Elsternbrücke (relæ -satellit)

Elsternbrücke (relæ -satellit)

NSSDC ID 2018-045A
Missionsmål Jordens måneSkabelon: Infobox sonde / vedligeholdelse / mål
Klient CNSASkabelon: Infobox sonde / vedligeholdelse / klient
Launcher Changzheng 4CSkabelon: Infobox sonde / vedligeholdelse / bæreraket
konstruktion
Startmasse 449 kgSkabelon: Informationsboks sonde / vedligeholdelse / startmasse
Missionens forløb
Start dato 20. maj 2018, 21:28 UTCSkabelon: Informationsboks sonde / vedligeholdelse / startdato
affyringsrampe Xichang LC-3 CosmodromeSkabelon: Informationsboks sonde / vedligeholdelse / startpude
Skabelon: Infobox sonde / vedligeholdelse / historik
 
 20. maj 2018 Start fra Queqiao
 
 25. maj 2018 Ankomst nær månen
 
 29. maj 2018 Ankomst til L 2 i jord-månesystemet
 
 14. juni 2018 Halo -bane omkring L 2
 
 3. januar 2019 Landing af Chang'e 4, kommunikation til månens bagside siden da
 
 2023 planlagt levetid
 
 ? Mission slut

Elsternbrücke ( kinesisk 鵲橋 / 鹊桥, Pinyin Quèqiáo ) er et relæ satellit af den National Space Agency of China (CNSA). Satellitten opererer i et halo-kredsløb omkring Earth-Moon Lagrange-punktet L 2 og muliggør kommunikation med landeren og roveren for Chang'e 4- missionen på den anden side af månen. Dets navn stammer fra historien om hyrdepigen og væverpigen .

konstruktion

Den drevne satellit, der vejer 449 kg og har en oprindeligt planlagt levetid på fem år, er baseret på CAST 100 -satellitbussen fra Hangtian Dong Fang Hong Satellite GmbH . Det blev bygget efter planer af det kinesiske akademi for rumteknologi , som præsenterede projektet for offentligheden i slutningen af ​​2016. Huset måler 140 × 140 × 85 cm plus to solcellevinger med i alt fire moduler . De galliumarsenid solceller levere 780 W af elektrisk strøm; Et litium-ion-batteri med en opladningskapacitet på 45  Ah er tilgængelig, når satellitten er i skyggen af ​​jorden .

Satellitten har fire hovedmotorer, hver med en trykkraft på 20 N, samt tolv holdning kontrol motorer, hver med 5 N. Alle 16 motorer arbejder med den monergolic raketbrændstof hydrazin , hvoraf i alt 105 kg blev gennemført i to tanke på 70 l hver ved lancering. Da satellitten har nået sin driftsbane omkring Earth-Moon- Lagrange punkt L 2 , udføres positionskontrollen hovedsageligt via fire reaktionshjul , som er desaturerede med positionsstyringsmotorerne efter at have nået maksimalhastigheden, dvs. stoppet igen. Til orientering har Elster -broen to stjernesensorer og to inertialmåleenheder , hvor både accelerationssensorerne som med gyrometre er udstyret. Det betyder, at satellitten kan justeres med en nøjagtighed på 0,06 °, justeringen forbliver stabil med en nøjagtighed på 0,005 ° / s.

Elsternbrücke fungerer som en radiorelæstation for landeren og roveren Jadehase 2 i den kinesiske månemission Chang'e 4, der startede den 7. december 2018 . Til dette formål har satellitten en fast, udfoldelig parabolisk antenne med en diameter på 4,2 m og en antenneforstærkning på 44 dBi. På grund af sin stærke direktivitet skal antennen være rettet meget præcist mod landingsstedet i Von Kármán -krateret , hvilket sker ved hjælp af satellitens holdningskontrolsystemer.

Radiotrafikken på X-båndet kører via den paraboliske antenne, især kommunikationen mellem Elsternbrücke og robotterne på månen, hvorved landeren og roveren kan styres samtidigt. Den dataoverførselshastighed for styrekommandoer fra Elsternbrücke til robotterne er 125 bit / s. Hvis landeren sender Elsternbrücke med sin parabolske antenne, kan telemetri og nyttelastdata transmitteres opad med en hastighed på 555 kbit / s, når den rundstrålende antenne bruges (som kun bruges til telemetredata), er dataoverførselshastigheden 1,4 kbit / s. For roveren er disse værdier henholdsvis 285 kbit / s og 0,7 kbit / s. Signalerne demoduleres derefter og dekodes i satellitten .

