Связь с обратной стороной Луны — спутник-ретранслятор «Цэюцяо» (Сорочий мост)

Главное в сложном техническом проекте — организовать стабильную связь между всеми компонентами.

Вот и первой частью миссии «Чанъэ-4» была организация канала связи с аппаратами на обратной стороне Луны. Полгода назад началась эра ретрансляционной радиосвязи с обратной стороной Луны.

Как это было сделано, какие данные передаются между аппаратами на Луне (посадочный модуль и ровер) и спутником-ретранслятором за Луной, как организована далее связь с ЦУП на Земле (через центр космической связи) и с какими скоростями передачи данных — описано тут.

Канал связи — тонкая невидимая нить, связывающая обратную сторону Луны и Землю, которая должна быть легкой и простой в реализации, но и надежной с точки зрения отказов узлов, так как при отсутствии этого единственного канала связи — аппараты на обратной стороне Луны будут потеряны и предоставлены сами себе (на некоторое время автоматике).


Все началось с легенды.




Задача

Одной из основных проблем при исследовании дальней стороны Луны является проблема, связанная с организацией связи, поскольку устройства на обратной стороне Луны не доступны для связи напрямую с Земли (обратная сторона никогда не видна с Земли из-за явления приливного захвата), поэтому для передачи сигналов по каналу «Земля <-> обратная сторона Луны» необходим отдельный и специальный спутник-ретранслятор для связи.

С помощью спутника-ретранслятора планировалось выполнить задачи:

— организовать (первый в мире) канал передачи данных «обратная сторона Луны <-> Земля»;

— организовать слежение за спускаемым аппаратом «Чанъэ-4» и передачу данных при выполнении аппаратом лунных маневров и процедуры посадки на обратную сторону Луны;

— передать в ЦУП на Земле полноценное управление спущенными на поверхность обратной стороны Луны аппаратами (модулем «Чанъэ-4» и ровером «Юйту-2»), используя подсистему слежения, телеметрии и передачи команд управления (TT&C — tracking, telemetry and command subsystem);

— получать научные данные независимо по отдельным каналам связи от спускаемого модуля «Чанъэ-4» и ровера «Юйту-2», пересылать эти данные в ЦУП на Земле;

— проводить собственные научные эксперименты (используя бортовой низкочастотный спектрометр) и передавать полученные научные данные в ЦУП на Земле;

— проводить съемку на бортовую фотокамеру космического пространства и передавать фотографии в ЦУП на Земле;

— поддерживать канал передачи данных «обратная сторона Луны-Земля» в работоспособном режиме не менее 5 лет после начала работы спутника на орбите за Луной (максимально расчетный срок службы — до 10 лет);

— программно-аппаратная часть спутника рассчитана для работы с оборудованием не только для одного проекта «Чанъэ-4», так как срок службы спускаемого модуля «Чанъэ-4» один год, а ровер «Юйту-2» рассчитан на работу в течение трех месяцев, но уже превысил почти в два раза это время, так что спутник-ретранслятор и после окончания проекта «Чанъэ-4» будет далее задействован в новых исследованиях и для организации каналов связи с новыми аппаратами на обратной стороне Луны.

Решение

Был разработан уникальный спутник-ретранслятор, который планировалось вывести на гало-орбиту вокруг особой гравитационно стабильной точки Лагранжа Земля-Луна L2, из которой он будет поддерживать прямую видимость с Землей и обратной стороной Луны в любое время, выдерживая перепад температур до 300 градусов Цельсия.

У инженеров Китайской академии космических технологий (CAST) было всего 30 месяцев на разработку спутника-ретранслятора.

В декабре 2015 года начались проектные работы, спустя два года уже был произведен финальный опытный образец спутника, который после испытаний и тестирования был подготовлен к запуску в космическое пространство.

Команда космических связистов работала совместно с группой ученых и инженеров, которые разрабатывали и реализовывали лунные аппараты для проекта «Чанъэ-4» — посадочный модуль «Чанъэ-4» и ровер «Юйту-2», связь с которыми была главной задачей их проекта.

