Communication avec la face cachée de la lune - relais satellite "Tseyutsyao" (pont Magpie)

L'essentiel dans un projet technique complexe est d'organiser une connexion stable entre tous les composants.

Ainsi, la première partie de la mission Chang'e-4 a été l'organisation d'un canal de communication avec les appareils de l'autre côté de la lune. Il y a six mois, l'ère des communications radio relais a commencé avec la face cachée de la lune.

Comment cela a été fait, quelles données sont transmises entre les appareils sur la lune (le module d'atterrissage et le rover) et le satellite relais au-delà de la lune, comment la communication avec le MCC sur Terre (via le centre de communication spatial) est davantage organisée et avec quels débits de données sont décrits ici.

Le canal de communication est un mince fil invisible reliant l'arrière de la Lune et la Terre, qui devrait être facile et facile à mettre en œuvre, mais aussi fiable en termes de défaillances de nœuds, car en l'absence de ce seul canal de communication, les appareils à l'arrière de la Lune seront perdus et fournis eux-mêmes (depuis un certain temps, l'automatisation).


Tout a commencé avec une légende.




Défi

L'un des principaux problèmes de l'étude de l'autre côté de la lune est le problème associé à l'organisation des communications, car les appareils situés de l'autre côté de la lune ne sont pas disponibles pour communiquer directement depuis la Terre (le verso n'est jamais visible depuis la Terre en raison du phénomène de capture des marées), donc, pour transmettre des signaux sur le canal "Terre <-> le verso de la lune" un relais satellite séparé et spécial est nécessaire pour la communication.

À l'aide du relais satellite, il était prévu de réaliser les tâches:

- organiser (le premier au monde) le canal de données "l'envers de la lune <-> Terre";

- organiser le suivi du véhicule de descente de Chang'e-4 et la transmission des données lorsque l'appareil effectue des manœuvres lunaires et la procédure d'atterrissage de l'autre côté de la lune;

- transfert au MCC sur Terre du contrôle total des appareils lancés à la surface du côté lunaire de la Lune (module Chang'e-4 et rover Yutu-2) en utilisant les sous-systèmes de suivi, télémétrie et commande de transmission (TT&C - sous-système de suivi, télémétrie et commande) ;

- recevoir des données scientifiques indépendamment via des canaux de communication séparés du module Chang'e-4 et du rover Yutu-2, envoyer ces données au MCC sur Terre;

- mener leurs propres expériences scientifiques (à l'aide d'un spectromètre basse fréquence embarqué) et transmettre les données scientifiques obtenues au MCC sur Terre;

- pour filmer une caméra spatiale embarquée et transférer des photos vers le MCC sur Terre;

- maintenir le canal de données «l'envers de la Lune-Terre» en mode opérationnel pendant au moins 5 ans après que le satellite a commencé à fonctionner en orbite au-delà de la Lune (la durée de vie utile maximale estimée peut atteindre 10 ans);

- le logiciel et le matériel du satellite sont conçus pour fonctionner avec des équipements non seulement pour un projet Chang'e-4, car la durée de vie du module de lancement Chang'e-4 est d'un an et le rover Yutu-2 est conçu pour fonctionner pendant trois mois mais il a déjà presque doublé cette fois, de sorte que le satellite répéteur, après la fin du projet Chang'e-4, sera davantage impliqué dans de nouvelles recherches et dans l'organisation de canaux de communication avec de nouveaux appareils de l'autre côté de la lune.

Solution

Un satellite répéteur unique a été développé, qui devait être placé en orbite halo autour du point spécial Lagrange Terre-Lune L2 stable à la gravitation, à partir duquel il maintiendra une visibilité directe avec la Terre et la face cachée de la lune à tout moment, malgré une chute de température pouvant atteindre 300 degrés Celsius.

Les ingénieurs de l'Académie chinoise des technologies spatiales (CAST) n'avaient que 30 mois pour développer un satellite relais.

En décembre 2015, les travaux de conception ont commencé, deux ans plus tard, le prototype final du satellite a déjà été produit, qui, après des tests et des tests, a été préparé pour le lancement dans l'espace.