Mens pulskodemodulation , faseskift -tastering og fasemodulation bruges til kontrolkommandoerne til robotterne, bruges kun binær faseskift -tastering til datatransmission fra månen til Elsternbrücke og derfra til jorden. Efter omkodning bruges S -båndet til radiokommunikation med jorden, hvortil Elsternbrücke har en sender med 43 W - senderen til transmission til månen har kun 20 W - og en spiralantenne . De kontrolsignaler, der sendes af militærstationerne i det kinesiske dybe rumnetværk i Giyamusi , Kashgar og Argentina til relæsatellitterne og robotterne, transmitteres med en datatransmissionshastighed på 1 kbit / s, telemetridataene ned til dybe rumstationer kl. 2,048 kbit / s.

Overførslen af ​​nyttelastdata til de civile grundstationer på det kinesiske videnskabsakademi i Beijing , Ürümqi , Shanghai og Kunming finder sted enten med 2 eller 4 Mbit / s. Hvis S-båndsystemet skulle svigte, kan dataene også transmitteres via X-båndet og den parabolske antenne, derefter ved 10 Mbit / s. Mens de militære dyb-rum-stationer, der er ansvarlige for driften af ​​relæ-satellitten og robotterne, er distribueret rundt om i verden, så mindst en altid har månen i udsigt, fra 2021 de civile stationer til modtagelse af nyttelastdata er alle i Kina. På de tidspunkter, hvor ingen af ​​disse stationer har sigtelinje til månen, har Elsternbrücke en buffer med en kapacitet på 512 Gbit.

Start og overfør landingsbane

Elsternbrücke (relæ -satellit) (Folkerepublikken Kina)
Kashgar (38 ° 25 ′ 17.04 ″ N, 76 ° 42 ′ 51.84 ″ E)
Kashgar
Giyamusi (46 ° 29 ′ 38,04 ″ N, 130 ° 46 ′ 14,16 ″ E)
Giyamusi
Kunming (25 ° 1 ′ 38,64 ″ N, 102 ° 47 ′ 44,88 ″ E)
Kunming
Ürümqi (43 ° 28 ′ 15,96 ″ N, 87 ° 10 ′ 22,44 ″ E)
Urumqi
Beijing (40 ° 33 ′ 29,88 ″ N, 116 ° 58 ′ 36,12 ″ E)
Beijing
Shanghai (31 ° 5 ′ 31,56 ″ N, 121 ° 8 ′ 11,4 ″ E)
Shanghai
Stationer i det kinesiske dybe rumnetværk, der deltager i Chang'e 4 -missionen (rød = civil; grøn = militær). Ikke på kortet militærstationen i Zapala , Argentina.

Elsternbrücke blev lanceret den 20. maj 2018 kl. 21:28 UTC med en Changzheng-4C- affyringsrampe fra Xichang Cosmodrome . 25 minutter efter opsendelsen trådte satellitten ind i en overførselsbane til månen med en perigee på 200 km og en apogee på 400.000 km, den adskilt fra rakettens øverste etape og solcellepanelerne blev indsat. Yderligere 25 minutter senere blev den parabolske antenne også indsat.

I en afstand af 100 km fra månen antændte teknikerne i Beijing Space Control Center de fire hovedmotorer den 25. maj 2018 kl. 13:32 UTC i 15 minutter og placerede satellitten på en månens L 2 -overføringsbane . Fire dage senere nåede satellitten L 2 -punktet 65.000 km bag månen. Under tilgangen såvel som under drift måtte satellitten ikke komme ind i månens radioskygge . I en kompliceret manøvre med flere brændings- og korrigeringsfaser svingede Elsterbrücke ind i en såkaldt "sydlig halo-bane " med en z-amplitude på 13.000 km indtil den 14. juni 2018 . Det betyder, at satellitens bane er så tilbøjelig til jord-måne-aksen, at den er betydeligt længere væk fra månen i syd, på 79.000 km, end i nord, ved 47.000 km. Orstiden for Elsternbrücke er lige under 14 dage; satellitten kredser to gange omkring L 2 -punktet hver månedag (27,3 jorddage) .

