التواصل مع الجانب الآخر من القمر - تتابع القمر الصناعي "Tseyutsyao" (جسر العقعق)

الشيء الرئيسي في مشروع تقني معقد هو تنظيم اتصال مستقر بين جميع المكونات.

لذلك كان الجزء الأول من مهمة Chang'e-4 هو تنظيم قناة اتصال مع الأجهزة الموجودة على الجانب الآخر من القمر. منذ ستة أشهر ، بدأ عصر الاتصالات اللاسلكية التتابع مع الجانب البعيد من القمر.

كيف تم ذلك ، ما هي البيانات التي يتم إرسالها بين الأجهزة الموجودة على القمر (وحدة الهبوط والجهاز المحمول) والقمر الصناعي المرحل خارج القمر ، وكيف يتم تنظيم التواصل مع مركز عملائي (MCC) على الأرض (عبر مركز الاتصالات الفضائية) بمزيد من التفصيل ومع معدلات البيانات الموضحة هنا.

قناة الاتصال عبارة عن خيط رفيع غير مرئي يربط الجزء الخلفي من القمر والأرض ، والذي يجب أن يكون سهلاً وسهل التنفيذ ، ولكن يمكن الاعتماد عليه أيضًا من حيث فشل العقدة ، لأنه في حالة عدم وجود قناة الاتصال الوحيدة هذه ، سيتم فقد الأجهزة الموجودة على خلفية القمر وتوفيرها أنفسهم (لبعض الوقت ، والأتمتة).


بدأ كل شيء بأسطورة.




مهمة

إحدى المشكلات الرئيسية في دراسة الجانب البعيد من القمر هي المشكلة المرتبطة بتنظيم الاتصالات ، حيث أن الأجهزة الموجودة على الجانب الآخر من القمر ليست متاحة للاتصال مباشرة من الأرض (الجانب العكسي لا يمكن رؤيته مطلقًا من الأرض بسبب ظاهرة التقاط المد والجزر) ، وبالتالي ، لنقل الإشارات) على قناة "الأرض <-> الجانب العكسي للقمر" ، هناك حاجة إلى تتابع القمر الصناعي المنفصل والخاص للاتصال.

باستخدام ترحيل القمر الصناعي ، تم التخطيط لإكمال المهام:

- تنظيم (الأولى في العالم) قناة البيانات "الجانب العكسي للقمر <-> الأرض" ؛

- تنظيم تتبع مركبة نزول Chang'e-4 ونقل البيانات عندما يقوم الجهاز بإجراء مناورات على القمر وإجراءات الهبوط على الجانب الآخر من القمر ؛

- نقل التحكم الكامل بالأجهزة التي تم إطلاقها إلى سطح الجانب القمري من القمر (وحدة Chang'e-4 و Yutu-2) إلى MCC على الأرض باستخدام النظام الفرعي لأمر التعقب والقياس والإرسال (TT&C - النظام الفرعي للتتبع والقياس عن بُعد والقيادة) .

- تلقي البيانات العلمية بشكل مستقل عبر قنوات اتصال منفصلة من وحدة Chang'e-4 و Yutu-2 rover ، أرسل هذه البيانات إلى مركز عملائي على الأرض ؛

- إجراء تجاربهم العلمية (باستخدام مطياف التردد المنخفض على متن الطائرة) ونقل البيانات العلمية التي تم الحصول عليها إلى مركز عملائي على الأرض ؛

- لتصوير كاميرا فضائية على متن الطائرة ونقل الصور إلى مركز عملائي على الأرض ؛

- الحفاظ على قناة البيانات "الجانب العكسي للقمر - الأرض" في وضع التشغيل لمدة 5 سنوات على الأقل بعد أن بدأ القمر الصناعي في العمل في مدار خارج القمر (الحد الأقصى لعمر الخدمة التقديري يصل إلى 10 سنوات) ؛

- تم تصميم برنامج وأجهزة القمر الصناعي للعمل مع المعدات ليس فقط لمشروع Chang'e-4 ، لأن عمر وحدة الإطلاق Chang'e-4 هي سنة واحدة ، وتم تصميم Yutu-2 rover للعمل لمدة ثلاثة أشهر لكنه تضاعف بالفعل هذه المرة تقريبًا ، بحيث سيشارك قمر إعادة الإرسال ، بعد مشروع Chang'e-4 ، في أبحاث جديدة ولتنظيم قنوات اتصال بأجهزة جديدة على الجانب الآخر من القمر.

