月の向こう側との通信-衛星中継「ツィーシャ」（マグピーブリッジ）

複雑な技術プロジェクトの主なものは、すべてのコンポーネント間の安定した接続を編成することです。

したがって、Chang'e-4ミッションの最初の部分は、月の裏側にあるデバイスとの通信チャネルの編成でした。 6か月前、リレー無線通信の時代は月の向こう側から始まりました。

これがどのように行われたのか、月のデバイス（着陸モジュールとローバー）と月の向こうの中継衛星の間で送信されるデータ、地球上のMCCとの通信（宇宙通信センター経由）の仕組み、およびここで説明するデータレートについて説明します。

通信チャネルは、月の裏側と地球をつなぐ細い目に見えないスレッドであり、実装が容易である必要がありますが、ノードの障害に関しても信頼性があります。この唯一の通信チャネルがない場合、月の裏側のデバイスが失われ、提供されますそれ自体（しばらくの間、自動化）。


すべては伝説から始まりました。




挑戦する

月の裏側の研究における主な問題の1つは、月の裏側のデバイスが地球からの直接の通信に利用できないため、通信の編成に関連する問題です（潮の捕捉の現象により、裏側が地球から見えない） 「地球<->月の裏側」チャネルでは、通信のために別個の特別な衛星リレーが必要です。

サテライトリレーを使用して、タスクを完了することが計画されました。

-（世界で最初の）データチャネル「月の裏側<->地球」を整理します。

-Chang'e-4降下ビークルの追跡を整理し、装置が月の操縦と月の裏側での着陸手順を実行するときにデータを送信します。

-追跡、テレメトリ、および送信コマンドサブシステム（TT＆C-追跡、テレメトリ、コマンドサブシステム）を使用して、月の月側の表面に発射されるデバイス（Chang'e-4モジュールおよびYutu-2ローバー）の完全な制御を地球上のMCCに転送;

-Chang'e-4モジュールとYutu-2ローバーから個別の通信チャネルを通じて独立して科学データを受信し、このデータを地球上のMCCに送信します。

-（オンボードの低周波分光計を使用して）独自の科学実験を実施し、取得した科学データを地球上のMCCに送信します。

-オンボードの宇宙カメラを撮影し、地球上のMCCに写真を転送します。

-衛星が月を越えて軌道上で動作を開始した後、少なくとも5年間、データ伝送チャネル「月地球の裏側」を動作可能なモードに維持します（最大推定耐用年数は最大10年です）。

-衛星のソフトウェアとハ​​ードウェアは、Chang'e-4発射モジュールの寿命が1年であり、Yutu-2ローバーは3か月間動作するように設計されているため、1つのChang'e-4プロジェクトだけでなく機器でも動作するように設計されていますただし、今回はすでにほぼ2倍になっているため、Chang'e-4プロジェクトの終了後、リピーター衛星は新しい研究にさらに関与し、月の向こう側にある新しいデバイスとの通信チャネルを編成します。

解決策

独自のリピーター衛星が開発されました。この衛星は、特殊な重力安定ラグランジュポイント地球月L2の周囲のハロー軌道に投入され、最大300℃の温度降下に耐えながら、いつでも地球と月の裏側から直接視界を維持します。

中国宇宙技術アカデミー（CAST）のエンジニアは、中継衛星を開発するのにわずか30か月しかありませんでした。

2015年12月に設計作業が開始され、2年後、衛星の最終プロトタイプがすでに製造され、テストとテストの後、宇宙への打ち上げの準備が整いました。

宇宙通信チームは、Chang'e-4プロジェクトのために月の乗り物を開発および販売した科学者とエンジニアのグループと協力しました。Chang'e-4着陸モジュールとYutu-2ローバーは、プロジェクトの主なタスクでした。