На 2015 год у команды космических инженеров-связистов Китайской академии космических технологий уже был опыт в разработке спутников, аппаратуры дальней космической связи и управлением лунными космическими аппаратами:

• 7 ноября 2007 года был запущен первый китайский лунный спутник «Чанъэ-1»;
• 1 октября 2010 года был запущен исследовательский спутник «Чанъэ-2», который до 9 июля 2011 года работал на лунной орбите, а потом покинул ее, чтобы через 77 дней достичь точки Лагранжа L2 системы «Солнце-Земля» (в 1,5 миллионах километрах от Земли) для проведения научных экспериментов;
• посадочный модуль «Чанъэ-3» и ровер «Юйту», которые были успешно посажены на видимую сторону Луны 14 декабря 2013 года, причем посадочный модуль «Чанъэ-3» до сих пор выходит на связь с ЦУП на Земле.

Однако, у инженеров-связистов Китайской академии космических технологий был жесткий дедлайн, сроки запуска спутника-ретранслятора и его выхода на рабочую орбиту не могли быть сорваны, так как при любой аварийной ситуации или нештатной работе элементов спутника — запуск космического аппарата «Чанъэ-4» с лунным ровером «Юйту-2» на обратную сторону Луны был бы невозможен в планируемый срок, отложен или даже отменен.

В общем, 2018 год был очень напряженным у китайских космических связистов.

Но у них все получилось — 425-килограммовый спутник-ретранслятор под названием «Цэюцяо» (в переводе — «Сорочий мост») в Китайской академии космических технологий спроектировали, произвели на собственных мощностях (были подключены еще инженеры из Нидерландов для совместной научной дополнительной нагрузки — установки на спутник-ретранслятор специального низкочастотного телескопа-спектрометра) и запустили в установленный срок и с полным функционалом.

Для создания спутника-ретранслятора «Цэюцяо» была использована платформа CAST-100 от Китайской академии космических технологий, в ее проектировании и производстве были задействованы специалисты китайской компании DFH Satellite Co., Ltd. (DFHSat), которая тесно работает с CAST и принадлежит компании China Spacesat.

Спутниковая платформа CAST-100 включает в себя:

• систему стабилизации по трём осям, навигационную систему управления, систему термоконтроля;
• однокомпонентную силовую установка со 100 кг безводного цезиевого топлива (гидразина), с общей тягой 130H (ньютонов), 12 двигателей — 8 двигателей по 5Н (по два на каждую из нижних сторон куба) и центральные 4 двигателя по 20Н;
• систему электропитания бортовых систем, состоящую из двух солнечных батарей (максимальная выходная мощность солнечной батареи составляет около 800 Вт) площадью 3,8 м2 и высокоэнергетического литий-ионного аккумуляторного блока 45А/ч.

Общий вес спутника-ретранслятора составляет 425 кг, он имеет кубовидную форму с размером 1,4 м × 1,4 м × 0,85 м, его корпус состоит из алюминиевой сотовой сэндвич-структуры.

На спутниковую платформу CAST-100 были добавлены следующие системы в качестве полезной нагрузки (основной и дополнительной):

1) основная нагрузка — это радиоретранслятор.

Система радиоретранслятора спутника-ретранслятора «Цэюцяо» работает в X-диапазоне и в S-диапазоне.

X-диапазон используется для связи с посадочным модулем «Чанъэ-4» и ровером «Юйту-2» — организуются четыре канала со скоростью передачи данных:

• направление «ровер\посадочный модуль <-> спутник-ретранслятор» 256-280 килобит/с;
• направление «спутник-ретранслятор <-> ровер\посадочный модуль» 125 бит/с.

S-диапазон используется для для передачи данных на Землю — организуется один канал со скоростью передачи данных 2 мегабит/с.

Данные телеметрии TTC&C (USB+VLBI) передаются со скоростью 1000/2048 бит/с.

В состав радиоретранслятора входит уникальная параболическая антенна диаметром 4,2 метра, которая раскрывается как зонтик после выхода спутника-ретранслятора на рабочую орбиту.

2) дополнительная нагрузка:

• Нидерландский низкочастотный экспериментальный радиотелескоп (NCLE) с тремя пятиметровыми антеннами, с помощью которого будет регистрироваться низкочастотное радиоизлучение ранней Вселенной для изучения ее структуры;
• широкоугольный лазерный отражатель для измерения расстояния между космическим аппаратом и наземной станцией, который разработан Университетом Сунь Ятсена в провинции Гуандун на юге Китая и будет задействован для проведения самого длинного в мире измерения расстояния с помощью лазера между спутником-ретранслятором и обсерваторией на Земле;
• фотокамера, которую так же планируют использовать для съемки астероидов, падающих на обратную сторону Луны;
• чтобы заинтересовать общественность в проектах по освоению космоса и исследованию Луны, в Китайском космическом агенстве (CNSA) предложили всем желающим записать свои пожелания по исследованию Луны и космоса, а спутник-ретранслятор несет на своем борту имена десятков тысяч участников этого события и их сообщения.