قرار

تم تطوير قمر صناعي فريد من نوعه ، والذي كان من المقرر وضعه في مدار هالة حول لاغرانج نقطة الأرض-القمر L2 المستقرة للجاذبية ، والتي من خلالها ستحافظ على الرؤية المباشرة مع الأرض والجزء البعيد من القمر في أي وقت ، مع انخفاض في درجة الحرارة يصل إلى 300 درجة مئوية.

لم يكن لدى المهندسين في الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء (CAST) سوى 30 شهرًا لتطوير قمر صناعي مرحل.

في ديسمبر 2015 ، بدأت أعمال التصميم ، بعد عامين تم إنتاج النموذج الأولي النهائي للقمر الصناعي ، والذي تم إعداده بعد الاختبار والاختبار لإطلاقه في الفضاء الخارجي.

عمل فريق الاتصالات الفضائية مع مجموعة من العلماء والمهندسين الذين قاموا بتطوير وبيع السيارات القمرية لمشروع Chang'e-4 - وحدة الهبوط Chang'e-4 و Rover Yutu-2 ، والتي كان التواصل معها هو المهمة الرئيسية لمشروعهم.

في عام 2015 ، كان لدى فريق مهندسي الاتصالات الفضائية التابع للأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء بالفعل خبرة في تطوير السواتل ، ومعدات الاتصالات الفضائية بعيدة المدى وإدارة المركبات الفضائية القمرية:

• 7 نوفمبر 2007 ، تم إطلاق أول قمر صناعي قمري صيني Chang'e-1 ؛
• في 1 أكتوبر 2010 ، تم إطلاق القمر الصناعي Chang'e-2 للأبحاث ، والذي كان يعمل في المدار القمري حتى 9 يوليو 2011 ، ثم تركه للوصول إلى نقطة لاغرانج L2 لنظام الشمس-الأرض (في 1.5 مليون كيلومترات من الأرض) لإجراء تجارب علمية ؛
• وحدة الهبوط Chang'e-3 و Yutu rover ، اللتين هبطتا بنجاح على الجانب المرئي من القمر في 14 ديسمبر 2013 ، ولا تزال وحدة الهبوط Chang'e-3 تتصل بـ MCC على الأرض.

ومع ذلك ، كان لمهندسي الاتصالات في الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء مهلة زمنية صارمة ، ولا يمكن تعطيل مواعيد إطلاق القمر الصناعي المكرر ودخوله إلى مدار العمل ، لأنه في أي حالة طارئة أو تشغيل غير طبيعي لعناصر الأقمار الصناعية - إطلاق مركبة الفضاء Chang'e-4 مع روفر القمر "Yutu-2" على الجانب الآخر من القمر لم يكن ممكنا في الوقت المخطط له ، تأخرت أو حتى ألغيت.

بشكل عام ، كان عام 2018 عامًا مزدحمًا جدًا بالنسبة إلى رجال إشارة الفضاء الصينيين.

لكنهم فعلوا كل شيء - تم تصميم القمر الصناعي المكرر الذي يبلغ طوله 425 كيلوجرام والمسمى "Tseyuqiao" (يُعرف باسم "جسر العقعق") في الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء ، وتم إنتاجه في منشآته الخاصة (كان المهندسون من هولندا متصلين بحمل إضافي علمي مشترك - التثبيت على مكرر الأقمار الصناعية من مطياف التلسكوب ذات التردد المنخفض الخاص) وإطلاقها في الوقت المحدد وبوظائف كاملة.

تم استخدام منصة CAST-100 من الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء لإنشاء القمر الصناعي Tseyuqiao مكرر ، وشارك أخصائيون من الشركة الصينية DFH Satellite Co.، Ltd في تصميمها وإنتاجها. (DFHSat) ، التي تعمل عن كثب مع CAST وتملكها شركة Spacesat China.