2015年、中国宇宙技術アカデミーの宇宙通信エンジニアのチームは、衛星、長距離宇宙通信機器、および月の宇宙船の制御の開発の経験がありました。

• 2007年11月7日、最初の中国の月衛星Chang'e-1が打ち上げられました。
• 2010年10月1日に、Chang'e-2研究衛星が打ち上げられ、2011年7月9日まで月軌道上で運用され、その後、太陽地球システムのラグランジュ点L2に到達するまで放置されました（150万個）科学実験を実施するために;
• 2013年12月14日に月の見える側に正常に着陸したChang'e-3着陸モジュールとYutuローバー。Chang'e-3着陸モジュールはまだ地球上のMCCと通信しています。

しかし、中国宇宙技術アカデミーの通信エンジニアには厳しい期限があり、衛星要素の緊急または異常な動作-Chang'e-4宇宙船の打ち上げのため、リピーター衛星の打ち上げ日と作業軌道への進入を中断することはできませんでした月の向こう側にある月面探査機「ユツ-2」では、予定された時間に遅れたり、キャンセルされたりすることはできませんでした。

一般的に、2018年は中国の宇宙信号機にとって非常に忙しい年でした。

しかし、彼らはそれをすべてやりました-独自の施設で設計、製造された中国宇宙技術アカデミーの「Tseyuqiao」と呼ばれる425キログラムの中継衛星（「カササギ橋」と訳されます）（オランダのエンジニアは、特別な低周波望遠鏡分光器の衛星中継器へのインストール）、スケジュールされた時間に完全な機能で起動します。

中国宇宙技術アカデミーのCAST-100プラットフォームを使用してTseyuqiaoリピーター衛星を作成し、中国企業DFH Satellite Co.、Ltdの専門家がその設計と製造に関与しました。 （DFHSat）。CASTと密接に連携し、China Spacesatが所有しています。

衛星プラットフォームCAST-100には以下が含まれます。

• 三軸安定化システム、ナビゲーション制御システム、熱監視システム。
• 100 kgの無水セシウム燃料（ヒドラジン）、合計推力130 H（ニュートン）、12エンジン-各5 Hの8エンジン（立方体の下側に2つ）、および各20 Hの4つの中央エンジンを備えた1成分発電所;
• 3.8 m2の2つの太陽電池パネル（太陽電池の最大出力電力は約800 W）と45A / hの高エネルギーリチウムイオン電池パックで構成されるオンボード電源システム。

中継衛星の総重量は425 kgで、サイズが1.4 m×1.4 m×0.85 mの直方体形状で、本体はアルミニウムハニカムサンドイッチ構造です。

次のシステムがペイロード（プライマリおよびセカンダリ）としてCAST-100衛星プラットフォームに追加されました。

1）主な負荷は無線リレーです。

Tseyuqiao衛星中継器無線中継器システムは、XバンドとSバンドで動作します。

Xバンドは、Chang'e-4着陸モジュールおよびYutu-2ローバーとの通信に使用されます。4つのチャネルがデータ転送レートで編成されています。

• 方向 "ローバー\着陸モジュール<->サテライトリレー" 256-280キロビット/秒;
• 方向「サテライトリレー<->ローバー/ランディングモジュール」125ビット/秒。

Sバンドはデータを地球に送信するために使用されます-1つのチャネルは2メガビット/秒のデータ転送速度で編成されます。

TTC＆Cテレメトリデータ（USB + VLBI）は、1000/2048 bpsの速度で送信されます。

無線リレーの構造には、直径4.2メートルのユニークな放物線アンテナが含まれており、衛星リレーが作業軌道に入った後に傘のように開きます。

2）追加の負荷：

• 3つの5メートルアンテナを備えたオランダ低周波実験電波望遠鏡（NCLE）。初期宇宙の低周波電波放射を記録して、その構造を研究します。
• 中国南部の広東省にある中山大学によって開発された、宇宙船と地上局の間の距離を測定するための広角レーザー反射器であり、中継衛星と地球上の観測所の間で世界最長のレーザー距離測定を行うために使用されます;
• 月の裏に落ちる小惑星の撮影にも使用する予定のカメラ。
• 宇宙探査と月探査プロジェクトに一般の関心を引くために、中国宇宙局（CNSA）は皆に月と宇宙探査の願いを書き留めるように呼びかけ、中継衛星はこのイベントの数万人の参加者の名前とメッセージを伝えています。

