Спутники-ретрансляторы Argotec и JPL обеспечивают полосу пропускания для более чем 90 миссий.
Луна была целью многих миссий, как никогда раньше, начиная с эпохи Аполлона, и космические агентства, и коммерческие организации одинаково нацеливались на Луну. Например, НАСА разработало несколько миссий с использованием роботов для посещения Луны и доставки людей на Луну, а также рассматривает возможность создания небольшого лунного орбитального аванпоста с международными партнерами в ближайшие 10 лет. База, названная Лунной космической станцией, будет использоваться для хранения припасов, размещения астронавтов и облегчения связи между Луной и Землей.
К 2030 году на Луну запланировано более 90 миссий, и Лунная космическая станция может стать самой амбициозной из них. Конечно, не все запланированные задачи будут реализованы, но многие, если не большинство, в той или иной форме будут реализованы. И это только начало: мы ожидаем, что интерес к Луне будет продолжать расти, что приведет к постоянному присутствию людей на лунной поверхности.
Если этот сценарий станет реальностью, жителям Луны необходимо будет поддерживать связь с Землей. Хотя радио использовалось для прямой связи с Землей во время миссий Аполлона, это не работало во всех случаях. Например, большая часть обратной стороны Луны и ее полюсов не могут напрямую видеть Землю. Даже на стороне, обращенной к Земле, коммуникациям препятствуют холмы и стены кратеров.
Действительно, для прямой связи на сотни тысяч километров требуется мощный терминал связи либо с большой антенной, либо с мощным усилителем (или с тем и другим). Но современные маленькие роботы не имеют ни места, ни мощности, чтобы обеспечить эти большие системы. Лучшим решением для подключения к Луне является создание сети космических кораблей-ретрансляторов на орбите вокруг Луны, обеспечивающих повсеместное непрерывное покрытие.
Итальянская аэрокосмическая компания Argotec и Лаборатория реактивного движения НАСА совместно работают над концепцией орбитального спутника-ретранслятора Андромеда. Argotec разрабатывает концепцию космического корабля, и один из авторов, Балоссино, является руководителем компании по исследованиям и разработкам; Лаборатория реактивного движения предоставляет такие подсистемы, как радиоприемники и антенны, а один из авторов, Даварян (Davarian) является руководителем проекта компания. Схема состоит из 24 спутников-ретрансляторов, группировка которых будет использовать 4 орбиты (по 6 спутников на орбиту). Эта конфигурация обеспечивает непрерывное покрытие полюсов и почти непрерывное покрытие повсюду, лишь с редкими небольшими перерывами. С помощью этой релейной системы он может поддерживать надежную и бесперебойную связь с Землей при выполнении миссий в любом месте на поверхности Луны.
Размещение спутника-ретранслятора на орбите вокруг Луны сопряжено с определенными трудностями. Во-первых, мы хотим использовать стабильную орбиту, а это означает, что спутник практически не требует манипуляций; во-вторых, выбранная орбита должна иметь непрерывную или почти непрерывную физическую прямую видимость к «горячим точкам», где может произойти деятельность человека или робота. быть значительным; в-третьих, мы не хотели отказываться от связи с какой-либо другой частью лунной поверхности, сохраняя при этом высокую видимость в лунных горячих точках.
Южный полюс Луны потенциально может быть горячей точкой из-за льда в кратерах (по крайней мере, в некоторой степени). Для более продолжительных миссий с экипажем может быть проще получить воду, необходимую людям, с Луны, а не с Земли. Кроме того, вода также может обеспечивать водородное топливо для ракет посредством электролиза. Еще одна потенциальная горячая точка — экваториальная область на обратной стороне Луны, где однажды могут быть установлены большие радиотелескопы.
Помимо средств связи, астронавтам, марсоходам и научным приборам необходимо знать, где они находятся на лунной поверхности. Спутники-ретрансляторы действуют как своего рода «лунный GPS», ориентируясь за счет расчета времени, которое требуется сигналам между несколькими спутниками для достижения точки на поверхности Луны. В общем, чем больше спутников-ретрансляторов и орбит, тем лучше. Соответствующая цена заключается в том, что запуск и эксплуатация каждого спутника стоит больших денег. Следовательно, ретрансляционная спутниковая сеть должна обеспечивать наилучшее обслуживание и покрытие с наименьшим количеством спутников.
Класс стабильных орбит, используемый концепцией ретрансляционной сети Argotec, известен как замороженные орбиты. Стабильная орбита может облегчить спутнику пребывание на заданной орбите в течение пяти и более лет. Предлагаемая орбита эллиптическая, с периодом 12 часов и наклонением 57 градусов.Ближайшая точка к поверхности Луны 720 километров, а самая дальняя точка (называемая апоцентром) 8090 километров.
Спутники двигаются медленнее всего в апоцентре своей орбиты и быстрее всего в ближайшей точке. Поэтому, чтобы обеспечить длительную связь, мы хотим, чтобы апоцентрическая точка орбиты находилась примерно над областью потенциальной горячей точки. При выбранной орбите лунные полюса одновременно покрываются 3 спутниками 94% времени и не менее 1 спутником в любой момент времени. При этом экватор Луны покрывается минимум 1 спутником 89% времени и 3-мя спутниками одновременно 79% времени.