تتضمن منصة القمر الصناعي CAST-100:

• نظام تثبيت ثلاثي المحاور ونظام التحكم في الملاحة ونظام المراقبة الحرارية ؛
• محطة توليد مكون واحد تحتوي على 100 كيلوجرام من وقود السيزيوم اللامائي (هيدرازين) ، بقوة إجمالية 130H (نيوتن) ، 12 محركًا - 8 محركات 5H لكل منهما (اثنان لكل جانب من الجوانب السفلية للمكعب) و 4 محركات مركزية لكل منهما 20H ؛
• نظام إمداد الطاقة للأنظمة الموجودة على متن الطائرة التي تتكون من لوحين شمسيين (أقصى طاقة إخراج للبطارية الشمسية حوالي 800 واط) بمساحة 3.8 متر مربع وحزمة بطارية ليثيوم أيون عالية الطاقة تبلغ 45A / ساعة.

الوزن الكلي للقمر الصناعي المكرر هو 425 كجم ، وله شكل مكعبة بحجم 1.4 م × 1.4 م × 0.85 م ، ويتألف جسمه من هيكل شطيرة من قرص العسل من الألومنيوم.

تمت إضافة الأنظمة التالية إلى منصة الأقمار الصناعية CAST-100 كحمولة (أولية وثانوية):

1) الحمل الرئيسي هو تتابع الراديو.

يعمل نظام تكرار الراديو Tseyuqiao Satellite Repeater System في X-band و S-band.

يتم استخدام X-band للتواصل مع وحدة الهبوط Chang'e-4 و Yutu-2 rover - يتم تنظيم أربع قنوات بمعدل نقل البيانات:

• الاتجاه "وحدة rover \ landing <-> ترحيل القمر الصناعي" 256-280 كيلو بايت / ثانية ؛
• الاتجاه "ترحيل القمر الصناعي <-> وحدة التجوال / الهبوط" 125 بت / ثانية.

يستخدم S-band لنقل البيانات إلى الأرض - يتم تنظيم قناة واحدة بمعدل نقل بيانات يبلغ 2 ميغابت / ثانية.

يتم إرسال بيانات القياس عن بُعد TTC & C (USB + VLBI) بسرعة 1000/2048 بت في الثانية.

يتضمن هيكل مرحل الراديو هوائيًا مكافئًا فريدًا يبلغ قطره 4.2 متر ، والذي يفتح مثل المظلة بعد دخول مرحل القمر الصناعي في مدار عمل.

2) حمولة إضافية:

• التلسكوب الراديوي التجريبي منخفض التردد في هولندا (NCLE) بثلاثة هوائيات بطول خمسة أمتار ، مع تسجيل البث الراديوي منخفض التردد من الكون المبكر لدراسة هيكله ؛
• عاكس ليزر ذو زاوية عريضة لقياس المسافة بين مركبة فضائية ومحطة أرضية ، طورته جامعة صن يات صن في مقاطعة قوانغدونغ بجنوب الصين وسيُستخدم لأخذ أطول قياس مسافة ليزر في العالم بين قمر صناعي مكرر ومرصد على الأرض ؛
• كاميرا تم تخطيطها أيضًا لاستخدامها في إطلاق الكويكبات التي تسقط على ظهر القمر ؛
• لإثارة اهتمام الجمهور بمشاريع استكشاف الفضاء واستكشاف القمر ، دعت وكالة الفضاء الصينية (CNSA) الجميع إلى تدوين رغباتهم في استكشاف القمر والفضاء ، ويحمل القمر الصناعي التتابع أسماء عشرات الآلاف من المشاركين في هذا الحدث ورسائلهم.