科学的負荷：



リピーター衛星に搭載されたカメラは次のとおりです。



衛星中継の写真の例：



レーザー反射板（図面）：



リピーター衛星「Tseyuqiao」：



リピーター衛星の要素（アンテナ、バッテリー、分光計）はどのように明らかにされていますか：



実験室のエンジニア（規模の場合）：



アンテナ（左側のアンテナユニット自体、すでに右側の衛星に取り付けられている）：



テストで開かれた：



科学機器（低周波電波望遠鏡の3つのアンテナ、スライド状態、それぞれ5メートルの長さ）：







宇宙博物館のリピーター衛星の1〜3コピー：





放物線アンテナ傘とその作成について

中国宇宙技術アカデミーのエンジニアは、リピーター衛星用のいくつかのアンテナオプションを開発しました。これには、直径420センチメートルの開いた形の傘の形が含まれます。

このようなアンテナの設計と製造には、繊維技術者と時計職人が関与していました。

中国宇宙技術アカデミーの研究室の通信エンジニアと時計および繊維業界の専門家の共同作業によってのみ、アンテナの金属メッシュと18のエッジの最小要素をグループ化するという困難なタスクを解決し、輸送と打ち上げに適したサイズに折りたたむことができました、そして宇宙では彼女はビーチパラソルのように向きを変えることができました。







アンテナエレメントは、摂氏300度を超える温度変化に耐えます。

アンテナコンポーネントとその一般的なアセンブリに関する多数のテストとテストプログラムは、中国宇宙技術アカデミーの特別なベンチ研究所で実施された後、中継衛星に設置されました。

アンテナには、方向追跡を制御するための特別な駆動メカニズムが含まれています。これにより、設計範囲内でアンテナの方向を0.2°刻みで制御できます。

宇宙空間でのアンテナの配置の視覚化：



アンテナ要素は、低温環境条件の影響を受けます。 アンテナの一部のリブ、張力ケーブル、ワイヤメッシュ、およびその他のコンポーネントの温度は、-200°C未満に低下します。これは、製造時に考慮する必要がありました。





問題、開発と生産のための限られた予算

リピーター衛星の開発中、エンジニアは可能な限りChang'e-3通信システムの設計を引き継いだため、「衛星のリレー<->デバイスを月の向こう側」の通信チャネルの肩に実装してもほとんど問題はありませんでした。

Chang'e-4着陸モジュールとYutu-2ローバーから受信および復調されたデータは、通信プロトコルに従って結合され、直接宇宙通信システムを介してMCCから地球に送信されます。

通信チャネル「衛星リレー<->月の向こう側」の肩の実装における主な問題は、このチャネルの最大距離が約80,000 kmであり、この距離での信号減衰が210 dBに達することでした。 そのため、エンジニアは、通信チャネルの帯域幅、3つのデバイス（衛星、着陸モジュール、ローバー）の位置の動的な変化、および無線リレーの電力制御システムのバランスを見つける必要がありました。

それらの最適な作業スキームは次のとおりでした：テレメトリデータは、表面上のデバイスからリピーター衛星に任意の距離で送信されますが、科学データ（大量のデータ）の転送は、2つのデバイス（衛星ローバーまたは衛星着陸）モジュール）は比較的安定しており、すべてのデバイスの電力は必要な帯域幅でチャネルを編成するのに十分です。

たとえば、Yutu-2ローバーアンテナは、リピーター衛星をポイントして制御信号を正しく送受信するように構成する必要がありますが、ローバーのソーラーパネルは、多くの太陽光を受信するために最適に傾ける必要があります。データ転送時の発電量を最大化します。



中継衛星が地球-月システムのラグランジュ点L2の周りのハロー軌道に入った後、通信チャネル「衛星中継<->地球上のMCC」の肩は、中継アンテナの指向精度（480,000 kmの距離）を較正します。

