Microsatellites Lunaires LongJiang

naturenature communicationsarticles

  1. article

Conception et résultats de vol du système de communication VHF / UHF des microsatellites lunaires Longjiang

Nature Communications volume 11 , Réf .: 3425 (2020) Citer cet article

Résumé

Dans le cadre de la mission lunaire éloignée Chang’e-4 de la Chine, deux microsatellites lunaires pour la radioastronomie basse fréquence, la radio amateur et l’éducation, Longjiang-1 et Longjiang-2, ont été lancés en tant que charges utiles secondaires le 20 mai 2018 avec le Queqiao Satellite relais L2. Le 25 mai 2018, Longjiang-2 s’est inséré avec succès sur une orbite elliptique lunaire de 357 km × 13 704 km et est devenu le plus petit vaisseau spatial à entrer en orbite lunaire avec son propre système de propulsion. Le satellite transportait le premier système de radiocommunication amateur fonctionnant en orbite lunaire, qui est une radio définie par logiciel (SDR) VHF / UHF conçue pour fonctionner avec de petites stations au sol. Cet article décrit et évalue la conception de la radio VHF / UHF et les formes d’onde utilisées. Les résultats de vol de la radio VHF / UHF sont également présentés, y compris le fonctionnement de la radio,

Introduction

Longjiang-1 et Longjiang-2 sont une paire de micro-satellites lunaires pour la radioastronomie basse fréquence, la radio amateur et l’éducation, développé par le Harbin Institute of Technology, dans le cadre de la mission lunaire éloignée Chang’e-4 1 . Les satellites, chacun avec un volume de 765 × 420 × 570 mm 3et une masse d’environ 47 kg, ont été lancés sur une orbite de transfert lunaire le 20 mai 2018 par une fusée CZ-4C en tant que charges utiles secondaires, ainsi que le satellite relais Queqiao L2. Malheureusement, Longjiang-1 a été perdu à cause d’un dysfonctionnement de la logique de commande du propulseur lors de la première manœuvre de correction de trajectoire (TCM). La logique de Longjiang-2 a ensuite été corrigée, et après 113 h de vol depuis le lancement, le satellite s’est inséré avec succès dans une orbite elliptique lunaire de 357 km × 13704 km, et est devenu le plus petit vaisseau spatial qui est entré en orbite lunaire indépendamment.

Outre les radios en bande S et en bande X exploitées par le réseau chinois de l’espace lointain (CDSN), Longjiang-1 et Longjiang-2 étaient équipés de radios VHF / UHF identiques pour les expériences de radio amateur et le suivi de secours, la télémétrie et la commande (TT&C ). La radio à bord du Longjiang-2 est le premier système de communication radio fonctionnant sur des bandes de radio amateur qui a été placé en orbite lunaire.

Les radioamateurs construisent et suivent des satellites depuis 1961 2 . De nos jours, de nombreux petits satellites développés pour des universités et des projets de développement technologique utilisent des fréquences radioamateurs et le protocole de couche de liaison AX.25 3 , 4 . Avec le développement d’Internet, plusieurs réseaux mondiaux de suivi par satellite ont été développés par des radioamateurs, par exemple SatNOGS 5. En outre, les radioamateurs du monde entier utilisent la Lune comme réflecteur naturel pour le rebond de la lune, ou la communication Terre-Lune-Terre (EME). À ces fins, les radioamateurs exploitent un grand nombre d’antennes à gain élevé dans le monde, formant un possible réseau spatial non gouvernemental et non commercial, bien que la taille des antennes soit relativement petite. VHF / UHF est parmi les bandes les plus populaires utilisées pour l’EME.