الحمل العلمي:



إليك كاميرا مثبتة على قمر صناعي مكرر:



مثال لصورة من قمر صناعي مكرر:



عاكس الليزر (الرسم):



مكرر القمر الصناعي "Tseyuqiao":



كيف يتم الكشف عن عناصر القمر الصناعي المكرر (الهوائي والبطاريات والطيف):



مع المهندسين في المختبر (للقياس):



الهوائي (وحدة الهوائي نفسها على اليسار ، مثبتة بالفعل على القمر الصناعي على اليمين):



مفتوح على الاختبارات:



معدات علمية (ثلاثة هوائيات لتلسكوب راديوي منخفض التردد ، يبلغ طول كل منها 5 أمتار):







نسخة من 1 إلى 3 من قمر إعادة الإرسال في متحف الفضاء:





حول هوائي مظلة مكافئ وإنشائها

طور المهندسون في الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء عدة خيارات للهوائي للقمر الصناعي المكرر ، بما في ذلك في شكل مظلة يبلغ قطرها 420 سم في شكل مفتوح.

في تصميم وتصنيع مثل هذا الهوائي وشارك ... تقنيي النسيج وصانعي الساعات.

فقط من خلال العمل المشترك لمهندسي الاتصالات والمتخصصين في صناعة الساعات والنسيج في مختبر الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء ، تمكنوا من حل المهمة الصعبة المتمثلة في تجميع أصغر عناصر الشبكة المعدنية للهوائي وحوافه الـ 18 بحيث يمكن طيها إلى الحجم المناسب للنقل والإطلاق وفي الفضاء الخارجي يمكن أن تستدير مثل مظلة الشاطئ.







عناصر الهوائي تتحمل تغيرات درجة الحرارة لأكثر من 300 درجة مئوية.

تم إجراء عشرات الاختبارات والاختبارات الخاصة بمكونات الهوائي وتجميعها العام في مختبرات مقاعد خاصة تابعة للأكاديمية الصينية لتكنولوجيات الفضاء قبل تثبيتها على قمر صناعي مكرر.

يتضمن الهوائي آلية قيادة خاصة للتحكم في تتبع الاتجاه ، والذي يسمح لك بالتحكم في اتجاه الهوائي في نطاق التصميم بزيادات 0.2 درجة.

تصور لنشر الهوائي في الفضاء الخارجي:



تتأثر عناصر الهوائي بالظروف البيئية ذات درجات الحرارة المنخفضة. ستنخفض درجة حرارة بعض الأضلاع ، وكابلات التوتر ، والشبكات السلكية وغيرها من المكونات على الهوائي إلى ما دون -200 درجة مئوية ، والتي كان لا بد من أخذها في الاعتبار عند إنتاجها.





مشاكل ، ميزانية محدودة للتنمية والإنتاج

أثناء تطوير القمر الصناعي المكرر ، ورث المهندسون قدر الإمكان تصميم نظام الاتصالات Chang'e-3 ، لذلك لم تكن هناك أي مشاكل تقريبًا في تطبيق كتف قناة الاتصال "أجهزة الترحيل عبر الأقمار الصناعية على الجانب البعيد من القمر".

بواسطة القمر الصناعي المكرر ، يتم الجمع بين البيانات المستلمة والمزال تشكيلها من وحدة الهبوط Chang'e-4 و Rover Yutu-2 وفقًا لبروتوكول الاتصالات ونقلها إلى مركز عملائي إلى الأرض عبر نظام اتصال فضاء مباشر.

كانت المشكلة الرئيسية في تنفيذ كتف قناة الاتصال "أجهزة ترحيل القمر الصناعي <-> على الجانب البعيد من القمر" هي أن المسافة القصوى لهذه القناة تبلغ حوالي 80،000 كم ، وأن توهين الإشارة في هذه المسافة يصل إلى 210 ديسيبل. لذلك ، كان على المهندسين أن يجدوا توازنًا بين عرض النطاق الترددي لقناة الاتصال ، والتغيير الديناميكي في مواقع ثلاثة أجهزة (الأقمار الصناعية ، ووحدة الهبوط ، و rover) ، بالإضافة إلى نظام التحكم في قدرة ترحيل الراديو.

كان مخطط العمل الأمثل بالنسبة لهم كما يلي: يتم إرسال بيانات القياس عن بعد من أي أجهزة على السطح إلى القمر الصناعي المكرر ، ولكن يتم تنظيم نقل البيانات العلمية (كميات كبيرة من البيانات) عند توجيه جهازين (هبوط القمر الصناعي أو هبوط القمر الصناعي) وحدة) مستقرة نسبيا ، وقوة جميع الأجهزة كافية لتنظيم قناة مع عرض النطاق الترددي المطلوب.