L'équipe de communication spatiale a travaillé avec un groupe de scientifiques et d'ingénieurs qui ont développé et vendu des véhicules lunaires pour le projet Chang'e-4 - le module d'atterrissage Chang'e-4 et le rover Yutu-2, dont la communication était la tâche principale de leur projet.

En 2015, l'équipe d'ingénieurs en communications spatiales de l'Académie chinoise des technologies spatiales avait déjà de l'expérience dans le développement de satellites, d'équipements de communication spatiale à longue portée et dans la gestion d'engins spatiaux lunaires:

• Le 7 novembre 2007, le premier satellite lunaire chinois Chang'e-1 a été lancé;
• Le 1er octobre 2010, le satellite de recherche Chang'e-2 a été lancé, qui a travaillé sur l'orbite lunaire jusqu'au 9 juillet 2011, puis l'a quitté pour atteindre le point Lagrange L2 du système Soleil-Terre (en 1,5 million kilomètres de la Terre) pour mener des expériences scientifiques;
• Le module d'atterrissage de Chang'e-3 et le rover Yutu, qui ont été posés avec succès sur le côté visible de la lune le 14 décembre 2013, tandis que le module d'atterrissage de Chang'e-3 communique toujours avec le MCC sur Terre.

Cependant, les ingénieurs en communication de l'Académie chinoise des technologies spatiales avaient un délai serré, les dates de lancement du satellite relais et son entrée sur l'orbite de travail n'ont pas pu être perturbées, car en cas d'urgence ou de fonctionnement anormal des éléments du satellite - le lancement du vaisseau spatial Chang'e-4 avec le rover lunaire "Yutu-2" de l'autre côté de la lune ne serait pas possible à l'heure prévue, retardée ou même annulée.

En général, 2018 a été une année très chargée pour les signaleurs spatiaux chinois.

Mais ils ont tout fait - le satellite répéteur de 425 kilogrammes appelé «Tseyuqiao» (traduit par «Le pont Magpie») à l'Académie chinoise des technologies spatiales conçu, produit dans ses propres installations (des ingénieurs néerlandais ont été connectés pour une charge scientifique supplémentaire conjointe - installation sur le satellite-répéteur d'un télescope-spectromètre basse fréquence spécial) et lancé à l'heure prévue et avec toutes les fonctionnalités.

La plate-forme CAST-100 de l'Académie chinoise des technologies spatiales a été utilisée pour créer le satellite répéteur Tseyuqiao. Des spécialistes de la société chinoise DFH Satellite Co., Ltd ont été impliqués dans sa conception et sa production. (DFHSat), qui travaille en étroite collaboration avec CAST et appartient à China Spacesat.

La plateforme satellite CAST-100 comprend:

• système de stabilisation à trois axes, système de contrôle de la navigation, système de surveillance thermique;
• centrale électrique à un composant avec 100 kg de césium anhydre (hydrazine), avec une poussée totale de 130 H (Newtons), 12 moteurs - 8 moteurs de 5 N chacun (deux de chaque côté inférieur du cube) et 4 moteurs centraux de 20 N chacun;
• un système d'alimentation électrique pour les systèmes embarqués composé de deux panneaux solaires (la puissance de sortie maximale de la batterie solaire est d'environ 800 W) d'une superficie de 3,8 m2 et d'une batterie lithium-ion haute énergie de 45A / h.

Le poids total du satellite répéteur est de 425 kg, il a une forme cuboïde avec une taille de 1,4 m × 1,4 m × 0,85 m, son corps est constitué d'une structure sandwich en nid d'abeille en aluminium.

Les systèmes suivants ont été ajoutés à la plate-forme satellite CAST-100 en tant que charge utile (primaire et secondaire):

1) la charge principale est un relais radio.

Le système de répéteur radio par répéteur satellite Tseyuqiao fonctionne dans les bandes X et S.

La bande X est utilisée pour communiquer avec le module d'atterrissage Chang'e-4 et le rover Yutu-2 - quatre canaux sont organisés avec un taux de transfert de données:

• direction "rover \ module d'atterrissage <-> relais satellite" 256-280 kilobits / s;
• direction «satellite-relais <-> module mobile / atterrisseur» 125 bit / s.