Avant Longjiang-2, plusieurs satellites fonctionnant sur des bandes de radio amateur ont été lancés dans l’espace lointain, dont UNITEC-1 (trans-Venus, Japan, 2010) 6 , Shin’en2 (héliocentric orbite, Japon, 2014) 7 , ARTSAT2-DESPATCH (orbite héliocentrique, Japon, 2014) 8 et 4M-LXS (survol lunaire, Luxembourg, 2014) 9. Ces satellites utilisaient des schémas de modulation CW ou JT65 pour la liaison descendante de données en raison des faibles seuils de démodulation de ces modes, mais les débits de données sont trop faibles (<10 bps) pour les données de charge utile, de sorte que seule la transmission de certaines données de gestion très basiques est possible. Les fréquences UHF, dont certaines sont attribuées au service par satellite amateur, sont largement utilisées par les missions spatiales lointaines pour les liaisons de proximité inter-sondes, par exemple le lien entre l’atterrisseur chinois Chang’e-3 et le rover Yutu, et la charge utile de proximité Electra de la NASA pour Explorateurs de Mars 10 .

Dans cet article, nous présentons le système de communication VHF / UHF des micro-satellites lunaires de Longjiang. En tant que micro-satellites lunaires de ferroutage, Longjiang-1 et Longjaing-2 étaient très limités à bien des égards. Chacun des satellites a un poids humide de seulement 47 kg, dont 15 kg de propulseur pour les manœuvres en orbite nécessaires, donc la mécanique et l’électronique doivent être très légères. Les panneaux solaires déployables n’ont pas été utilisés en raison de problèmes de poids, ce qui limite les capacités de production d’électricité. La taille de l’antenne est limitée par l’enveloppe disponible du lanceur, ce qui rend difficile l’obtention d’un gain et d’une efficacité élevés. Sur la base de l’analyse ci-dessus, il était difficile pour la radio VHF / UHF de fonctionner en orbite lunaire avec des ressources limitées à bord et au sol. Pour surmonter cela,

Résultats

Analyse de mission et configuration du système

Longjiang-1 et Longjiang-2 ont été conçus pour se séparer du lanceur à une altitude d’environ 200 km au-dessus du Pacifique. Avant de mettre en orbite autour de la Lune, les satellites ont dû effectuer plusieurs manœuvres de correction de trajectoire (TCM) et une manœuvre d’injection en orbite lunaire (LOI), avec leur propre propulsion. Après cela, quelques manœuvres ont été nécessaires pour atteindre une orbite elliptique stable. Leur partenaire, le satellite relais Queqiao, est passé par la Lune et a poursuivi son voyage vers l’orbite 1 du halo L2 . La figure  1a montre une image des satellites Longjiang-1/2 sur le dernier étage du lanceur CZ-4C, ainsi que le satellite relais Queqiao 11 . L’orbite de Longjiang-1/2 de la Terre à la Lune et les positions des manœuvres sont représentées sur la figure  1b .

figure1
Fig. 1: Longjiang-1/2 satellites.

Sur la base de l’orbite conçue, après l’orbite de la Lune, la distance entre le satellite et une station au sol typique varie de ~ 340 000 km à ~ 420 000 km, bien plus grande que pour les satellites LEO. La vitesse en visibilité directe entre le satellite et une station au sol typique est comprise entre environ ± 2 km / s, bien plus petite que pour les satellites LEO. Les budgets de liaison descendante et montante pour la radio VHF / UHF sont indiqués dans le tableau supplémentaire  1 et le tableau supplémentaire  2 .

Les missions de la radio VHF / UHF sont définies comme:

  1. (a) Expérience de radio amateur sur orbite lunaire. Les signaux de liaison descendante pourraient être reçus avec des antennes de taille raisonnable et des récepteurs commerciaux du commerce lorsque les satellites étaient en orbite de transfert lunaire et en orbite lunaire.
  2. b) Télémétrie et commande de secours, en particulier lorsque les stations au sol en bande S n’étaient pas disponibles. En particulier, après le déploiement des satellites à partir du lanceur, avant que la bande S ne soit disponible, les premières télémétries des satellites devaient être reçues en UHF.
  3. (c) Fournir une alimentation et une interface de contrôle / données à une caméra couleur CMOS miniature. Les données d’image de la caméra CMOS peuvent être téléchargées via une liaison descendante UHF.
  4. (d) Fournir une interface de commande ouverte pour permettre aux radioamateurs d’envoyer des commandes pour contrôler la caméra.

