Comunicação com o outro lado da lua - retransmissão por satélite "Tseyutsyao" (ponte Magpie)

O principal em um projeto técnico complexo é organizar uma conexão estável entre todos os componentes.

Portanto, a primeira parte da missão Chang'e-4 foi a organização de um canal de comunicação com os dispositivos do outro lado da lua. Seis meses atrás, a era das comunicações via rádio com retransmissão começou com o outro lado da lua.

Como isso foi feito, quais dados são transmitidos entre os dispositivos na lua (o módulo de pouso e o rover) e o satélite de retransmissão além da lua, como a comunicação com o MCC na Terra (através do centro de comunicação espacial) é organizada ainda mais e com quais taxas de dados são descritas aqui.

O canal de comunicação é um fino fio invisível que conecta a parte traseira da Lua e a Terra, que deve ser fácil e fácil de implementar, mas também confiável em termos de falhas nos nós, pois, na ausência desse único canal de comunicação, os dispositivos na parte traseira da Lua serão perdidos e fornecidos eles mesmos (por algum tempo, automação).


Tudo começou com uma lenda.




Desafio

Um dos principais problemas no estudo do lado oposto da lua é o problema associado à organização das comunicações, uma vez que os dispositivos do lado oposto da lua não estão disponíveis para comunicação direta da Terra (o lado reverso nunca é visível da Terra devido ao fenômeno da captura de marés), portanto, para transmitir sinais no canal "Terra <-> do lado oposto da lua", é necessário um relé de satélite separado e especial para a comunicação.

Usando o relé de satélite, foi planejado concluir as tarefas:

- organizar (o primeiro do mundo) canal de dados "o verso da lua <-> Terra";

- organizar o rastreamento do veículo de descida Chang'e-4 e a transmissão de dados quando o aparelho realizar manobras lunares e o procedimento de pouso no lado oposto da lua;

- transferir para o MCC na Terra o controle total dos dispositivos lançados na superfície do lado lunar da Lua (o módulo Chang'e-4 e o veículo espacial Yutu-2) usando os subsistemas de rastreamento, telemetria e comando de transmissão (TT&C - subsistema de rastreamento, telemetria e comando) ;

- receba dados científicos de maneira independente por meio de canais de comunicação separados do módulo Chang'e-4 e do veículo espacial Yutu-2, envie esses dados para o MCC na Terra;

- conduzir seus próprios experimentos científicos (usando um espectrômetro de baixa frequência a bordo) e transmitir os dados científicos obtidos ao MCC na Terra;

- fotografar câmera espacial a bordo e transferir fotos para o MCC na Terra;

- manter o canal de dados “o lado reverso da Lua-Terra” em modo operacional por pelo menos 5 anos após o satélite começar a operar em órbita além da Lua (a vida útil máxima estimada é de até 10 anos);

- o software e o hardware do satélite foram projetados para funcionar com equipamentos, não apenas para um projeto Chang'e-4, já que a vida útil do módulo de lançamento Chang'e-4 é de um ano, e o rover Yutu-2 foi projetado para funcionar por três meses mas já quase dobrou desta vez, para que o satélite repetidor, após o final do projeto Chang'e-4, se envolva ainda mais em novas pesquisas e na organização de canais de comunicação com novos dispositivos no outro lado da lua.

Solução

Um satélite repetidor exclusivo foi desenvolvido, que foi planejado para ser colocado em órbita de halo em torno do ponto Lagrange Terra-Lua L2 especial estável gravitacionalmente, a partir do qual manterá visibilidade direta com a Terra e o lado mais distante da lua a qualquer momento, suportando uma queda de temperatura de até 300 graus Celsius.

Os engenheiros da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial (CAST) tiveram apenas 30 meses para desenvolver um satélite de revezamento.

Em dezembro de 2015, começaram os trabalhos de design; dois anos depois, o protótipo final do satélite já havia sido produzido e, após testes e testes, estava preparado para o lançamento no espaço sideral.

A equipe de comunicações espaciais trabalhou em conjunto com um grupo de cientistas e engenheiros que desenvolveram e venderam veículos lunares para o projeto Chang'e-4 - o módulo de pouso Chang'e-4 e o veículo espacial Yutu-2, cuja comunicação foi a principal tarefa do projeto.