Даже в апоцентрической точке спутник-ретранслятор находится на расстоянии менее 10 000 километров от лунной поверхности. Для сравнения, расстояние от Земли до Луны составляет около 400 000 километров. Даже для пользователей, находящихся в прямой видимости с Земли, спутники-ретрансляторы над головой могут сократить расстояние линии связи на 1/40.
Более короткие расстояния связи будут означать, что людям или роботам на лунной поверхности не нужно будет использовать большие коммуникационные терминалы для поддержания связи с Землей с низкой скоростью передачи данных. С помощью спутников-ретрансляторов небольшой терминал связи может передавать сигналы обратно на Землю.
Кроме того, спутники-ретрансляторы означали бы, что два человека в разных местах на поверхности Луны могли бы разговаривать друг с другом без заметной задержки. Без спутника-ретранслятора вызов должен идти на Землю и с Земли, что занимает около 3 секунд. Можно себе представить, насколько неприемлемой была бы задержка телефонного звонка на 3 секунды, и люди быстро осознают важность спутников-ретрансляторов для голосовой или видеосвязи на поверхности Луны.
Разные задачи имеют разные потребности в общении. Для простой текстовой или голосовой связи требуется всего несколько килобит в секунду пропускной способности, в то время как для видео и радиотелескопов высокой четкости требуется мегабит в секунду. Учитывая количество запланированных лунных миссий, спутники-ретрансляторы должны будут одновременно поддерживать несколько каналов связи. Для приложений с более низкой пропускной способностью, таких как текст и голос, один спутник может собирать, объединять и передавать несколько потоков данных. С другой стороны, большой объем данных, генерируемых одним радиотелескопом, может достигать предела возможностей спутника.
НАСА в настоящее время работает над двумя типами радиотелескопов, которые можно было бы развернуть на обратной стороне Луны. Первым из них является Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), сверхдлинноволновый радиотелескоп, предложенный инженерами Лаборатории реактивного движения. LCRT будет наблюдать за Вселенной на частотах ниже 30 мегагерц, которые блокируются ионосферой Земли. Робот развернет проволочную сетку диаметром 1 км в центре кратера диаметром 4 км, создав отражающий радиотелескоп. LCRT станет самым большим параболическим радиотелескопом в Солнечной системе.
Второй предлагаемый телескоп предназначен для тыльной решетки для радионаучных исследований средневековья и экзопланет. Farside Array (FARSIDE) — это низкочастотная интерферометрическая решетка, в которой используется несколько антенн для наблюдения за далекими звездами и другими радиоисточниками. Сопоставляя несколько наблюдений, FARSIDE создает исходное изображение с высоким разрешением и точно определяет его местоположение. Система будет использовать 128 антенн с двойной поляризацией, развернутых в почти круглой зоне диаметром около 10 километров и подключенных к центральной базовой станции обработки и питания. Кроме того, базовая станция также может передавать собранные данные на ретрансляционный орбитальный аппарат (такой, как предлагаемое нами созвездие Андромеды).
FARSIDE способен отображать все небо каждую минуту на частотах от 100 кГц до 40 МГц, а это означает, что, как и LCRT, FARSIDE распространяется на частоты на два порядка ниже наблюдаемого диапазона наземной радиоастрономии. Оба телескопа будут генерировать большие объемы данных для передачи на Землю.
После того, как спутник-ретранслятор получает данные с радиотелескопа на обратной стороне Луны или любого другого устройства на лунной поверхности, ему необходимо отправить данные на Землю. На Земле требуются большие антенны с достаточным усилением и чувствительностью для поддержки каналов связи со скоростью не менее 100 мегабит в секунду. В идеале каждая дорогая наземная антенна должна иметь возможность одновременно принимать сигналы от нескольких спутников-ретрансляторов, что сокращает количество антенн, которые необходимо построить.
Хорошим примером необходимого типа наземной сети является сеть дальнего космоса НАСА (DSN). DSN построила три базовых станции антенных комплексов по всему миру, расположенных в Калифорнии, Австралии и Испании, на каждой площадке установлено несколько больших высокочувствительных антенн. Тем не менее, DSN предназначен для поддержки миссий в дальнем космосе за пределами Луны, и это может быть излишним для лунной ретрансляционной системы. Кроме того, многие текущие и запланированные задачи предъявляют высокие требования к DSN. Таким образом, хотя это может быть хорошим начальным вариантом, в долгосрочной перспективе будет дешевле и эффективнее арендовать или построить коммерческую наземную станцию.