Un système TT&C par satellite classique en bande S ou en bande X utilise généralement deux antennes à polarisation circulaire dans des directions opposées alimentées par un réseau RF composé de circulateurs et de coupleurs hybrides pour une couverture omnidirectionnelle. Mais pour la bande VHF / UHF, la taille des antennes à polarisation circulaire et d’un tel réseau RF est trop grande pour Longjiang-1/2. D’autre part, les antennes bi-bande VHF / UHF sont largement utilisées par les systèmes de communication mobiles. Un duplexeur simple composé d’un filtre passe-bas et d’un filtre passe-haut peut être utilisé pour séparer les signaux de réception et d’émission. Un problème des antennes bi-bande VHF / UHF est qu’elles ont généralement une polarisation linéaire et des nuls profonds. Pour surmonter cela, deux antennes raccourcies à double bande à polarisation linéaire ont été utilisées et montées en – X et + Zdirections, comme le montre la Fig.  1c . Ces deux antennes remplissent les valeurs nulles l’une de l’autre et se traduisent par une couverture omnidirectionnelle. Les deux antennes sont connectées à une paire d’émetteurs-récepteurs. Les deux canaux de réception fonctionnent sur la même fréquence, et les deux canaux d’émission fonctionnent sur deux fréquences espacées de 1 MHz. Pour la liaison montante, une commande peut être reçue par l’un ou les deux émetteurs-récepteurs. Pour la liaison descendante, les deux émetteurs fonctionnent généralement en mode rafale pour économiser l’énergie et peuvent être allumés simultanément pour augmenter le débit de données disponible et obtenir une bande passante plus large pour la mesure VLBI.

Conception de l’émetteur-récepteur

La conception radio VHF / UHF de Longjiang-1/2 comprend deux émetteurs-récepteurs SDR indépendants et une caméra CMOS miniature, intégrés dans une couche de la pile d’électronique embarquée. Chaque émetteur-récepteur comprend un récepteur I / Q à basse fréquence intermédiaire (LIF) et un émetteur à modulation directe. Le traitement en bande de base numérique est effectué par un processeur ARM. Les émetteurs-récepteurs peuvent être reconfigurés pour différentes formes d’onde de liaison montante et descendante, sans modifications sur le matériel. Le schéma de principe de la radio VHF / UHF est montré sur la figure  2a , des images montrant le matériel de vol de la radio VHF / UHF et de l’antenne sont représentées sur la figure  2b, c .

figure2
Fig. 2: Matériel de la radio VHF / UHF.

De nombreux SDR utilisent un FPGA pour le traitement du signal, ce qui en fait un système complexe et gourmand en énergie. Pour les applications à faible débit, l’utilisation de processeurs pour le traitement du signal est également possible. Le satellite ARISSat-1, développé par AMSAT, était équipé d’un transpondeur SDR embarqué basé sur des processeurs dsPIC et a été lancé en 2011 12 . Le Harbin Institute of Technology a également développé une série d’émetteurs-récepteurs SDR basés sur des processeurs ARM Cortex-M4F pour LilacSat-2, BY70-1, LilacSat-1 13 , etc. L’unité à bord de LilacSat-2 fonctionne en LEO depuis plus de 4 ans . Pour Longjiang-1/2, un processeur ARM Cortex R4F avec processeurs lockstep et mémoires protégées EDAC a été sélectionné pour l’environnement de rayonnement en orbite lunaire.