Em 2015, a equipe de engenheiros de comunicações espaciais da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial já possuía experiência no desenvolvimento de satélites, equipamentos de comunicações espaciais de longo alcance e no gerenciamento de naves lunares:

• Em 7 de novembro de 2007, foi lançado o primeiro satélite lunar chinês Chang'e-1;
• Em 1º de outubro de 2010, foi lançado o satélite de pesquisa Chang'e-2, que funcionava em órbita lunar até 9 de julho de 2011, e então o deixou para atingir o ponto Lagrange L2 do sistema Sol-Terra (em 1,5 milhão quilômetros da Terra) para a realização de experimentos científicos;
• O módulo de pouso Chang'e-3 e o Yutu rover, que foram pousados ​​com sucesso no lado visível da lua em 14 de dezembro de 2013, enquanto o módulo de pouso Chang'e-3 ainda está se comunicando com o MCC na Terra.

No entanto, os engenheiros de comunicação da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial tinham um prazo apertado, as datas de lançamento do satélite repetidor e sua entrada na órbita de trabalho não podiam ser interrompidas, já que em qualquer operação de emergência ou anormal dos elementos do satélite - o lançamento da espaçonave Chang'e-4 com o veículo espacial lunar "Yutu-2" do outro lado da lua não seria possível no horário planejado, atrasado ou mesmo cancelado.

Em geral, 2018 foi um ano muito movimentado para os sinalizadores espaciais chineses.

Mas eles fizeram tudo - o satélite repetidor de 425 kg chamado “Tseyuqiao” (traduzido como “A Ponte Magpie”) na Academia Chinesa de Tecnologia Espacial foi projetado, fabricado em suas próprias instalações (engenheiros da Holanda estavam conectados para uma carga científica adicional conjunta - instalação no repetidor de satélite de um espectrômetro-telescópio especial de baixa frequência) e lançado no horário programado e com todas as funcionalidades.

A plataforma CAST-100 da Academia Chinesa de Tecnologias Espaciais foi usada para criar o satélite repetidor Tseyuqiao e especialistas da empresa chinesa DFH Satellite Co., Ltd estiveram envolvidos em seu design e produção. (DFHSat), que trabalha em estreita colaboração com a CAST e é de propriedade da China Spacesat.

A plataforma de satélite CAST-100 inclui:

• sistema de estabilização de três eixos; sistema de controle de navegação; sistema de monitoramento térmico;
• usina de um componente com 100 kg de combustível anidro de césio (hidrazina), com um empuxo total de 130H (Newtons), 12 motores - 8 motores de 5H cada (dois para cada um dos lados inferiores do cubo) e 4 motores centrais de 20H cada;
• um sistema de fonte de alimentação a bordo composto por dois painéis solares (a potência máxima de saída da bateria solar é de cerca de 800 W) de 3,8 m2 e uma bateria de íons de lítio e alta energia de 45A / h.

O peso total do satélite repetidor é de 425 kg, tem uma forma cubóide com um tamanho de 1,4 m × 1,4 m × 0,85 m; seu corpo é composto por uma estrutura em sanduíche de favo de mel em alumínio.

Os seguintes sistemas foram adicionados à plataforma de satélite CAST-100 como uma carga útil (primária e secundária):

1) a carga principal é um relé de rádio.

O sistema repetidor de rádio repetidor de satélite Tseyuqiao opera nas bandas X e S.

A banda X é usada para se comunicar com o módulo de pouso Chang'e-4 e o rover Yutu-2 - quatro canais são organizados com uma taxa de transferência de dados:

• direção "rover \ módulo de aterrissagem <-> satélite-relé" 256-280 kilobits / s;
• direção “relé de satélite <-> módulo rover / pouso” 125 bit / s.

A banda S é usada para transmitir dados para a Terra - um canal é organizado com uma taxa de transferência de dados de 2 megabits / s.

Os dados de telemetria TTC & C (USB + VLBI) são transmitidos a uma velocidade de 1000/2048 bps.

A estrutura do relé de rádio inclui uma antena parabólica exclusiva com um diâmetro de 4,2 metros, que se abre como um guarda-chuva depois que o relé de satélite entra em uma órbita ativa.

2) carga adicional:

• Rádio Telescópio Experimental de Baixa Freqüência da Holanda (NCLE) com três antenas de cinco metros, com as quais serão registradas emissões de rádio de baixa frequência do Universo primitivo para estudar sua estrutura;
• Um refletor a laser de grande angular para medir a distância entre uma espaçonave e uma estação terrestre, desenvolvido pela Universidade Sun Yat-sen, na província de Guangdong, no sul da China, e será usado para fazer a medição de distância a laser mais longa do mundo entre um satélite de relé e um observatório na Terra;
• uma câmera que também está planejada para ser usada para fotografar asteróides que caem no fundo da lua;
• Para interessar o público em projetos de exploração espacial e exploração da lua, a Agência Espacial da China (CNSA) convidou todos a anotar seus desejos para a exploração da lua e do espaço, e o satélite de retransmissão carrega os nomes de dezenas de milhares de participantes deste evento e suas mensagens.