Jordstationerne Giyamusi og Kashgar i det kinesiske dybe rumnetværk blev forbundet til en 3000 kilometer lang VLBI-antenne til manøvren under kommando af Xi'an-satellitstyringscentret , og Delta-DOR-metoden blev brugt til præcis kredsløbsbestemmelse. For ikke at bringe sikkerheden ved sonden i fare, blev der valgt en modificeret Delta-DOR-procedure for den kritiske fase af Halo-kredsløbsplaceringen, hvor synkroniseringsfejlen på stationsure kan detekteres under den relativt rolige tilgang mellem 21. maj og 2. juni og bestemte brydningen af ​​radiobølger i atmosfæren for at få et indtryk af ændringens regelmæssigheder over flere timer. I den kritiske fase fandt der kun en kvasarmåling sted i begyndelsen af ​​arbejdsdagen, hvorefter sporing af Giyamusi og Kashgar ikke længere blev afbrudt i flere timer. Den 27. maj havde Beijing- og Urumqi- stationerne udført konventionel Delta-DOR-banesporing med en lignende baseline og bekræftet gyldigheden af ​​den midlertidige metode. Til sidst var det faktisk muligt at bestemme placeringen af ​​Elsternbrücke under hele processen med en nøjagtighed på 40 cm eller 3 nanosekunder.

Test og operationer

Selvom det er relativt vanskeligt at betjene en satellit i en Halo -bane omkring L 2 -punktet - 74 kredsløbskorrigeringsmanøvrer var påkrævet i de første to år frem til den 21. maj 2020 - er dette den mest omkostningseffektive metode, en forbindelse med den yderste side af månen. En satellit i stationær kredsløb over månens ækvator - analog med geostationære satellitter - ville have en kredsløbshøjde på 88.000 km for at følge med månens rotation på 27,3 dage. Men da det indre Lagrange -punkt L 1 kun er 58.000 km væk fra månen, betyder det, at satellitten ville flyve i jordens tyngdefelt og ville blive trukket ud af sin stationære bane ved dette.

Kommunikation med den fjerntliggende side af månen via relæ -satellitten Elsternbrücke (skema)

En anden mulighed ville have været at bygge et netværk af kommunikationssatellitter, der cirkler på lave baner rundt om månen, svarende til det globale positioneringssystem på jorden. Dette overvejes faktisk for en senere månestation, der forbliver bemandet på lang sigt. Men med en ubemandet sonde som Chang'e 4, med en begrænset missionstid, blev denne metode fundet for dyr.

Et af de kritiske punkter i Elsternbrücke -metoden er den præcise justering af den parabolske antenne. Derfor blev satellitens holdningskontrolsystem i første omgang testet mellem 16. juni og 6. juli 2018. Til dette formål blev den parabolske antenne justeret til Tianma -radioteleskopet i udkanten af ​​Shanghai, og umodulerede bærebølgesignaler blev transmitteret fra satellitten. I løbet af de 20 dage lavede satellitten omkring halvandet kredsløb i sin bane. I løbet af denne tid forblev antennen på linje med jordstationen med en nøjagtighed på 0,06 °, mere end tre gange så god som de krævede 0,2 °.

Efterfølgende, indtil slutningen af ​​juli, blev kommunikationen mellem satellitten og månens overflade omfattende testet ved hjælp af elektriske modeller af landeren og roveren installeret i de militære jordstationer. Både radiotrafik fra satellitten til robotterne og - med signaler sendt fra jordstationerne - fra robotterne til satellitten blev simuleret. Den længere signaludbredelsestid fra jorden i forhold til de virkelige enheder, der opererede på månen, blev regnet ud, og det blev konstateret, at systemerne fungerede korrekt.

Efter at Chang'e 4 nåede månens kredsløb den 12. december, blev X-båndsforbindelsen med relæ-satellitten testet via landerens rundstrålende antenne. Både 125-bit / s-forbindelsen fra satellitten til landeren og 1,4-kbit / s-forbindelsen fra landeren til satellitten fungerede perfekt. Siden månesonden indledte landingen den 3. januar 2019, har telemetri og kommandoer fra grundstationen i Beijing kun kørt over Elsternbrücke, ligesom transmissionen af ​​nyttelastdata, både fra landeren og roveren og - siden 14. november , 2019-fra Holland-Kina Lavfrekvens Explorer , et langbølget radioteleskop med tre stavantenner på selve satellitten.