Dans le trajet du récepteur, le signal d’entrée de 145 MHz est d’abord amplifié par un amplificateur à faible bruit, puis converti à la fréquence intermédiaire (IF) de 98 kHz par un démodulateur I / Q de rejet d’image, puis filtré et amplifié par le filtre IF et amplificateur qui convertit également le signal différentiel en asymétrique. Enfin, les signaux I et Q sont numérisés par un convertisseur AD double canal à une fréquence d’échantillonnage de 56 ksps. Aucun contrôle de gain automatique analogique (AGC) n’a été utilisé pour le trajet du récepteur, et les gains des amplificateurs ont été réglés aussi bas que possible. Cela a amélioré les performances pour une liaison montante en rafale très faible. Le fonctionnement en virgule flottante est utilisé dans les démodulateurs pour fournir une plage dynamique suffisante.

Le chemin de transmission est assez simple. Un modulateur FSK / GMSK module directement les données vers la porteuse émettrice 435 MHz. Ensuite, le signal modulé est amplifié par un amplificateur pilote de classe A, puis par un amplificateur de puissance classe C à haut rendement. Un capteur de température est utilisé pour surveiller la température de l’amplificateur de puissance. Le signal de sortie est filtré pour supprimer les émissions sur le récepteur et les fréquences harmoniques, avant que le port ne soit combiné avec le récepteur à l’aide d’un duplexeur.

Les émetteurs-récepteurs fournissent également une interface d’alimentation et de données à la caméra CMOS miniature. Les deux émetteurs-récepteurs peuvent prendre le contrôle de la caméra.

Les spécifications de la radio VHF / UHF sont indiquées dans le tableau supplémentaire  3 .

Conception de forme d’onde

Deux formes d’onde de liaison descendante et deux formes d’onde de liaison montante sont conçues pour la radio VHF / UHF du Longjiang-1/2: télémétrie GMSK, télémétrie JT4G, télécommande GMSK et télécommande à bas débit (LRTC).

La liaison de télémétrie est la liaison la plus critique de la radio VHF / UHF de Longjiang-1/2. La modulation GMSK a été choisie en raison de plusieurs avantages:

  1. (a) Phase continue. GMSK est une modulation de phase continue. L’étage de sortie de l’émetteur peut utiliser un amplificateur de classe C.
  2. (b) Bonnes performances de taux d’erreur sur les bits (BER). Lors de l’utilisation d’un démodulateur cohérent, une performance BER assez similaire à BPSK / QPSK peut être obtenue, en particulier lorsque BT = 0,5.
  3. (c) Matériel modulateur simple. Les signaux GMSK peuvent être générés à partir de plusieurs méthodes, y compris avec un modulateur OQPSK ou un simple modulateur FM, même par contrôle direct du mot de commande de fréquence d’un VCO.
  4. (d) Haute efficacité spectrale. GMSK est l’une des modulations recommandées par le CCSDS pour la télémétrie à débit moyen, principalement en raison de son efficacité spectrale élevée. Cependant pour Longjiang-1/2, la bande passante n’est pas une préoccupation majeure car le débit de données est assez faible.

La télémétrie GMSK peut fonctionner en mode rafale pour transmettre l’état de base du satellite et de la radio elle-même en tant que bacon, ou en mode flux pour transmettre l’entretien ménager détaillé de tous les sous-systèmes. Le débit de symboles peut être commuté entre 250 et 500 bps. Le code turbo est sélectionné pour le codage de canal, car il fournit le gain de codage le plus élevé parmi les codes recommandés par CCSDS. La taille de bloc sélectionnée est 1784 et le taux de codage peut être commuté entre 1/2, 1/3, 1/4 et 1/6.