Carga científica:



Aqui está uma câmera montada em um satélite repetidor:



Um exemplo de uma fotografia de um satélite repetidor:



Refletor a laser (desenho):



Satélite Repetidor "Tseyuqiao":



Como são revelados os elementos do satélite repetidor (antena, baterias e espectrômetro):



Com engenheiros em laboratório (por escala):



Antena (unidade da antena à esquerda, já instalada no satélite à direita):



Aberto nos testes:



Equipamento científico (três antenas de um radiotelescópio de baixa frequência, no estado deslizante, cada uma com 5 metros de comprimento):







Uma cópia de 1 a 3 do satélite repetidor no museu espacial:





Sobre a antena parabólica e sua criação

Os engenheiros da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial desenvolveram várias opções de antena para o satélite repetidor, inclusive na forma de um guarda-chuva com um diâmetro de 420 centímetros em formato aberto.

No projeto e fabricação de tal antena estavam envolvidos ... tecnólogos e relojoeiros têxteis.

Somente pelo trabalho conjunto de engenheiros de comunicação e especialistas da indústria de relógios e têxtil no laboratório da Academia Chinesa de Tecnologias Espaciais foram capazes de resolver a difícil tarefa de agrupar os menores elementos da malha de metal da antena e suas 18 arestas para que ela pudesse ser dobrada no tamanho certo para transporte e lançamento , e no espaço sideral ela podia se virar como um guarda-sol.







Os elementos da antena suportam mudanças de temperatura superiores a 300 graus Celsius.

Dezenas de testes e programas de teste para componentes de antenas e sua montagem geral foram realizados em laboratórios especiais de bancada da Academia Chinesa de Tecnologias Espaciais antes de serem instalados em um satélite repetidor.

A antena inclui um mecanismo de acionamento especial para controlar o rastreamento de direção, que permite controlar a direção da antena no intervalo de projeto em incrementos de 0,2 °.

Visualização da implantação da antena no espaço sideral:



Os elementos da antena são afetados pelas condições ambientais de baixa temperatura. A temperatura de algumas nervuras, cabos de tensão, malha de arame e outros componentes da antena cairá abaixo de -200 ° C, o que teve que ser levado em consideração em sua produção.





Problemas, orçamento limitado para desenvolvimento e produção

Durante o desenvolvimento do satélite repetidor, os engenheiros herdaram, tanto quanto possível, o design do sistema de telecomunicações Chang'e-3, de modo que quase não houve problemas na implementação do ombro dos canais de "relés de satélite <-> no lado oposto da lua".

Pelo satélite repetidor, os dados recebidos e desmodulados do módulo de pouso Chang'e-4 e do rover Yutu-2 são combinados de acordo com o protocolo de comunicação e transmitidos ao MCC para a Terra através de um sistema de comunicação espacial direta.

O principal problema na implementação do ombro do canal de comunicação "Dispositivos de relé de satélite <-> do outro lado da Lua" era que a distância máxima desse canal é de cerca de 80.000 km e a atenuação do sinal nessa distância atinge 210 dB. Portanto, os engenheiros tiveram que encontrar um equilíbrio entre a largura de banda do canal de comunicação, a mudança dinâmica nas posições de três dispositivos (satélite, módulo de pouso e rover), bem como o sistema de controle de potência do relé de rádio.

O esquema de trabalho ideal para eles foi o seguinte: os dados de telemetria são transmitidos a qualquer distância dos dispositivos na superfície para o satélite repetidor, mas a transferência de dados científicos (grandes quantidades de dados) é organizada quando a orientação de dois dispositivos (rover satélite ou pouso por satélite) módulo) é relativamente estável e a energia de todos os dispositivos é suficiente para organizar um canal com a largura de banda necessária.

Por exemplo, as antenas rover Yutu-2 precisam ser configuradas para apontar para um satélite repetidor para enviar e receber corretamente sinais de controle, enquanto os painéis solares do rover devem ser idealmente inclinados para receber muita luz do sol para que maximizar a geração de energia no momento da transferência de dados.