Научная нагрузка:



Вот такая фотокамера установлена на спутнике-ретрансляторе:



Пример фотографии со спутника-ретранслятора:



Лазерный отражатель (чертеж):



Спутник-ретранслятор «Цэюцяо»:



Как раскрываются элементы спутника-ретранслятора (антенна, батареи и спектрометр):



С инженерами в лаборатории (для масштаба):



Антенна (слева сам блок антенны, справа уже на спутник установлена):



В раскрытом виде на тестах:



Научное оборудование (три антенны низкочастотного радиотелескопа, в раздвижном состоянии каждая из них длинной 5 метров):







Копия масштабом 1 к 3 спутника-ретранслятора в музее космонавтики:





Про параболическую антенну-зонтик и ее создание

Инженеры Китайской академии космических технологий разработали для спутника-ретранслятора несколько вариантов антенн, в том числе в форме зонтика диаметром 420 сантиметров в раскрытом виде.

В разработке и производстве такой антенны были задействованы… текстильные технологи и часовщики.

Только совместным трудом инженеров-связистов и специалистов часовой и текстильной промышленности в лаборатории Китайской академии космических технологий смогли решить непростую задачу по группированию мельчайших элементов металлической сетки антенны и ее 18-ти ребер, чтобы она могла находится в сложенном до нужных размеров для транспортировке и запуска состоянии, а в открытом космосе смогла развернуться как пляжный зонтик.







Элементы антенны выдерживают изменения температуры более 300 градусов по Цельсию.

В специальных стендовых лабораториях Китайской академии космических технологий были проведены десятки испытания и программ тестирования компонентов антенны и ее общей сборки, перед установкой на спутник-ретранслятор.

В состав антенны входит специальный приводной механизм для управления отслеживанием направления, который позволяет контролировать направление антенны в проектном диапазоне с шагом до 0,2°.

Визуализация развертывания антенны в космическом пространстве:



На элементы антенны воздействуют низкотемпературные условия окружающей среды. Температура некоторых ребер, натяжных тросов, металлической сетки и других компонентов на антенне будет опускаться ниже -200°C, что необходимо было учесть в ее производстве.





Проблемы, ограниченный бюджет на разработку и производство

В ходе разработки спутника-ретранслятора инженеры по возможности максимально унаследовали конструкцию телекоммуникационной системы проекта «Чанъэ-3», так что проблем в реализации плеча канала связи «Спутник-ретранслятор <-> аппараты на обратной стороне Луны» почти не было.

Спутником-ретранслятором полученные и демодулированные данные от посадочного модуля «Чанъэ-4» и ровера «Юйту-2» объединяются в соответствии с протоколом связи и передаются в ЦУП на Землю через систему прямой космической связи.

Основная проблема в реализации плеча канала связи «Спутник-ретранслятор <-> аппараты на обратной стороне Луны» была в том, что максимальное расстояние этого канала составляет около 80000 км, а затухание сигнала на таком расстоянии достигает 210 дБ. Поэтому, инженерам пришлось находить баланс между пропускной способностью канала связи, динамическим изменением положений трех аппаратов (спутника, посадочного модуля и ровера), а также системой управления мощностью радиоретранслятора.

Оптимальная рабочая схема у них получилась такая: данные телеметрии передаются при любом расстоянии от аппаратов на поверхности до спутника-ретранслятора, а вот передача научных данных (большие объемы данных) организована в том случае, когда ориентация двух устройств (спутник-ровер или спутник-посадочный модуль) относительно стабильна и мощности всех устройств хватает для организации канала с нужной пропускной способностью.

Например, антенны ровера «Юйту-2» необходимо настроить так, чтобы они указывали на спутник-ретранслятор, для корректной отправки и получения управляющих сигналов, в то время как солнечные панели ровера должны быть оптимально наклонены для попадания на них большого количества солнечного света, чтобы максимизировать выработку электроэнергии в момент совершения передачи данных.



В плече канала связи «Спутник-ретранслятор <-> ЦУП на Земле» после выхода спутником-ретранслятором на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы «Земля-Луна» выполняется калибровка точности наведения ретрансляционной антенны (расстояние 480000 км).