校正プロセス中、中継衛星の中継アンテナは、中国科学院の上海天文台に向けられます。 地球からの信号は、開口部が65メートルの地上アンテナを使用して追跡されます。 テスト結果は、高ゲインのリレーアンテナの指向偏差が0.1°未満であり、このプロジェクトの要件を満たしていることを示しています。

リピーター衛星は、そのシステムの毎日のセルフテストを実施します-中継システムの主要な機能と性能指標（RF変調特性、取得時間、転送遅延、データ形式）をチェックします。 テスト結果は地球上のMCCに送信され、そこで設計要件への準拠について分析されます。

キャリブレーションとテストが必要です。これは、熱変形やその他の要因により、有効なハロー軌道にあるリピーター衛星の場合、リレーアンテナの実際の軌道の向きにガイダンスの偏差があるため、修正して変更を確認する必要があるためです。

異なる温度でのアンテナ要素の推定熱変形（mm）：



Chang'e-4ミッション装置の設計、製造、打ち上げのコストは厳密に制限されていました。 そして、わずかにコストを超える可能性もありましたが、それどころか、エンジニアはプロジェクトの部品と要素を最小限に抑え、生産の総コストを削減し、コストを削減するために機能を改良および拡張するように動機付けられました。

そのため、リピーター衛星はもともと比較的軽量（425 kg）で設計されていたため、製造と打ち上げのコストは最小限でした。

バックアップ中継衛星が作成されましたか？ これは興味深い質問です-オプションとして、いくつかのプロトタイプが作成されましたが、最もテストされたものは1つだけが起動されました。

宇宙空間で中継衛星がダウンするとどうなりますか？もちろん、その構成には、プロジェクトにとって最も重要な重複する要素がいくつかあります-オンボードコンピューター、電源システム、無線リレーの一部です。
衛星が月を越えてその動作軌道に到達した場合、その操作性は最大になり、その耐用年数は最大10年になります。

リピーター衛星が抱える最大の問題は、アンテナの致命的な損傷です。したがって、機能部分を無効にせずに微小met石が損傷する可能性があるメッシュ内部コーティングを備えた巨大な傘の形で作られました。そして、大きなmet石が中継衛星と衝突する可能性は非常に小さいです。

ただし、これが発生した場合、30日以内に、新しいリレー衛星を打ち上げ、月の向こうの作業軌道に投入することにより、通信チャネル「月の反対側の地球」を復元することが可能になります。

中国宇宙技術アカデミーのエンジニアは、中継衛星の作成後に次の新しいタスクを行いました。

• 打ち上げロケットでの打ち上げのために中継衛星を準備し、打ち上げに同行する;
• その軌道を追跡し、中継衛星を月に向けます。
• 月運動を実行して、地球と月の系のラグランジュ点L2の周囲のハロー軌道に移行します。
• 2018年12月末にChang'e-4ミッションの月面装置が月の軌道に到達するまで、衛星との通信チャネルをテストします。
• 2018年12月末にChang'e-4着陸機との最初の通信セッションを開催します。Chang'e-4着陸機は月の軌道にあります。
• 2019年1月3日、Chang'e-4着陸モジュールからデータを受信し、月の裏側で着陸手順を開始します。
• 月の裏側の表面にあるChang'e-4着陸モジュールとYutu-2ローバーとの最初の通信セッションを実施します。

2018年5月21日に宇宙空間での打ち上げと運用：衛星中継Tseyuqiao（Magpie Bridge）がXichang Chinese Cosmodromeから打ち上げられました。

MCC on Earthから開始します。








ペイロード部：





Tseyuqiaoリピーター衛星の飛行経路：







2018年6月14日：Tseyuqiaoリピーター衛星は、月から約65,000 kmの地球月システムのラグランジュ点L2のハロー軌道に入り、世界で最初の通信衛星となり、この軌道で働いています。


