Download this file

PDS_VERSION_ID          = PDS3                                               
LABEL_REVISION_NOTE     = "W. Kurth, June 2003;"                             
RECORD_TYPE             = STREAM                                             
                                                                             
OBJECT                  = INSTRUMENT                                         
  INSTRUMENT_HOST_ID      = CO                                               
  INSTRUMENT_ID           = RPWS                                             
                                                                             
  OBJECT                  = INSTRUMENT_INFORMATION                           
    INSTRUMENT_NAME         = "RADIO AND PLASMA WAVE SCIENCE"                
    INSTRUMENT_TYPE         = "PLASMA WAVE SPECTROMETER"                     
    INSTRUMENT_DESC         = "                                              
                                                                             
                                                                             
  Abstract                                                                   
  ========                                                                   
    The Cassini Radio and Plasma Wave Science instrument consists of         
    three electric field sensors, three search coil magnetometers, and a     
    Langmuir probe as well as an array of receivers covering the             
    frequency range from 1 Hz to 16 MHz with varying degrees of spectral     
    and temporal resolution.                                                 
                                                                             
    The text of this instrument description has been abstracted from the     
    instrument paper [GURNETTETAL2004]:                                      
                                                                             
    Gurnett, D. A., W. S. Kurth, D. L. Kirchner, G. B. Hospodarsky, T.       
    F. Averkamp, P. Zarka, A. Lecacheux, R. Manning, A. Roux, P. Canu,       
    N. Cornilleau-Wehrlin, P. Galopeau, A. Meyer, R. Bostrom, G.             
    Gustafsson, J.-E. Wahlund, L. Aahlen, H. O. Rucker, H. P. Ladreiter,     
    W. Macher, L. J. C. Woolliscroft, H. Alleyne, M. L. Kaiser, M. D.        
    Desch, W. M.  Farrell, C. C. Harvey, P. Louarn, P. J. Kellogg, K.        
    Goetz, and A.  Pedersen, The Cassini Radio and Plasma Wave Science       
    Investigation, Space Sci. Rev., in press, 2002.                          
                                                                             
                                                                             
  Scientific Objectives                                                      
  =====================                                                      
    The primary objectives of the Cassini Radio and Plasma Wave              
    investigation are to study radio emissions, plasma waves, thermal        
    plasma, and dust in the vicinity of Saturn.                              
                                                                             
    Objectives concerning radio emissions include:                           
                                                                             
      Improve our knowledge of the rotational modulation of Saturn's         
      radio sources, and hence of Saturn's rotation rate.                    
                                                                             
      Determine the location of the SKR source as a function of              
      frequency, and investigate the mechanisms involved in generating       
      the radiation.                                                         
                                                                             
      Obtain a quantitative evaluation of the anomalies in Saturn's          
      magnetic field by performing direction-finding measurements of the     
      SKR source.                                                            
                                                                             
      Establish if gaseous ejections from the moons Rhea, Dione, and         
      Tethys are responsible for the low frequency narrow-band radio         
      emissions.                                                             
                                                                             
      Determine if SKR is controlled by Dione's orbital position.            
                                                                             
      Establish the nature of the solar wind-magnetosphere interaction       
      by using SKR as a remote indicator of magnetospheric processes.        
                                                                             
      Investigate the relationship between SKR and the occurrence of         
      spokes and other time dependent phenomena in the rings.                
                                                                             
      Study the fine structure in the SKR spectrum, and compare with the     
      fine structure of terrestrial and Jovian radio emissions in order      
      to understand the origin of this fine structure.                       
                                                                             
    Objectives concerning plasma waves include:                              
                                                                             
      Establish the spectrum and types of plasma waves associated with       
      gaseous emissions from Titan, the rings, and the icy satellites.       
                                                                             
      Determine the role of plasma waves in the interaction of Saturn's      
      magnetospheric plasma (and the solar wind) with the ionosphere of      
      Titan.                                                                 
                                                                             
      Establish the spectrum and types of plasma waves that exist in the     
      radiation belt of Saturn.                                              
                                                                             
      Determine the wave-particle interactions responsible for the loss      
      of radiation belt particles.                                           
                                                                             
      Establish the spectrum and types of waves that exist in the            
      magnetotail and polar regions of Saturn's magnetosphere.               
                                                                             
      Determine if waves driven by field-aligned currents along the          
      auroral field lines play a significant role in the auroral charged     
      particle acceleration.                                                 
                                                                             
      Determine the electron density in the magnetosphere of Saturn,         
      near the icy moons, and in the ionosphere of Titan.                    
                                                                             
    Objectives concerning lightning include:                                 
                                                                             