Côté sol, des variations sur les récepteurs à modulation par décalage de phase en quadrature décalée (OQPSK) peuvent être utilisées pour la démodulation GMSK. S. Shambayati et DK Lee ont fourni les résultats FER du récepteur DSN OQPSK standard et certaines de ses variations pour la télémétrie à débit moyen 14 . Pour le cas de Longjiang-1/2, la situation est plus difficile. Le débit de données et le signal C / N 0pour Longiang-1/2 est assez faible, donc un filtre à boucle étroite doit être utilisé. Le temps d’acquisition résultant de la boucle de suivi de porteuse est trop long pour un fonctionnement en mode rafale, qui est utilisé pour réduire la consommation d’énergie. Pour améliorer les performances du système, un détecteur de marqueur de synchronisation attaché (ASM), qui agit comme un corrélateur à la fois dans le domaine temporel et fréquentiel, est utilisé pour aider à l’acquisition de la boucle de suivi de porteuse, comme le montre la figure  3a . Le flux d’entrée est d’abord multiplié par un ensemble de prises, qui sont les conjugués de l’ASM, avant de calculer une FFT, puis le bac de sortie FFT avec une puissance maximale est recherché dans le domaine temporel et fréquentiel. La puissance du bac est utilisée pour un contrôle automatique de gain (AGC) en boucle ouverte et l’estimation de E b / N 0, qui est nécessaire au décodeur turbo. La fréquence et la phase du bac sont utilisées pour définir l’état initial de NCO. L’heure à laquelle la puissance maximale est trouvée est marquée pour la synchronisation des symboles.

figure3
Fig. 3: Modulateurs et démodulateurs du système de communication VHF / UHF.

Une boucle de suivi de porteuse OQPSK est utilisée pour la récupération de porteuse. Un filtre adapté, qui est la décomposition Laurent du premier ordre du signal BT = 0,5 GMSK, est également inclus pour la netteté des bits 15 . La sortie du filtre adapté est ensuite échantillonnée au moment approprié pour générer les symboles démodulés.

Pour travailler avec le démodulateur cohérent, un précodeur est utilisé pour éviter la propagation d’erreurs sur les bits introduites par la propriété intrinsèquement différentielle de la modulation GMSK comme recommandé par CCSDS 16 .

Les démodulateurs ont été implémentés avec C ++ et Python sur GNU Radio. Le seuil C / N 0 résultant pour 500 bauds GMSK avec r  = 1/4 turbo code ou 250 bauds GMSK avec r  = 1/2 turbo code avec un taux d’erreur de paquet de 0,1 est ~ 24 dBHz. Avec un bon amplificateur à faible bruit (LNA), une sensibilité de ~ -149 dBm peut être obtenue.

La balise JT4G a été conçue pour pouvoir être reçue par de très petites stations au sol et incluait un état très basique de la radio à des fins de dépannage. Le mode est sélectionné parmi les modes conçus par Joe Taylor pour les communications EME 17 . Le mode le plus populaire parmi ceux-ci est JT65B, qui utilise 2,69 bps 65-FSK avec (63, 12) code Reed-Solomon, et a été utilisé par la mission de survol lunaire 4M-LXS. Pour Longjiang-1/2, comme il a été conçu pour orbiter la Lune sur une orbite elliptique, le taux Doppler au périgée serait assez important. Pour cette raison, le mode JT4G a été sélectionné, qui utilise 4,375 bps 4FSK pour une meilleure robustesse pour une plus grande diffusion Doppler et un taux Doppler. Un  code convolutif r  = 1/2, k = 32 est utilisé par JT4G pour le codage de canal. La résultanteLe seuil C / N 0 est de ~ 17 dBHz.

GMSK est également la modulation sélectionnée pour la liaison montante de la télécommande. Le débit de symboles est de 250 bps. Pour plus de robustesse et de simplicité embarquée, un démodulateur non cohérent a été développé sur la base d’une version complexe du détecteur différentiel à un bit introduit par MK Simon 18 . Le signal d’entrée est d’abord filtré par un filtre gaussien, puis divisé en deux bras. Un bras est retardé d’un temps de symbole puis conjugué et un autre n’est pas modifié. Ensuite, les deux bras sont multipliés ensemble, puis échantillonnés pour obtenir les symboles récupérés. Le détecteur ASM décrit précédemment est également utilisé pour fournir une estimation de fréquence et de synchronisation. Un code Reed-Solomon (64, 32) est utilisé pour le codage de canal. Le résultat C / N 0au seuil est de ~ 33 dBHz et la sensibilité du récepteur est de −132 dBm. Un schéma de principe du récepteur de télécommande GMSK embarqué est représenté sur la figure  3b .