La bande S est utilisée pour transmettre des données à la Terre - un canal est organisé avec un taux de transfert de données de 2 mégabits / s.

Les données de télémétrie TTC & C (USB + VLBI) sont transmises à une vitesse de 1000/2048 bps.

La structure du relais radio comprend une antenne parabolique unique d'un diamètre de 4,2 mètres, qui s'ouvre comme un parapluie après que le relais satellite est entré sur une orbite de travail.

2) charge supplémentaire:

• Le radiotélescope expérimental à basse fréquence des Pays-Bas (NCLE) avec trois antennes de cinq mètres, avec lequel les émissions radio à basse fréquence du premier univers seront enregistrées pour étudier sa structure;
• Un réflecteur laser grand angle pour mesurer la distance entre un vaisseau spatial et une station au sol, développé par l'Université Sun Yat-sen dans la province du Guangdong dans le sud de la Chine et sera utilisé pour prendre la mesure de distance laser la plus longue au monde entre un satellite relais et un observatoire sur Terre;
• un appareil photo qui devrait également être utilisé pour tirer des astéroïdes tombant sur le dos de la lune;
• Pour intéresser le public aux projets d'exploration spatiale et d'exploration lunaire, l'Agence spatiale chinoise (CNSA) a invité chacun à écrire ses souhaits d'exploration lunaire et spatiale, et le satellite relais porte les noms de dizaines de milliers de participants à cet événement et leurs messages.

Charge scientifique:



Voici une caméra montée sur un satellite répéteur:



Un exemple de photographie d'un satellite répéteur:



Réflecteur laser (dessin):



Satellite répéteur «Tseyuqiao»:



Comment les éléments du satellite répéteur (antenne, piles et spectromètre) sont-ils révélés:



Avec des ingénieurs en laboratoire (pour l'échelle):



Antenne (antenne elle-même à gauche, déjà installée sur le satellite à droite):



Ouvert aux tests:



Matériel scientifique (trois antennes d'un radiotélescope basse fréquence, à l'état glissant, chacune mesure 5 mètres de long):







Une copie 1 à 3 du satellite répétiteur du musée de l'espace:





À propos de l'antenne parapluie parapluie et sa création

Les ingénieurs de l'Académie chinoise des technologies spatiales ont développé plusieurs options d'antenne pour le satellite répéteur, y compris sous la forme d'un parapluie d'un diamètre de 420 centimètres sous forme ouverte.

Dans la conception et la fabrication d'une telle antenne ont été impliqués ... les technologues textiles et les horlogers.

Ce n'est que grâce au travail conjoint d'ingénieurs en communication et de spécialistes de l'industrie horlogère et textile dans le laboratoire de l'Académie chinoise des technologies spatiales ont pu résoudre la tâche difficile de regrouper les plus petits éléments du treillis métallique de l'antenne et ses 18 bords afin qu'elle puisse être pliée à la bonne taille pour le transport et le lancement , et dans l'espace, elle pouvait se retourner comme un parasol.







Les éléments d'antenne résistent aux changements de température de plus de 300 degrés Celsius.

Des dizaines de tests et de programmes de test pour les composants d'antenne et son assemblage général ont été effectués dans des laboratoires de bancs spéciaux de l'Académie chinoise des technologies spatiales avant d'être installés sur un satellite répéteur.

L'antenne comprend un mécanisme d'entraînement spécial pour contrôler le suivi de la direction, ce qui vous permet de contrôler la direction de l'antenne dans la plage de conception par incréments de 0,2 °.

Visualisation du déploiement de l'antenne dans l'espace:



Les éléments d'antenne sont affectés par les conditions environnementales à basse température. La température de certaines nervures, câbles de tension, treillis métallique et autres composants sur l'antenne tombera en dessous de -200 ° C, ce qui devait être pris en compte dans sa production.





Problèmes, budget limité pour le développement et la production

Au cours du développement du satellite répéteur, les ingénieurs ont autant que possible hérité de la conception du système de télécommunication Chang'e-3, il n'y a donc eu pratiquement aucun problème dans la mise en œuvre de l'épaule des dispositifs de «relais satellite <-> de l'autre côté de la Lune».