      Establish the long-term morphology and temporal variability of         
      lightning in the atmosphere of Saturn.                                 
                                                                             
      Determine the spatial and temporal variation of the electron           
      density in Saturn's ionosphere from the low frequency cutoff and       
      absorption of lightning signals.                                       
                                                                             
      Carry out a definitive search for lightning in Titan's atmosphere      
      during the numerous close flybys of Titan.                             
                                                                             
      Perform high-resolution studies of the waveform and spectrum of        
      lightning in the atmosphere of Saturn, and compare with                
      terrestrial lightning.                                                 
                                                                             
    Objectives concerning thermal plasma include:                            
                                                                             
      Determine the spatial and temporal distribution of the electron        
      density and temperature in Titan's ionosphere.                         
                                                                             
      Characterize the escape of thermal plasma from Titan's ionosphere      
      in the downstream wake region.                                         
                                                                             
      Constrain and, when possible, measure the electron density and         
      temperature in other regions of Saturn's magnetosphere.                
                                                                             
    Objectives concerning dust include:                                      
                                                                             
      Determine the spatial distribution of micron-sized dust particles      
      through out the Saturnian system.                                      
                                                                             
      Measure the mass distribution of the impacting particles from          
      pulse height analyses of the impact waveforms.                         
                                                                             
      Determine the possible role of charged dust particles as a source      
      of field-aligned currents.                                             
                                                                             
                                                                             
  Calibration                                                                
  ===========                                                                
    An extensive series of amplitude calibrations, frequency responses,      
    phase calibrations, and instrument performance checks were carried       
    out on the RPWS prior to launch, both before and after integration       
    on the spacecraft. These tests and calibrations were performed at        
    room temperature (25 deg C), -20 deg C, and 40 deg C. While there are    
    calibration signals available in the instrument for in-flight            
    calibration purposes, these are mainly used to check for drifts due      
    to aging or radiation exposure. The primary calibration information      
    to derive physical units (spectral density, etc.) is derived from        
    the prelaunch tests.                                                     
                                                                             
                                                                             
  Operational Considerations                                                 
  ==========================                                                 
    The different types of receivers used to cover the spectral and          
    temporal range covered by the RPWS does not lend itself to a             
    monolithic, synchronous mode of operation. Nevertheless, to reduce       
    the magnitude of the in-flight operations to an acceptable level         
    requires that many of the measurements be scheduled in a systematic      
    way. The approach is to attempt to acquire survey information in the     
    form of uniform spectral and temporal observations at a low enough       
    data rate, ~1 kbps, to ensure that such coverage is available for        
    the entire Saturnian tour and for a large portion of the cruise and      
    approach to Saturn. The survey data set will support spatial             
    mapping, statistical studies, and studies of dynamical effects in        
    the magnetosphere and their possible correlation with solar wind         
    variations. In addition to the survey information, special               
    observations will be added (sometimes at greatly increased data          
    rates) at specific locations or times to provide enhanced                
    information required by several of the science objectives. The           
    special observations may include full polarization and                   
    direction-finding capability or high spectral or temporal resolution     
    observations by the high frequency receiver, wideband measurements       
    at one of the possible bandwidths, acquisition of delta-ne/ne            
    measurements, or intensive wave-normal analysis afforded by              
    acquiring five-channel waveforms on an accelerated schedule. While       
    minimizing the number of different modes in which the instrument is      
    operated both simplifies operations and yields a more manageable         
    data set, flexibility (for example in the duty cycle of wideband         
    measurements) increases the likelihood that enhanced measurements        
    can be integrated successfully with the resource requirements of the     
    other instruments. One of the resources which will be most limited       
    on Cassini is the overall data volume; RPWS requires large data          
    volumes for some of its measurements.                                    
                                                                             
                                                                             
  Detectors                                                                  
  =========                                                                  
    The RPWS utilizes three 10-m electric antennas, three magnetic           
    antennas, and a Langmuir probe for detectors.  Three monopole            
    electric field antennas, labeled Eu, Ev, and Ew, are used to provide     
    electric field signals to the various receivers. The physical            
    orientations of these three antennas relative to the x, y, and z         
    axes of the spacecraft are given below. However, the electrical          
    orientations of these are strongly affected by the asymmetric nature     
    of the ground plane of the spacecraft chassis.  These electrical         
    orientations are incorporated into the calibrations, primarily of        
    the High Frequency Receiver.  By electronically taking the               
    difference between the voltages on the Eu and Ev monopoles, these        
    two antennas can be used as a dipole, Ex, aligned along the x axis       
    of the spacecraft.                                                       
                                                                             
