Design of electronic systems for the acoustic navigation of a maneuverable melting probe in ice

Eliseev, Dmitry; Wiebusch, Christopher; Vorländer, Michael

doi:37546

Design of electronic systems for the acoustic navigation of a maneuverable melting probe in ice = Entwicklung elektronischer Systeme für die akustische Navigation einer manövrierbaren Schmelzsonde im Eis

Eliseev, Dmitry^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dmitry Eliseev

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (VII, 150 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Vorländer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229383
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/748401/files/748401.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/748401/files/748401.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FPGA (frei) ; Navigation (frei) ; Phasenarray (frei) ; Schallausbreitung (frei) ; acoustic (frei) ; phased array (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Doktorarbeit beschreibt die Entwicklung von Systemen für die akustische Navigation einer manövrierbaren Eissonde (EnEx-Sonde), welche als Teil der EnEx-Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde. Im Rahmen dieser Initiative werden Technologien entwickelt, welche eine zukünftige Raummission zum Saturnmond Enceladus ermöglichen sollen. Auf diesem Mond wurden im Gebiet des Südpols kryovulkanische Aktivitäten entdeckt. Unter dem Eismantel von Enceladus wird ein globaler Ozean aus flüssigem Wasser vermutet, welcher diesen Kryovulkanismus betreibt. Dieser Ozean ist einer der interessantesten Plätze für die Suche nach außerterrestrischem Leben. Das Ziel der Enceladus-Mission besteht darin, Flüssigkeitsproben aus einem zum Kryovulkan führenden Wasserkanal zu entnehmen. Um dies zu erreichen, muss die Eissonde in der Lage sein, gezielt zu einem der Wasserkanäle der Kryovulkane zu navigieren. In der Arbeit werden zwei Systeme betrachtet, welche die akustische Navigation der EnEx-Sonde ermöglichen. Das akustische Positionierungssystem (engl. "Acoustic Positioning System" (APS)) ermöglicht die akustische Lokalisierung der Sonde im Eis. Dieses System benutzt das Trilaterationsprinzip, bei dem die Lage der Sonde anhand der Laufzeiten von akustischen Signalen berechnet wird. Diese Signale werden von Emittern an der Oberfläche ausgesendet und von der EnEx-Sonde empfangen. Das akustische Vorfelderkundungssystem (engl. "Acoustic Reconnaissance System" (ARS)) ermöglicht die akustische Untersuchung des Eises vor der EnEx-Sonde. Das Ultraschallbild wird von vier 16-elementigen Phasenarrays bereitgestellt. Diese Phasenarrays befinden sich im Schmelzkopf der Sonde. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist das Entwerfen und die Entwicklung der Elektronik für die oben genannten Systeme für die akustische Navigation. Einige physikalische und technische Aspekte werden im Rahmen dieser Entwicklung diskutiert: Ausbreitung akustischer Wellenfronten im inhomogenen Eis, Signalfilterung, FPGA Technologie und Synchronizationsproblematik. Die Leistungsfähigkeit der EnEx-Sonde und ihrer Systeme wurden in vielen Tests erfolgreich überprüft: von verschiedenen Tests der einzelnen Systemkomponenten bis hin zu Gletschertests der voll integrierten Sonde. Der finale Test der EnEx-Sonde fand in der Kooperation mit dem Projekt MIDGE an den Blood Falls auf dem antarktischen Taylor Gletscher statt. Die Sonde war, während dieses Tests, in der Lage sich dem subglazialen Versorgungskanal der Blood Falls anzunähern und nicht oxidierte Wasserproben aus dem Kanal erfolgreich zu entnehmen.

This thesis describes the development of systems for the acoustic navigation of an in-ice maneuverable probe, which is developed as a part of the Enceladus Explorer (EnEx) initiative of DLR Space Administration. In the context of this initiative, technologies are developed which could facilitate a future space mission to Enceladus, the ice-covered moon of Saturn. At the south polar region of Enceladus the water-rich plumes, venting from the ice, were discovered. It is assumed, that Enceladus hosts an ocean of liquid water below its ice cover, which supplies these plumes. This ocean is one of the most interesting spots to search for the existence of life outside the Earth. Goal of this mission would be to navigate the EnEx probe to a vent, where one of the plumes originates and sample the liquid, supplying the plume. Two systems are considered for the acoustic navigation of the EnEx probe within the ice. The first one is the Acoustic Positioning System (APS) which provides positioning of the EnEx probe. This system operates on the principle of trilateration: calculating position of the probe from propagation delays of the acoustic signals emitted by pingers located near the ice surface. The second system for the acoustic navigation is the Acoustic Reconnaissance System (ARS) which examines the ice region in front of the EnEx probe. The ultrasonography picture is provided by four 16-element phased arrays mounted in the melting head of the EnEx probe. The main focus of this work is the conception and development of electronics for the specified acoustic navigation systems. Some physical and technical aspects are discussed in the context of this development, including: propagation of acoustic waves in inhomogeneous ice, signal filtering, FPGA technology and synchronization issues. As a demonstration of the performance of the probe and its particular systems, numerous tests were carried out: from different tests of individual components up to the in situ tests of the fully integrated probe's setup. The final test of the probe's concept demonstrator took place in cooperation with the MIDGE project at the antarctic Taylor Glacier near the Bloodfalls, where the EnEx probe was able to take samples of liquid from a subglacial conduit.

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