No ombro do canal de comunicação "Satélite-relé <-> MCC na Terra", depois que o satélite entra em uma órbita de halo em torno do ponto Lagrange L2 do sistema Terra-Lua, a precisão de apontar a antena do relé é calibrada (a distância é de 480.000 km).

Durante o processo de calibração, a antena do satélite de retransmissão é direcionada ao Observatório Astronômico de Xangai da Academia Chinesa de Ciências. A partir da Terra, o sinal é rastreado usando uma antena de terra com uma abertura de 65 metros. Os resultados do teste mostram que a antena do relé com alto ganho possui um desvio apontador inferior a 0,1 °, que atende aos requisitos deste projeto.

O satélite repetidor realiza um autoteste diário de seus sistemas - verifica as principais funções e indicadores de desempenho (características de modulação de RF, tempo de aquisição, atraso de transferência e formato de dados) do sistema de relés. Os resultados dos testes são enviados para a MCC na Terra, onde são analisados ​​quanto à conformidade com os requisitos de projeto.

A calibração e o teste são necessários, uma vez que o relé de satélite localizado na órbita do halo de trabalho, devido a deformação térmica e outros fatores, a orientação orbital real da antena de comunicação do relé terá desvios nas orientações, que devem ser corrigidas e verificadas quanto a alterações.

Deformação térmica estimada dos elementos da antena (em mm) a diferentes temperaturas: Os



custos para o projeto, fabricação e lançamento do aparelho de missão Chang'e-4 eram estritamente limitados. E a possibilidade de exceder um pouco os custos não era que não fosse, mas, pelo contrário, os engenheiros estavam motivados a minimizar partes e elementos do projeto, refinar e expandir sua funcionalidade, a fim de reduzir o custo total de produção e os custos.

Portanto, o satélite repetidor foi originalmente projetado com um peso relativamente baixo (425 kg), para que os custos de sua produção e lançamento fossem mínimos.

Foram feitos satélites de retransmissão de backup? Essa é uma pergunta interessante - como opção, vários protótipos foram feitos, mas apenas um, o mais testado, foi lançado.

O que acontecerá se no espaço sideral o satélite de retransmissão cair? Obviamente, em sua composição, existem vários elementos sobrepostos que são mais críticos para o projeto - partes do computador de bordo, sistema de fonte de alimentação e relé de rádio.
Se o satélite atingir sua órbita de trabalho além da Lua, sua operabilidade será máxima e sua vida útil poderá ser de até 10 anos.

O maior problema que um satélite repetidor pode ter é um dano fatal na antena, por isso foi fabricado na forma de um guarda-chuva gigante com um revestimento interno de malha, que os micrometeoritos podem danificar sem desativar a parte funcional. E a chance de um grande meteorito colidir com um satélite de retransmissão é muito pequena.

No entanto, se isso acontecer, em 30 dias será possível restaurar o canal de comunicação “Terra do outro lado da Lua”, lançando um novo satélite de retransmissão e colocando-o em órbita de trabalho além da Lua.

Os engenheiros da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial tiveram as seguintes novas tarefas após a criação do satélite de retransmissão:

• preparar o satélite de retransmissão para o lançamento em um veículo lançador e acompanhar o lançamento;
• - ;
• L2 «-»;
• , «-4» 2018 ;
• «-4» 2018 , «-4» ;
• 3 2019 «-4», ;
• «-4» «-2», .

Lançamento e operação no espaço sideral



em 21 de maio de 2018: o relé de satélite Tseyuqiao (Magpie Bridge) foi lançado a partir do cosmódromo chinês de Xichang.

Comece na MCC na Terra:








Compartimento de carga útil:





trajetória de voo do satélite repetidor Tseyuqiao:







14 de junho de 2018: o repetidor satélite Tseyuqiao entrou em uma órbita de halo em torno do ponto Lagrange L2 do sistema Terra-Lua, a aproximadamente 65.000 km da Lua, tornando-se o primeiro em satélite de comunicações mundiais operando nesta órbita.


Aqui está uma fotografia tirada do satélite repetidor Tseyuqiao:



Onde os elementos Lua, Terra e satélite são visíveis:



O satélite repetidor pode permanecer em sua órbita por um longo tempo devido ao consumo de combustível relativamente baixo, uma vez que a gravidade da Terra e da Lua equilibra seu movimento orbital.