    Physical orientations of the electric monopole antennas:                 
    Antenna    theta (degrees) phi (degrees)                                 
        Eu        107.5           24.8                                       
        Ev        107.5          155.2                                       
        Ew         37.0           90.0                                       
                                                                             
    The angle theta is the polar angle measured from the spacecraft +z       
    axis.  The angle phi is the azimuthal angle, measured from the           
    spacecraft +x axis.                                                      
                                                                             
    The tri-axial search coil magnetic antennas, labeled Bx, By, and Bz,     
    are used to detect three orthogonal magnetic components of               
    electromagnetic waves. The search coil axes are aligned along the x,     
    y, and z axes of the spacecraft.                                         
                                                                             
    The spherical Langmuir probe is used for electron density and            
    temperature measurements.  This is extended from the spacecraft in       
    approximately the -x direction, in spacecraft coordinates.               
                                                                             
                                                                             
  Electronics                                                                
  ===========                                                                
    The electronics consists of five receivers. These receivers are          
    connected to the antennas described above by a network of switches.      
    The high frequency receiver (HFR) provides simultaneous auto- and        
    cross-correlation measurements from two selected antennas over a         
    frequency range from 3.5 kHz and 16 MHz. By switching the two inputs     
    of this receiver between the three monopole electric antennas, this      
    receiver can provide direction-of-arrival measurements, plus a full      
    determination of the four Stokes parameters. The high frequency          
    receiver includes a processor that performs all of its digital           
    signal processing, including data compression. The high frequency        
    receiver also includes a sounder transmitter that can be used to         
    transmit short square wave pulses from 3.6 to 115.2 kHz. When used       
    in conjunction with the high frequency receiver, the sounder can         
    stimulate resonances in the plasma, most notably at the electron         
    plasma frequency, thereby providing a direct measurement of the          
    electron number density.  The medium frequency receiver (MFR)            
    provides intensity measurements from a single selected antenna over      
    a frequency range from 24 Hz to 12 kHz. This receiver is usually         
    operated in a mode that toggles every 32 seconds between the Ex          
    electric dipole antenna and the Bx magnetic search coil, thereby         
    providing spectral information for both the electric and magnetic        
    components of plasma waves. The low frequency receiver (LFR)             
    provides intensity measurements from 1 Hz to 26 Hz, typically from       
    the Ex electric dipole antenna and the Bx magnetic antenna. The          
    five-channel waveform receiver (WFR) collects simultaneous waveforms     
    from up to five sensors for short intervals in one of two frequency      
    bands, either 1 to 26 Hz, or 3 Hz to 2.5 kHz. When connected to two      
    electric and three magnetic antennas, this receiver provides wave        
    normal measurements of electromagnetic plasma waves. The wideband        
    receiver is designed to provide nearly continuous wideband waveform      
    measurements over a bandwidth of either 60 Hz to 10.5 kHz, or 800 Hz     
    to 75 kHz. These waveforms can be analyzed on the ground in either       
    the temporal domain, or in the frequency domain (Fourier                 
    transformed) to provide high-resolution frequency-time spectrograms.     
    In a special frequency-conversion mode of operation, the high            
    frequency receiver can provide waveforms to the wideband receiver in     
    a 25-kHz bandwidth that is tunable to any frequency between 125 kHz      
    and 16 MHz.                                                              
                                                                             
    The Langmuir probe controller is used to sweep the bias voltage of       
    the probe over a range from -32 to +32 V in order to obtain the          
    current-voltage characteristics of the probe, and thereby the            
    electron density and temperature. The controller can also set the        
    bias voltage on the Eu and Ev monopoles over a range from -10 to +10     
    V in order to operate them in a current collection mode for              
    delta-ne/ne measurements.                                                
                                                                             
    The RPWS data processing unit consists of three processors. The          
    first processor, called the low-rate processor, controls all             
    instrument functions, collects data from the high frequency              
    receiver, the medium frequency receiver, the low frequency receiver,     
    and the Langmuir probe, and carries out all communications with the      
    spacecraft Command and Data System (CDS). The second processor,          
    called the highrate processor, handles data from the wideband and        
    five-channel waveform receivers and passes the data along to the         
    low-rate processor for transmission to the CDS. The third processor,     
    called the data compression processor, is primarily used for data        
    compression, but can also perform specialized operations such as         
    on-board dust detection by using waveforms from the wideband             
    receiver."                                                               
                                                                             
  END_OBJECT              = INSTRUMENT_INFORMATION                           
                                                                             
  OBJECT                  = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                        
    REFERENCE_KEY_ID        = "GURNETTETAL2004"                              
  END_OBJECT              = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                        
                                                                             
END_OBJECT              = INSTRUMENT                                         
                                                                             
END