Mission slut

Af de 105 kg hydrazin, der blev transporteret ved start, blev der forbrugt 52,6 kg under flyvningen til månen og især under de komplicerede kredsløbsmanøvrer for at dreje ind i Halo-kredsløb; I begyndelsen af ​​kredsløbsfasen den 14. juni 2018 havde satellitten stadig 52,4 kg brændstof i sine tanke. Halo -baner omkring Lagrangian -punkterne L 1 og L 2 er iboende ustabile. Elsternbrücke skal udføre en kredsløbskorrektion manøvre cirka hver 9. dag, hver gang der forbruges mellem 80 og 120 g hydrazin. Oprindeligt blev det antaget, at hvis man summerer hastighedsændringerne pr. Bane manøvre, får man i alt 36 m / s om året, og brændstoffet ville blive brugt op i 2023. Takket være den præcise lokalisering af det kinesiske dybe rumnetværk er omfanget af de enkelte manøvrer for det meste i den nedre kant af området. I de første to år, frem til juni 2020, tog det kun en i 20 m / s om året for at opretholde Halo -kredsløbet. I april 2021 antog Zhang Lihua (张立华, * 1970), chefdesigneren for Elsternbrücke, at relæ -satellitten stadig kunne betjenes indtil mindst 2026.

I 2024, det vil sige to år før Elstern -broen forventes at slutte, skal en anden relæ -satellit opsendes med Chang'e 7 -missionen , som vil supplere selve Elstern -broen fra en meget elliptisk bane rundt om månen. På lang sigt skal et komplekst netværk af kommunikations- og navigationssatellitter i forskellige kredsløb, både omkring Lagrange -punkterne L 1 og L 2 og omkring selve månen, bygges for at understøtte robotter og rumrejsendes aktiviteter på bagsiden af månen.

Weblinks

Individuelle beviser

  1. ^ Andrew Jones: Kina arbejder på en stafetsatellit for at støtte månens polare missioner. I: spacenews.com. 26. juli 2021, adgang 27. juli 2021 .
  2. ↑ CAST 100 bus. I: cast.cn. 2. februar 2021, adgang 27. juli 2021 .
  3. ^ A b c d e Zhang Lihua: Udvikling og udsigter til kinesisk måne -relækommunikationssatellit. (PDF; 3,12 MB) I: sciencemag.org. 27. april 2021, adgang til 27. juli 2021 .
  4. ↑ 付毅飞:嫦娥 四号 中继 星 发射 成功 人类 迈出 航天 器 月 背 登陆 第一步. I: news.china.com.cn. 22. maj 2018, adgang til 5. januar 2019 (kinesisk).
  5. ↑ Luyuan Xu: Hvordan Kinas månesatellitrelæ ankom i sin sidste bane. I: planetary.org. 15. juni 2018, adgang til 17. august 2020 .
  6. ↑ 冯华 、 蔡金 曼: “鹊桥” 中继 星 成功 实施 近 月 制动. I: paper.people.com.cn. 26. maj 2018, adgang til 7. januar 2019 (kinesisk).
  7. ^ Christian Circi et al.: Halo -bane dynamik og egenskaber for et månens globale positioneringssystemdesign. I: academic.oup.com. 2. juli 2014, adgang til 28. juli 2021 .
  8. ↑ Wang Mei et al.: Anvendelse af Deep Space VLBI System i Queqiao Mission. I: jdse.bit.edu.cn. Hentet 9. maj 2019 .
  9. ↑ 王 美 et al.:深 空 测控 网 干涉 测量 系统 在 鹊桥 鹊桥 任务 任务 中 的 应用 分析. I: jdse.bit.edu.cn. Hentet 9. maj 2019 (kinesisk).
  10. ↑ 2 年前 的 今天 ： 嫦娥 四号 任务 “鹊桥” 中继 星 发射 成功. I: clep.org.cn. 21. maj 2020, adgang til 22. maj 2020 (kinesisk).
  11. ↑ a b Steed:鹊桥 号 启程 ， 为 嫦娥 四号 登陆 月球 背面 架设 通信 桥梁. I: guokr.com. 20. maj 2018, adgang til 28. juli 2021 (kinesisk).
  12. ↑ Ye Peijian et al:. En oversigt over missionen og tekniske karakteristika Change'4 Lunar Probe. I: engine.scichina.com. 17. april 2017, adgang til 8. januar 2019 .
  13. ↑ 刘磊 et al.:地 月 平 动 点 中继 应用 轨道 维持. I: jdse.bit.edu.cn. 20. oktober 2015, adgang til 30. juli 2021 (kinesisk).
  14. ↑ 赵聪:延寿！ “鹊桥” 还能 飞 10 年. I: mp.weixin.qq.com. 25. april 2019, adgang til 25. december 2020 (kinesisk).
  15. ↑ 张立华 、吴伟仁:月球 中继 通信 卫星 系统 发展 综述 与 展望. I: jdse.bit.edu.cn. 25. november 2018, adgang til 30. juli 2021 (kinesisk).