على سبيل المثال ، يجب تهيئة هوائيات Yutu-2 rover للإشارة إلى قمر مكرر لإرسال واستقبال إشارات التحكم بشكل صحيح ، في حين يجب إمالة الألواح الشمسية الخاصة بالروفر بالشكل الأمثل لتلقي الكثير من أشعة الشمس بحيث تعظيم توليد الطاقة في وقت نقل البيانات.



على كتف قناة الاتصال "ترحيل القمر الصناعي <-> MCC على الأرض" ، بعد دخول مرحل القمر الصناعي في مدار هالة حول نقطة لاغرانج L2 لنظام الأرض-القمر ، تتم معايرة دقة توجيه هوائي الترحيل (المسافة 480،000 كم).

أثناء عملية المعايرة ، يتم توجيه هوائي مرحل قمر التتابع إلى مرصد شنغهاي الفلكي التابع لأكاديمية العلوم الصينية. من الأرض ، يتم تتبع الإشارة باستخدام هوائي أرضي بفتحة تبلغ 65 مترًا. تظهر نتائج الاختبار أن هوائي الترحيل ذي الكسب العالي له انحراف في التوجيه أقل من 0.1 درجة ، وهو ما يلبي متطلبات هذا المشروع.

يجري القمر الصناعي المكرر اختبارًا ذاتيًا يوميًا لأنظمته - حيث يتحقق من الوظائف الرئيسية ومؤشرات الأداء (خصائص تعديل التردد اللاسلكي ، ووقت الاستحواذ ، وتأخير النقل ، وتنسيق البيانات) لنظام الترحيل. يتم إرسال نتائج الاختبار إلى مركز عملائي على الأرض ، حيث يتم تحليلها للتأكد من توافقها مع متطلبات التصميم.

, -, -, - , .

( ) :



, «-4» . — , , , , .

, - (425 ), .

- ? — , , , .

, - ? , , — , .
, 10 .

, - — , , , . , - .

, , 30 « », - .

-:

• - - ;
• - ;
• L2 «-»;
• , «-4» 2018 ;
• «-4» 2018 , «-4» ;
• 3 2019 «-4», ;
• «-4» «-2», .

21 2018 : - «» ( ).

:








:





- «»:







14 2018 : C- «» - L2 «-», 65000 , , .


هذه صورة مأخوذة من قمر Tseyuqiao لإعادة الإرسال:



حيث تكون عناصر القمر والأرض والساتل مرئية:



يمكن أن يظل القمر الصناعي المكرر في مداره لفترة طويلة بسبب انخفاض استهلاك الوقود نسبيًا ، نظرًا لأن جاذبية الأرض والقمر توازن بين حركته المدارية.

كونه في مداره ، يمكن لقمر التتابع "رؤية" الأرض والجزء الخلفي من القمر. من الأرض ، يبدو مدار قمر صناعي مكرر مثل هالة القمر.

طرح مفهوم نشر قمر صناعي مرحلي في مدار هالة لأول مرة من قبل خبراء الفضاء الأمريكيين في الستينيات (المساهمة الرئيسية في حساب مثل هذا المدار قدمه روبرت فاركوهار ، أخصائي تخطيط مهمات ناسا منذ أكثر من 50 عامًا - في عام 1968) ، ولكن تم تنفيذه لأول مرة من قبل مهندسي الفضاء الصينيين فقط في عام 2018.

نقاط تحرير نظام الأرض-القمر:















تنظيم الاتصالات مع وحدة الهبوط Chang'e-4 و Rover Yutu-2

بعد ستة أشهر ، عندما وصل قمر تتابع Tseyuqiao إلى مداره البعيد عن سطح القمر ، بدأت مرحلة العمل الثانية من مشروع Chang'e-4 - إطلاق سفينة الفضاء Chang'e-4 على متن مركبة Yutu-2 القمرية على متنها إلى الفضاء الخارجي.





8 ديسمبر 2018: تم إطلاق صاروخ التعزيز Changzheng-3B مع محطة Chang'e-4 بنجاح من مركز الفضاء سيشان في الصين.

