2    1 signal, sampled sequentially by 4 ADCs               
          3    2 signals, each sampled sequentially by 2 ADCs         
          4    2 signals, the first sampled by ADC #1 and the second  
                           sampled sequentially at 3 times the rate   
                            by ADCs #2-4                              
                                                                      
                                                                      
    Location - DSN                                                    
    ==============                                                    
      Station locations are documented in [GEO-10REVD].  Geocentric   
      coordinates are summarized here.                                
                                                                      
                            Geocentric  Geocentric  Geocentric        
      Station              Radius (km) Latitude (N) Longitude (E)     
      ---------            ----------- ------------ -------------     
      Goldstone                                                       
        DSS 12 (26-m STD)  6371.997815  35.1186672   243.1945048      
        DSS 13 (develop)   6372.117062  35.0665485   243.2051077      
        DSS 14 (64-m)      6371.992867  35.2443514   243.1104584      
                                                                      
      Canberra                                                        
        DSS 42 (26-m STD)  6371.675607 -35.2191850   148.9812546      
        DSS 43 (64-m)      6371.688953 -35.2209308   148.9812540      
                                                                      
      Madrid                                                          
        DSS 61 (26-m STD)  6370.027734  40.2388805   355.7509634      
        DSS 63 (64-m)      6370.051015  40.2413495   355.7519776      
                                                                      
                                                                      
    Measurement Parameters - DSN                                      
    ============================                                      
                                                                      
      Open-Loop System                                                
      ----------------                                                
        Sampled output from the Open-Loop Receivers (OLRs) is a stream
        of 8-bit quantized voltage samples.  The nominal input to     
        the Analog-to-Digital Converters (ADCs) is +/-10 volts, but   
        the precise scaling between input voltages and output         
        digitized samples is usually irrelevant for analysis; the     
        digital data are generally referenced to a known noise or     
        signal level within the data stream itself -- for example,    
        the thermal noise output of the radio receivers which has a   
        known system noise temperature (SNT).  Raw samples comprise   
        the data block in each data record; a header record           
        contains ancillary information such as time tag for the       
        first sample in the data block.                               
                                                                      
                                                                      
      Closed-Loop System                                              
      ------------------                                              
        Closed-loop data are recorded in Archival Tracking Data Files 
        (ATDFs), as well as certain secondary products such as the    
        Orbit Data File (ODF).  The ATDF Tracking Logical Record      
        contains entries including status information and             
        measurements of ranging, Doppler, and signal strength.        
                                                                      
                                                                      
    ACRONYMS AND ABBREVIATIONS - DSN                                  
    ================================                                  
      ACS      Antenna Control System                                 
      ADC      Analog-to-Digital Converter                            
      AMS      Antenna Microwave System                               
      APA      Antenna Pointing Assembly                              
      ARA      Area Routing Assembly                                  
      ATDF     Archival Tracking Data File                            
      AZ       Azimuth                                                
      CMC      Complex Monitor and Control                            
      CONSCAN  Conical Scanning (antenna pointing mode)               
      CRG      Coherent Reference Generator                           
      CUL      Clean-up Loop                                          
      DANA     a type of frequency synthesizer                        
      dB       decibel                                                
      dBi      dB relative to isotropic                               
      dBm      dB relative to one milliwatt                           
      DCO      Digitally Controlled Oscillator                        
      DEC      Declination                                            
      deg      degree                                                 
      DMC      DSCC Monitor and Control Subsystem                     
      DSCC     Deep Space Communications Complex                      
      DSN      Deep Space Network                                     
      DSP      DSCC Spectrum Processing Subsystem                     
      DSS      Deep Space Station                                     
      DTK      DSCC Tracking Subsystem                                
      E        east                                                   
      EL       Elevation                                              
      FTS      Frequency and Timing Subsystem                         
      GCF      Ground Communications Facility                         
      GPS      Global Positioning System                              
      HA       Hour Angle                                             
      HEF      High-Efficiency (as in 34-m HEF antennas)              
      IF       Intermediate Frequency                                 
      IVC      IF Selection Switch                                    
      JPL      Jet Propulsion Laboratory                              
      K        Kelvin                                                 
      kHz      kilohertz                                              
      km       kilometer                                              
      ksps     kilosamples per second                                 
      kW       kilowatt                                               
      L-band   approximately 1668 MHz                                 
      LAN      Local Area Network                                     
      LCP      Left-Circularly Polarized                              
      LMC      Link Monitor and Control                               
      LNA      Low-Noise Amplifier                                    
      LO       Local Oscillator                                       
      m        meters                                                 
      MCA      Master Clock Assembly                                  
      MCCC     Mission Control and Computing Center                   
      MDA      Metric Data Assembly                                   
      MHz      Megahertz                                              
      MMR      Multi-Mission Receiver                                 
      MON      Monitor and Control System                             
      MSA      Mission Support Area                                   
      N        north                                                  
      NAR      Noise Adding Radiometer                                
      NBOC     Narrow-Band Occultation Converter                      
      NIST     SPC 10 time relative to UTC                            
      NIU      Network Interface Unit                                 
      NOCC     Network Operations and Control System                  
      NSS      NOCC Support System                                    
      OCI      Operator Control Input                                 
      ODF      Orbit Data File                                        
      ODR      Original Data Record                                   
      ODS      Original Data Stream                                   
      OLR      Open Loop Receiver                                     
      POCA     Programmable Oscillator Control Assembly               
      PPM      Precision Power Monitor                                
      RA       Right Ascension                                        
      REC      Receiver-Exciter Controller                            
      RCP      Right-Circularly Polarized                             
      RF       Radio Frequency                                        
      RIC      RIV Controller                                         
      RIV      Radio Science IF-VF Converter Assembly                 
      RMDCT    Radio Metric Data Conditioning Team                    
      RTLT     Round-Trip Light Time                                  
      S-band   approximately 2100-2300 MHz                            
      sec      second                                                 
      SEC      System Error Correction                                
      SIM      Simulation                                             
      SLE      Signal Level Estimator                                 
      SNR      Signal-to-Noise Ratio                                  
      SNT      System Noise Temperature                               
      SOE      Sequence of Events                                     
      SPA      Spectrum Processing Assembly                           
      SPC      Signal Processing Center                               
      SRA      Sequential Ranging Assembly                            
      SRC      Sub-Reflector Controller                               
      SSI      Spectral Signal Indicator                              
      STD      Standard (as in 34-m STD antennas)                     
      TID      Time Insertion and Distribution Assembly               
      TSF      Tracking Synthesizer Frequency                         
      TWM      Traveling Wave Maser                                   
      UNK      unknown                                                
      UTC      Universal Coordinated Time                             
      VF       Video Frequency                                        
      X-band   approximately 7800-8500 MHz"                           
                                                                      
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_INFORMATION            
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "ALLAN1966"                       
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "ASMAR&HERRERA1993"               
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "ASMAR&RENZETTI1993"              
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "ASMARETAL1995"                   
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "DSN810-5"                        
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "ESHLEMANETAL1977"                
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "GEO-10REVD"                      
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "TYLERETAL1992"                   
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
 OBJECT                           = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
  REFERENCE_KEY_ID                = "WOO1993"                         
 END_OBJECT                       = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO         
                                                                      
END_OBJECT                        = INSTRUMENT                        
                                                                      
END