Для лунного космического корабля-ретранслятора требуется всего 50 или 60 килограммов, что мало по спутниковым меркам. Мы разработали концептуальный спутник, который со сложенными солнечными панелями и антеннами имеет размеры 44 x 40 x 37 см и массу (включая топливо) 55 кг. Система оснащена четырехканальным оборудованием беспроводной связи, разработанным JPL, два из которых работают в K-диапазоне (примерно 26 ГГц) и два канала в S-диапазоне (примерно 2 ГГц). Один канал К-диапазона соединяется с Землей (спутник-Земля на скорости 100 Мбит/с, Земля-спутник на скорости 30 Мбит/с), остальные 3 канала соединяются с Луной. Канал S-диапазона обеспечивает канал со скоростью 64 кбит/с от спутника к поверхности Луны и канал со скоростью 256 кбит/с от поверхности Луны к спутнику. Остальные каналы K-диапазона обеспечивают связь спутник-луна со скоростью 16 Мбит/с и связь луна-спутник со скоростью 100 Мбит/с.
Наши спутники используют K-диапазон для связи Земля-спутник по двум причинам. Во-первых, доступная пропускная способность К-диапазона для космической связи больше, чем у других диапазонов, во-вторых, при одинаковом размере антенны коэффициент усиления К-диапазона выше. Другими словами, антенны K-диапазона могут более эффективно преобразовывать принимаемые сигналы в электрическую энергию. Недостатком использования K-диапазона является его чувствительность к погодным условиям, например, дождь может легко вызвать затухание связи. Спутники-ретрансляторы требуют дополнительных резервов мощности для поддержания стабильной связи.
Текущие конструкции спутников связи имеют 3 антенны: управляемую 50-сантиметровую антенну K-диапазона для связи Земля-спутник и фиксированную «метаповерхностную» антенну K-диапазона, которая имеет низкий профиль, малую массу и проста в изготовлении при малых стоит и может выдерживать суровые условия космического пространства, кроме того, имеется фиксированная антенная решетка S-диапазона. Мы также рассматриваем возможность установки небольшой антенны X-диапазона (около 7 ГГц) для связи Земля-спутник, что обеспечит дополнительную надежность и резервирование. Здесь X-диапазон является хорошим выбором, хотя скорость передачи данных ниже, но по сравнению с K-диапазоном он менее подвержен дождю и затуханию.
В настоящее время мы завершаем проектирование космического корабля. Мы намерены максимально использовать имеющиеся в продаже аппаратные средства, чтобы снизить затраты. Однако нам все еще необходимо улучшить некоторые новые технологии, чтобы обеспечить производительность, требуемую спутниками, при соблюдении требований к качеству и мощности. Метаповерхностная антенна, которую можно распечатать на 3D-принтере, — это новая технология, разработанная Лабораторией реактивного движения для малых спутников. Доступная передающая антенна диаметром 2 см имеет изотропное усиление более 32 дБ, измеренное на частоте 32 ГГц. Мы ожидаем увеличить усиление до 34 дБ за счет недавних улучшений конструкции. Мы также работаем над двухдиапазонным функционалом, который позволит антенне одновременно передавать и принимать сигналы.
Кроме того, мы надеемся использовать более компактное и легкое устройство беспроводной связи с программно-определяемым транспондером (UST-Lite). JPL завершила предварительные тепловые испытания прототипа UST-Lite, чтобы убедиться, что тепло, выделяемое оборудованием беспроводной связи, может рассеиваться, не влияя на производительность. Мы провели дополнительные тесты, чтобы лучше охарактеризовать пороги приема прототипа, частоту ошибок по битам, формы сигналов передачи и т. д. Мы продолжим оптимизировать параметры приемника и разрабатывать новые модули, охватывающие К-диапазон. (Модули S-диапазона и X-диапазона в настоящее время находятся в разработке.)
Кроме того, мы работаем над удовлетворением требований к программному обеспечению для сети. Например, в настоящее время не существует стандарта протокола для связи S- и K-диапазонов между спутниками-ретрансляторами и пользователями Луны. С этой целью мы начали работать с Консультативным комитетом по системам пространственных данных, чтобы внедрить такой стандарт.
Можно понять, что целью лунного коммуникационного оборудования является создание возможностей, подобных 5G, по всей Луне. Это означает использование преимуществ технологии 5G везде, где это возможно, например, установка вышек сотовой связи на Луне в дополнение к ретрансляторам. Этот подход может подключить к лунной сети многие другие типы устройств, например, сети датчиков IoT с низким энергопотреблением и беспилотные автомобили.
Наша коммуникационная сеть – это только первый шаг. В будущем люди на Луне смогут отправлять и получать текстовые сообщения, совершать телефонные звонки и передавать данные по своему желанию. Точно так же роботы и датчики будут связаны по беспроводной сети, как устройства IoT здесь, на Земле. Роботом можно управлять дистанционно, а датчики могут автоматически загружать данные измерений.
Для реализации такого видения лунной связи может потребоваться несколько поколений лунных сетей связи. Но мы твердо верим, что однажды люди поселятся на Луне и будут заниматься наукой, технологиями и торговлей в надежной беспроводной среде.
Алессандро Балоссино, Фарамаз Давариан
Сканируйте и присоединяйтесь к бесплатной планете знаний «Умный город, умный транспорт», чтобы узнать больше отраслевой информации и материалов.
Добро пожаловать в группу интеллектуальных транспортных технологий!
Контактная информация: WeChat ID 18515441838