مسار رحلة محطة Chang'e-4:



بعد 110 ساعات ، وصلت محطة Chang'e-4 إلى القمر ودخلت مدارها.

وذلك عندما بدأ أول اختبار قاتل لساتل Tseyuqiao لإعادة الإرسال من خلال تنظيم قناة اتصال مع محطة Chang'e-4 ، عندما حلقت فوق الجانب الآخر من القمر:





أوضاع الاختبار والتشغيل لساتل مكرر Tseyuqiao وجهاز محطة Chang'e-4 (وحدة الهبوط و روفر)



عندما بدأت محطة Chang'e-4 إجراء الهبوط في 3 يناير 2019 ، ثم هنا في مركز عملائي MCC على الأرض ، تحولوا إلى عمل كامل مع القمر الصناعي Tseyuqiao ترحيل لاستقبال القياس عن بعد والصور من وحدة Chang'e-4.

3 يناير 2019: هبوط مركبة Chang'e-4 في فوهة Karman على الجانب الآخر من القمر. تحتوي مركبة الهبوط Chang'e-4 على مركبة القمر الصينية الثانية Yutu-2 ، وهي تناظرية حديثة لسيارة Yutu.

من خلال القمر الصناعي Tseyuqiao لإعادة الإرسال في مركز عملائي على الأرض ، يتم استلام أول صور للجزء البعيد من القمر في منطقة الهبوط ، بالإضافة إلى الآلاف من الإطارات من كاميرا الهبوط في Chang'e-4 ، مما أدى إلى الجمع بين هذا الفيديو الرائع الذي حصل على الجانب البعيد من القمر:

فيديو لعملية الهبوط على الجانب الآخر من القمر:


بعد الانتهاء من جميع مراحل إجراءات الهبوط الناجحة وتثبيت قنوات اتصال مستقلة مع أجهزة Chang'e-4 (وحدة الهبوط وروفر) ، بدأ عصر استكشاف الجانب البعيد من القمر.





ولكن كل هذا لم يكن ممكناً بدون قمر تتابع Tseyuqiao ونظام الاتصالات الذي تم تنظيمه بمساعدة:





خطة تنظيم الاتصالات لمشروع Chang'e-4:







يتم إرسال بيانات القياس عن بُعد من وحدة الهبوط Chang'e-4 وجهاز Yutu-2 القمري إلى قمر Tseyuqiao للتتابع ، الذي يقوم بعد ذلك بنقلها إلى الأرض في مركز Beijing Aerospace Control Center ، ثم إلى مركز عملائي MCC ، مما يؤدي إلى تأخير في تلقي البيانات بواسطة المشغلين على الأرض تصل إلى دقيقتين إلى ثلاث دقائق.

في مركز الاتصالات الفضائية:





في مركز مراقبة الطيران التابع للأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء:







سؤال: هل يمكن نقل البث المباشر من سطح الجانب الآخر من القمر بمساعدة مكرر القمر الصناعي Tseyuqiao؟

الإجابة: من الناحية النظرية ، هذا ممكن ، لكن قنوات الاتصال الحالية لا يمكن أن تفي بمتطلبات دفق الفيديو في الوقت الحقيقي.

تبذل الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء كل ما في وسعها حتى يعمل القمر الصناعي المكرر لأطول فترة ممكنة ، ويوفر الاتصالات المستقبلية لتحقيقات وأجهزة من دول أخرى إذا كانوا يعتزمون استكشاف الجزء الخلفي من القمر أثناء حياة القمر الصناعي.

هذا مشروع علمي سلمي ، يمكن للجميع الانضمام إليه.

علاوة على ذلك ، خلال مناورات القمر الصناعي المكرر لتحقيق مدار عملهم ، تمكن مهندسو الأكاديمية الصينية لتكنولوجيات الفضاء من تحسين عدد المناورات بواسطة المحركات ، مما وفر 16.8 كجم من الوقود ، والتي يمكن استخدامها الآن لاحقًا إذا لزم الأمر لتصحيح مداره وتمديده خدمة الحياة.



لفهم أنه ستظل هناك دراسات جديدة حول القمر - كوكبة الأقمار الصناعية العلمية الحالية في 5 مايو 2019 .