Par le satellite répéteur, les données reçues et démodulées du module d'atterrissage Chang'e-4 et du rover Yutu-2 sont combinées conformément au protocole de communication et transmises au MCC vers la Terre via un système de communication spatiale direct.

Le principal problème dans la mise en œuvre de l'épaule du canal de communication "Dispositifs à relais satellite <-> de l'autre côté de la Lune" était que la distance maximale de ce canal est d'environ 80 000 km et que l'atténuation du signal à cette distance atteint 210 dB. Par conséquent, les ingénieurs ont dû trouver un équilibre entre la bande passante du canal de communication, le changement dynamique des positions de trois appareils (satellite, module d'atterrissage et mobile), ainsi que le système de contrôle de puissance du relais radio.

Le schéma de travail optimal pour eux était le suivant: les données de télémétrie sont transmises à n'importe quelle distance des appareils en surface au satellite répéteur, mais le transfert de données scientifiques (grandes quantités de données) est organisé lorsque l'orientation de deux appareils (satellite-rover ou satellite-landing) module) est relativement stable et la puissance de tous les appareils est suffisante pour organiser un canal avec la bande passante requise.

Par exemple, les antennes du rover Yutu-2 doivent être configurées pour pointer vers un satellite répéteur pour envoyer et recevoir correctement les signaux de commande, tandis que les panneaux solaires du rover doivent être inclinés de manière optimale pour recevoir beaucoup de lumière solaire afin que maximiser la production d'énergie au moment du transfert de données.



Dans l'épaule du canal de communication «Satellite-relais <-> MCC sur Terre», une fois que le satellite-relais est entré dans une halo-orbite autour du point Lagrange L2 du système Terre-Lune, la précision du pointage de l'antenne relais est calibrée (la distance est de 480 000 km).

Pendant le processus d'étalonnage, l'antenne relais du satellite relais est dirigée vers l'Observatoire astronomique de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences. Depuis la Terre, le signal est suivi à l'aide d'une antenne au sol avec une ouverture de 65 mètres. Les résultats des tests montrent que l'antenne relais à gain élevé présente un écart de pointage inférieur à 0,1 °, ce qui répond aux exigences de ce projet.

Le satellite répéteur effectue un auto-test quotidien de ses systèmes - il vérifie les fonctions clés et les indicateurs de performance (caractéristiques de modulation RF, temps d'acquisition, délai de transfert et format de données) du système relais. Les résultats des tests sont envoyés au MCC sur Terre, où ils sont analysés pour vérifier leur conformité aux exigences de conception.

, -, -, - , .

( ) :



, «-4» . — , , , , .

, - (425 ), .

- ? — , , , .

, - ? , , — , .
, 10 .

, - — , , , . , - .

, , 30 « », - .

-:

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

21 2018 : - «» ( ).

:








:





- «»:







14 2018 : C- «» - L2 «-», 65000 , , .


Voici une photo prise depuis le satellite répéteur Tseyuqiao:



Où la Lune, la Terre et les éléments satellites sont visibles:



Le satellite répéteur peut rester longtemps sur son orbite en raison de la consommation de carburant relativement faible, car la gravité de la Terre et de la Lune équilibre son mouvement orbital.

Étant sur son orbite, le satellite relais peut «voir» à la fois la Terre et l'arrière de la Lune. Depuis la Terre, l'orbite d'un satellite répéteur ressemble à un halo de lune.

Le concept de déploiement d'un satellite relais en orbite halo a été proposé pour la première fois par des experts spatiaux américains dans les années 1960 (la contribution principale au calcul d'une telle orbite a été apportée par Robert Farquhar, spécialiste de la planification de mission de la NASA il y a plus de 50 ans - en 1968), mais a été mise en œuvre pour la première fois par les ingénieurs spatiaux chinois uniquement en 2018.