Un nouveau système LRTC a été développé pour une meilleure sensibilité que la télécommande GMSK. L’idée est de représenter les symboles en transmettant des ASM modulés par GMSK sur deux fréquences différentes. Il peut être considéré comme FSK-DSSS-GMSK, bien que le décalage de fréquence de GMSK soit plus étroit que le décalage de fréquence de FSK. En variante, on peut considérer que l’ASM modulé est utilisé comme mise en forme de symbole des symboles FSK. Il en résulte un débit de symboles de 7,8125 bps. La figure  3c montre le schéma de principe de l’émetteur de télécommande à bas débit.

A bord du satellite, le détecteur ASM pour la télémétrie GMSK est réutilisé comme discriminateur de fréquence. Le détecteur ASM est un corrélateur pour une séquence pseudo-aléatoire. On sait que cela introduit un gain de traitement qui atténue plusieurs types de signaux parasites. La figure  3d montre le schéma de principe du récepteur de télécommande à bas débit embarqué. La figure  3e montre les performances BER du démodulateur LRTC avec différentes valeurs de N bin , par rapport à d’autres modulations et démodulateurs, où N bin est le nombre de cases FFT utilisées pour rechercher la puissance maximale. Quand N bin = 2, la bande passante et les performances BER du démodulateur LRTC sont identiques à la limite théorique du démodulateur FSK non cohérent. En effet, le démodulateur LRTC est un type particulier de démodulateur FSK non cohérent. Lorsque le débit de symboles est très faible, un décalage de fréquence et une largeur de bande du récepteur beaucoup plus importants que le débit de symboles sont généralement utilisés pour obtenir une meilleure tolérance à l’erreur de fréquence. Dans ce cas, le démodulateur LRTC offre de bien meilleures performances BER que le démodulateur FSK non cohérent typique et est plus robuste contre les interférences à bande étroite.

Fonctionnement de la radio VHF / UHF

Les radios VHF / UHF à bord de Longjiang-1 et Longjiang-2 ont été mises sous tension dès que les satellites ont été séparés du lanceur le 20 mai 2018 à 21:54:50 UTC et le 20 mai 2018 à 21:55:20 UTC. Les radioamateurs du Brésil, du Chili et des États-Unis ont repéré les signaux de liaison descendante des deux satellites et ont continué à suivre les satellites jusqu’au 21 mai 2018 à 02h49 UTC, lorsque les radios VHF / UHF ont été éteintes en raison de la surchauffe des batteries. Pendant ce temps, la distance maximale entre les satellites et les stations au sol était <70 000 km, il ne fallait donc qu’une petite antenne pour la réception. Les radios fonctionnaient en mode rafale et transmettaient les paramètres d’entretien des bus satellites et des radios elles-mêmes toutes les 5 minutes. 37 paquets ont été reçus de Longjiang-1 et 37 autres paquets de Longjiang-2.

Le 23 mai 2019, la radio VHF / UHF de Longjiang-2 a été allumée après la première correction de cap, de 12h31 UTC à 12h55. Les signaux du satellite ont été reçus par l’antenne parabolique de 12 m à Shahe, en Chine, et les radioamateurs en Pologne.