В процессе калибровки ретрансляционная антенна спутника-ретранслятора направлена на Шанхайскую астрономическую обсерваторию Китайской академии наук. С Земли сигнал отслеживается с помощью наземной антенны с апертурой 65 метров. Результаты испытаний показывают, что ретрансляционная антенна с высоким коэффициентом усиления имеет отклонение наведения менее 0,1°, что удовлетворяет требованиям для данного проекта.

Спутник-ретранслятор проводит ежедневное самотестирование своих систем — проверяет ключевые функции и показатели эффективности (характеристики РЧ-модуляции, время сбора, задержка пересылки и формат данных) системы ретрансляции. Результаты тестирования отсылаются в ЦУП на Земле, где анализируются на соответствие проектным требованиям.

Калибровка и тестирование необходимы, так как у спутника-ретранслятора, находящегося на рабочей гало-орбите, из-за тепловой деформации и других факторов фактическая орбитальная ориентация антенны ретрансляционной связи будет иметь отклонения в наведении, которые необходимо корректировать и проверять их изменения.

Расчетная тепловая деформация элементов антенны (в мм) при разных температурах:



Расходы на проектирование, производство и запуск аппаратов миссии «Чанъэ-4» были жестко лимитированы. А возможности даже немножко превысить затраты — не то что не было, а наоборот, инженеры были мотивированы минимизировать части и элементы проекта, дорабатывать и расширять их функционал, чтобы уменьшить итоговую стоимость производства и сократить затраты.

Поэтому, спутник-ретранслятор был изначально спроектирован с относительно небольшим весом (425 кг), чтобы затраты на его производство и запуск были минимальны.

Были ли резервные спутники-ретрансляторы сделаны? Это интересный вопрос — как вариант, были сделаны несколько прототипов, но запущен был только один, самый проверенный.

Что будет, если в космическом пространстве спутник-ретранслятор выйдет из строя? Конечно, в его составе есть несколько дублирующих элементов, которые наиболее критичны для проекта — части бортового компьютера, системы электропитания и радиоретранслятора.
Если спутник достигнет своей рабочей орбиты за Луной, то тут уже его работоспособность будет максимальна и срок службы может составлять до 10 лет.

Самая большая проблема, которая может возникнуть у спутника-ретранслятора — это фатальное повреждение антенны, поэтому ее сделали в виде гигантского зонтика с сетчатым внутренним покрытием, которое микрометеориты могут повреждать, не выводя из строя функциональную часть. А шанс, что большой метеорит столкнется со спутником-ретранслятором очень небольшой.

Однако, если такое произойдет, то в течение 30 суток можно будет восстановить канал связи «Земля обратная сторона Луны», путем запуска нового спутника-ретранслятора и вывода его на рабочую орбиту за Луной.

У инженеров Китайской академии космических технологий были следующие новые задачи после создания спутника-ретранслятора:

• подготовить спутник-ретранслятор к запуску на ракета-носителе и сопровождать запуск;
• отслеживать его траекторию и направлять спутник-ретранслятор до Луны;
• выполнить лунный маневр для перехода на рабочую гало орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы «Земля-Луна»;
• тестировать канал связи со спутником, пока лунные аппараты миссии «Чанъэ-4» не выйдут в конце декабря 2018 года на орбиту Луны;
• провести первый сеанс связи с посадочным модулем «Чанъэ-4» в конце декабря 2018 года, посадочный модуль «Чанъэ-4» находится на орбите Луны;
• 3 января 2019 года получать данные от посадочного модуля «Чанъэ-4», который начнет процедуру посадки на обратную сторону Луны;
• провести первый сеанс связи с посадочным модулем «Чанъэ-4» и ровером «Юйту-2», которые находятся на поверхности обратной стороны Луны.

Запуск и работа в космическом пространстве



21 мая 2018 года: с Китайского космодрома Сичан запущен спутник-ретранслятор «Цэюцяо» (Сорочий мост).

Старт в ЦУП на Земле:








Отделение полезной нагрузки:





Траектория полета спутника-ретранслятора «Цэюцяо»:







14 июня 2018 года: Cпутник-ретранслятор «Цэюцяо» вышел на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы «Земля-Луна», примерно в 65000 км от Луны, став первым в мире спутником связи, работающим на этой орбите.


Вот такая фотография была получена со спутника-ретранслятора «Цэюцяо»:



Где видны Луна, Земля и элементы спутника:



Спутник-ретранслятор может оставаться на своей орбите в течение длительного времени из-за относительно низкого расхода топлива, поскольку гравитация Земли и Луны уравновешивает его орбитальное движение.