Points de libration du système Terre-Lune:















Organisation de la communication avec le module d'atterrissage Chang'e-4 et le rover Yutu-2

Six mois plus tard, alors que le satellite relais Tseyuqiao atteignait son orbite de travail au-delà de la lune, la deuxième phase de travail du projet Chang'e-4 a commencé - le lancement du vaisseau spatial Chang'e-4 avec le rover lunaire Yutu-2 à bord dans l'espace.





8 décembre 2018: la fusée d'appoint Changzheng-3B avec la station Chang'e-4 a été lancée avec succès depuis le centre spatial de Sichan en Chine.

La trajectoire de vol de la station Chang'e-4:



Après 110 heures, la station Chang'e-4 a atteint la lune et est entrée sur son orbite.

C'est à ce moment que les premiers tests de combat du satellite répéteur Tseyuqiao ont commencé par l'organisation d'un canal de communication avec la station Chang'e-4, quand il a survolé la face cachée de la lune:





Modes de test et de fonctionnement du satellite répéteur Tseyuqiao et de l'appareil de la station Chang'e-4 (module de descente et mobile)



Lorsque la station Chang'e-4 a commencé la procédure d'atterrissage le 3 janvier 2019, puis ici au MCC sur Terre, ils sont passés à un travail à part entière avec le satellite relais Tseyuqiao pour recevoir la télémétrie et des photos du module Chang'e-4.

3 janvier 2019: l'atterrisseur Chang'e-4 atterrit dans le cratère Karman de l'autre côté de la lune. L'atterrisseur Chang'e-4 contient le deuxième rover lunaire chinois Yutu-2, un analogue modernisé du rover Yutu.

Les premières images de l'autre côté de la lune dans la zone d'atterrissage, ainsi que des milliers d'images de la chambre d'atterrissage de l'engin de débarquement Chang'e-4, qui se combinent pour produire une si merveilleuse vidéo d'atterrissage sur l'autre côté de la lune, sont reçues via le relais satellite Tseyuqiao du MCC sur Terre.

Vidéo de la procédure d'atterrissage de l'autre côté de la lune:


Après avoir terminé toutes les étapes de la procédure d'atterrissage réussie et installé des canaux de communication indépendants avec les véhicules Chang'e-4 (le module d'atterrissage et le rover), l'ère de l'exploration de l'autre côté de la lune a commencé.





Mais tout cela n'aurait pas été possible sans le satellite relais Tseyuqiao et le système de communication organisé à l'aide de celui-ci:





Schéma d'organisation de la communication du projet Chang'e-4:







Les données de télémétrie du module d'atterrissage Chang'e-4 et du rover lunaire Yutu-2 sont transmises au satellite relais Tseyuqiao, qui les transmet ensuite à la Terre au Centre de contrôle aérospatial de Pékin, puis au MCC, ce qui retarde la réception des données par les opérateurs sur Terre jusqu'à deux à trois minutes.

Au centre des communications spatiales:





Au centre de contrôle de vol de l'Académie chinoise des technologies spatiales:







Question: Est-il possible de transmettre en direct depuis la surface de la face cachée de la lune à l'aide du répéteur du satellite Tseyuqiao?

Réponse: Théoriquement, cela est possible, mais les canaux de communication actuels ne peuvent pas répondre aux exigences de streaming vidéo en temps réel.

L’Académie chinoise des technologies spatiales fait tout son possible pour que le satellite répéteur puisse fonctionner aussi longtemps que possible, fournissant des communications futures aux sondes et aux appareils d’autres pays s’ils ont l’intention d’explorer le fond de la lune pendant la vie du satellite.

Il s'agit d'un projet scientifique pacifique auquel tout le monde peut participer.

De plus, lors des manœuvres du satellite répétiteur pour atteindre son orbite de travail, les ingénieurs de l'Académie chinoise des technologies spatiales ont réussi à optimiser le nombre de manœuvres par les moteurs, ce qui a permis d'économiser 16,8 kg de carburant, qui peut désormais être utilisé plus tard si nécessaire pour corriger son orbite et étendre durée de vie.



Pour comprendre qu'il y aura encore de nouvelles études sur la Lune - l' actuelle constellation de satellites scientifiques le 5 mai 2019 .