Estando em sua órbita, o satélite de retransmissão pode "ver" a Terra e o outro lado da lua. Da Terra, a órbita de um satélite repetidor parece um halo da lua.

O conceito de implantar um satélite de retransmissão em órbita de halo foi apresentado pela primeira vez por especialistas espaciais americanos na década de 1960 (a principal contribuição para o cálculo dessa órbita foi feita por Robert Farquhar, especialista em planejamento de missões da NASA há mais de 50 anos - em 1968), mas foi implementado pela primeira vez por engenheiros espaciais chineses apenas em 2018.

Pontos de calibração do sistema Terra-Lua:















Organização da comunicação com o módulo de pouso Chang'e-4 e o veículo espacial Yutu-2

Seis meses depois, quando o satélite de retransmissão Tseyuqiao atingiu sua órbita de trabalho além da Lua, começou a segunda fase de trabalho do projeto Chang'e-4 - o lançamento da espaçonave Chang'e-4 com o veículo espacial Yutu-2 a bordo do espaço sideral.





8 de dezembro de 2018: O foguete auxiliar Changzheng-3B com a estação Chang'e-4 foi lançado com sucesso a partir do centro espacial Sichan, na China.

A trajetória de vôo da estação Chang'e-4:



Após 110 horas, a estação Chang'e-4 alcançou a lua e entrou em sua órbita.

Foi quando o primeiro teste de combate do satélite repetidor Tseyuqiao começou organizando um canal de comunicação com a estação Chang'e-4, quando sobrevoou o outro lado da lua:





Modos de teste e operação do satélite repetidor Tseyuqiao e do equipamento da estação Chang'e-4 (módulo de descida e rover)



Quando a estação Chang'e-4 iniciou o procedimento de pouso em 3 de janeiro de 2019, aqui no MCC na Terra, eles passaram a trabalhar com o satélite de relé Tseyuqiao para receber telemetria e fotos do módulo Chang'e-4.

3 de janeiro de 2019: o desembarque Chang'e-4 faz o pouso na cratera de Karman, no outro lado da lua. A sonda Chang'e-4 contém o segundo veículo espacial chinês Yutu-2, um análogo modernizado do veículo espacial Yutu.

As primeiras imagens do lado oposto da lua na zona de pouso, bem como milhares de quadros da câmara de pouso da embarcação de pouso Chang'e-4, que se combinam para produzir um vídeo tão maravilhoso de pouso no lado oposto da lua, são recebidas através do relé de satélite Tseyuqiao no MCC na Terra.

Vídeo do procedimento de pouso no lado oposto da lua:


Depois de concluir todas as etapas do procedimento de pouso bem-sucedido e instalar canais de comunicação independentes com os dispositivos Chang'e-4 (o módulo de pouso e o rover), começou a era da exploração do lado oposto da lua.





Mas tudo isso não poderia ter acontecido sem o relé de satélite Tseyuqiao e o sistema de comunicação organizado com a ajuda dele:





Esquema de organização da comunicação do projeto Chang'e-4:







Os dados de telemetria do módulo de pouso Chang'e-4 e do veículo lunar Yutu-2 são transmitidos ao satélite de retransmissão Tseyuqiao, que os transmite à Terra no Centro de Controle Aeroespacial de Pequim e depois ao MCC, o que leva a um atraso no recebimento de dados pelos operadores. na Terra por dois a três minutos.

No centro das comunicações espaciais:





No centro de controle de vôo da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial:







Pergunta: É possível transmitir ao vivo da superfície do outro lado da lua com a ajuda do repetidor do satélite Tseyuqiao?

Resposta: Teoricamente, isso é possível, mas os canais de comunicação atuais não podem atender aos requisitos para a transmissão de vídeo em tempo real.

A Academia Chinesa de Tecnologia Espacial está fazendo todo o possível para que o satélite repetidor possa funcionar o maior tempo possível, fornecendo comunicações futuras para sondas e dispositivos de outros países se pretenderem explorar o fundo da lua durante a vida do satélite.

Este é um projeto científico pacífico, no qual todos podem participar.

Além disso, durante as manobras do satélite repetidor para atingir sua órbita de trabalho, os engenheiros da Academia Chinesa de Tecnologias Espaciais conseguiram otimizar o número de manobras de motores, que economizavam 16,8 kg de combustível, que agora podem ser usados ​​posteriormente, se necessário, para corrigir sua órbita e estender vida útil.



Para entender que ainda haverá novos estudos sobre a Lua - a atual constelação de satélites científicos em 5 de maio de 2019 .