Tseyuqiao中継衛星から撮影された写真は次のとおりです。



月、地球、衛星の要素が見える場所：



地球と月の重力は軌道のバランスをとるため、中継衛星は燃料消費量が比較的少ないため、長期間軌道にとどまることができます動き。

軌道上にある中継衛星は、地球と月の裏の両方を「見る」ことができます。地球から見ると、中継衛星の軌道は月のハローのように見えます。

ハロー軌道にリレー衛星を配備するという概念は、1960年代にアメリカの宇宙専門家によって最初に提唱されました（そのような軌道の計算への主な貢献は、50年以上前のNASAミッションプランニングスペシャリスト、1968年に行われました）が、最初に実装されました2018年にのみ中国の宇宙技術者によって作成されました。

Earth-Moonシステムの解放ポイント：















Chang'e-4着陸船およびYutu-2ローバーとの通信の確立

6か月後、Tseyuqiaoリレー衛星が月の向こうの作業軌道に到達した後、プロジェクトの第2作業段階Chang'e-4 "-宇宙船の打ち上げ" Chang'e-4 "月面ローバー付き" Yutu-2 "宇宙への船上。





2018年12月8日：Chang'e-4ステーションを備えたChangzheng-3Bブースターロケットが、中国のSichan宇宙センターから正常に打ち上げられました。

Chang'e-4ステーションの飛行経路：



110時間後、Chang'e-4ステーションは月に到達し、軌道に入った。

その後、Tseyuqiaoリピーター衛星の最初の戦闘テストは、月の裏側を飛行したときにChang'e-4ステーションとの通信チャネルを編成することから始まりました。





テストモードとTseyuqiaoリレー衛星とChang'e-4ステーションのデバイスの動作「（降下モジュールとローバー）



Chang'e-4ステーションが2019年1月3日に着陸手順を開始したとき、ここで地球上のMCCで彼らは降下モジュールからテレメトリーと写真を受信するためにTseyuqiaoリレー衛星との本格的な作業に切り替えました」チャンエ4 "。

2019年1月3日：Chang'e-4着陸船が月の向こう側のカルマンクレーターに着陸します。 Chang'e-4着陸機には、2番目の中国の月面探査機Yutu-2（Yutu探査機の近代化された類似体）が含まれています。

着陸ゾーンにある月の裏側の最初の画像、および長月4着陸船の着陸室からの数千のフレームは、月の裏側に着陸するこのような素晴らしいビデオを生成するために組み合わされ、地球上のMCCのTseyuqiao衛星リレーを介して受信されます。

月の裏側での着陸手順のビデオ：


成功した着陸手順のすべての段階を完了し、Chang'e-4デバイス（着陸モジュールとローバー）との独立した通信チャネルをインストールした後、月の裏側の探査の時代が始まりました。





しかし、これらすべてはTseyuqiao衛星リレーとそれとともに組織された通信システムなしでは不可能だったでしょう：





Chang'e-4プロジェクト通信組織スキーム：







Chang'e-4着陸モジュールとYutu-2月面探査機からの遠隔測定データTseyuqiaoリピータ衛星に送信されます。衛星は北京航空宇宙制御センターの地球に送信され、MCCに送信されます。MCCは最大2〜3分間地球上のデータの受信を遅らせます。

宇宙通信の中心：





中国宇宙技術アカデミーの飛行管制センター：







質問：Tseyuqiao衛星のリピーターの助けを借りて、月の裏側の表面からライブを送信することは可能ですか？

回答：理論的には、これは可能ですが、現在の通信チャネルはリアルタイムでビデオをストリーミングするための要件を満たすことができません。

中国宇宙技術アカデミーは、リピーター衛星が可能な限り長く動作するように可能な限りのことをすべて行っており、衛星の寿命の間に月の裏側を探索する場合、他の国のプローブおよびデバイスに将来の通信を提供します

これは平和的な科学プロジェクトであり、誰もが参加できます。

さらに、リピーター衛星による作業軌道を達成するための操作中に、中国宇宙技術アカデミーのエンジニアは、エンジンによる操作の数を最適化することで16.8 kgの燃料を節約し、必要に応じて軌道を修正して延長することができます耐用年数。



月についての新しい研究があることを理解するために- 2019年5月5日の現在の科学衛星星座。