Находясь на своей орбите, спутник-ретранслятор может «видеть» как Землю, так и обратную сторону Луны. С Земли орбита спутника-ретранслятора выглядит как ореол Луны.

Концепция развертывания ретрансляционного спутника на гало-орбите была впервые выдвинута американскими космическими экспертами в 1960-х годах (основной вклад в расчет такой орбиты внес Роберт Фаркуар — специалист по проектированию миссий NASA более 50 лет назад — в 1968 году), но была впервые была реализована китайскими космическими инженерами только в 2018 году.

Точки либрации системы «Земля-Луна»:















Организация связи с посадочным модулем «Чанъэ-4» и ровером «Юйту-2»

Спустя шесть месяцев, как спутник-ретранслятор «Цэюцяо» достиг своей рабочей орбиты за Луной, началась вторая рабочая фаза проекта «Чанъэ-4» — вывод в космическое пространство аппарата «Чанъэ-4» с лунным ровером «Юйту-2» на борту.





8 декабря 2018 года: Ракета-носитель «Чанчжэн-3B» со станцией «Чанъэ-4» успешно запущена с Китайского космодрома «Сичан».

Траектория полета станции «Чанъэ-4»:



Через 110 часов станция «Чанъэ-4» достигла Луны и перешла на ее орбиту.

Вот тогда и началось первое боевое тестирование спутника-ретранслятора «Цэюцяо» путем организации канала связи со станцией «Чанъэ-4», когда она пролетала над обратной стороной Луны:





Режимы тестирования и работы спутника-ретранслятора «Цэюцяо» и аппаратов станции «Чанъэ-4» (спускаемого модуля и ровера)



Когда станцией «Чанъэ-4» приступила к процедуре посадки 3 января 2019 года, то тут уже в ЦУП на Земле переключились на полноценную работу со спутником-ретранслятором «Цэюцяо» для получения телеметрии и фотографий со спускаемого модуля «Чанъэ-4».

3 января 2019 года: спускаемый аппарат «Чанъэ-4» совершает посадку в кратере «Карман» на обратной стороне Луны. В составе посадочного аппарата «Чанъэ-4» находится второй Китайский лунный ровер «Юйту-2», модернизированный аналог ровера «Юйту».

Через спутник-ретранслятор «Цэюцяо» в ЦУП на Земле получают первые изображения обратной стороны Луны в зоне приземления, а также тысячи кадров с посадочной камеры посадочного аппарата «Чанъэ-4», объединив которые, получилось такое замечательное видео посадки на обратную сторону Луны:

Видео процедуры посадки на обратную сторону Луны:


После окончания всех этапов процедуры успешной посадки и установки независимых каналов связи с аппаратами «Чанъэ-4» (посадочным модулем и ровером), началась эра исследования обратной стороны Луны.





Но всего этого могло бы не было без спутника-ретранслятора «Цэюцяо» и организованной с помощью него системы связи:





Схема организации связи проекта «Чанъэ-4»:







Данные телеметрии от посадочного модуля «Чанъэ-4» и лунного ровера «Юйту-2 поступают на спутник-ретранслятор «Цэюцяо», который далее их передает на Землю в Пекинский центр аэрокосмического контроля, а далее в ЦУП, что приводит к задержке получения данных операторами на Земле до двух-трех минут.

В центре космической связи:





В центре управления полетами Китайской академии космических технологий:







Вопрос: Можно ли с помощью ретранслятора спутника «Цэюцяо» вести прямую трансляцию с поверхности обратной стороны Луны?

Ответ: Теоретически это возможно, но текущие каналы связи не могут соответствовать требованиям для потоковой передачи видео в реальном времени.

В Китайской академии космических технологий делают все возможное, чтобы спутник-ретранслятор смог работать как можно дольше, обеспечивая в будущем связь для зондов и аппаратов других стран, если они намерены исследовать обратную сторону Луны в течение срока службы спутника.

Это мирный научный проект, к которому могут присоединиться все желающие.

Тем более, что при осуществлении маневров спутником-ретранслятором для достижения своей рабочей орбиты инженерам Китайской академии космических технологий удалось оптимизировать количество маневров двигателями, что позволило сэкономить 16,8 кг топлива, которые могут быть теперь использованы в дальнейшем при необходимости для коррекции его орбиты и продлении срока службы.



Для понимания, что на Луне еще будут новые исследования — текущая на 5 мая 2019 года научная спутниковая группировка.