Longjiang-2 a atteint une orbite elliptique lunaire de 357 × 13704 km après une insertion réussie de l’orbite lunaire le 25 mai 2018 à 14h08 UTC. La première activation de la radio VHF / UHF après l’orbite de la Lune s’est déroulée du 2 juin 2018 à 22:00:00 UTC au 2 juin 2018 à 23:50:00 UTC. Les signaux de liaison descendante du satellite ont été reçus aux Pays-Bas, en Pologne, au Royaume-Uni et en Chine. Il s’agissait de la première transmission sur des bandes radioamateurs depuis l’orbite lunaire.

La première transmission d’image via la radio VHF / UHF a eu lieu le 4 août 2018, pour télécharger une image de ciel étoilé avec Mars en vue. La radio VHF / UHF a fourni à l’équipe un lien direct pour contrôler la caméra CMOS miniature embarquée, permettant au satellite de répondre à certaines tâches d’imagerie occasionnelles. La figure  4c montre une image de l’éclipse solaire totale en Amérique du Sud prise par Longjiang-2, avec l’ombre de la Lune, de la Terre et de l’éclipse en vue. L’image a été prise par la caméra CMOS miniature le 2 juillet 2019 et transmise via la radio VHF / UHF au format de vidéo numérique à balayage lent (SSDV) 19 le 3 juillet 2019. La taille du fichier de l’image est de 19,1 ko et a pris ~ 22 min à télécharger à 500 bauds avec r  = 1/4 turbo code.

figure4
Fig. 4: Fonctionnement de la radio VHF / UHF.

Le 7 octobre 2018, les signaux de liaison descendante UHF rebondis sur la Lune ont été observés pour la première fois. Le trajet direct et les signaux du trajet de rebond de la lune se distinguent par un Doppler différent et correspondent assez bien à la prédiction, comme le montre la figure  4f . La différence de décalage de fréquence Doppler est très faible, de sorte que ce phénomène peut à peine être observé pour un émetteur avec une bande passante plus grande.

Pour éviter d’éventuelles collisions ou débris pour de futures missions, la mission de Longjiang-2 s’est terminée par un impact lunaire prévu le 31 juillet 2019, à la suite d’une manœuvre réalisée le 24 janvier 2019 pour abaisser le périapsis du satellite et les perturbations orbitales sur temps. Pendant toute la mission, les radios VHF / UHF ont été activées 177 fois. 20945 paquets GMSK et 883 paquets JT4G ont été collectés par 50 stations au sol différentes de 17 pays, dont les Pays-Bas, l’Allemagne, le Japon, l’Espagne, les États-Unis, Maurice, Israël, le Chili, le Royaume-Uni, l’Italie, l’Argentine, le Danemark, le Brésil, la Pologne, l’Australie , La Lettonie et la Chine. Dans tout, 763 commandes de liaison montante ont été envoyées via VHF depuis une station au sol en Allemagne (la station au sol du radioamateur Reinhard Kühn DK5LA) et deux stations au sol en Chine (la station au sol du radioamateur Zhang Jianhua BA7KW et la station au sol du Harbin Institute of Technology) . Au total, 135 images prises par la caméra CMOS miniature ont été entièrement ou partiellement téléchargées.

Analyse des performances des signaux de liaison descendante

Une étude des performances du système de communication a été réalisée à partir des données de QI recueillies par quatre stations dans le monde: Dwingeloo aux Pays-Bas, Wakayama au Japon et Shahe et Harbin en Chine. Les informations sur les stations au sol utilisées sont présentées dans le tableau supplémentaire  4 . Les données ont été enregistrées le 5 juillet 2019 de 07h40 à 08h00 UTC et consistent en une transmission GMSK à 500 bauds à 436,400 MHz envoyant une seule image au format SSDV. Un  code turbo r = 1/4 a été utilisé comme FEC. Ci-dessous, nous montrons une évaluation de certains paramètres clés du système de communication: spectre, détection ASM et diagramme de constellation. Ceux-ci mesurent les performances de l’ensemble de la chaîne de communication, y compris l’émetteur, le trajet de propagation, la station au sol et le récepteur logiciel.

Le spectre du signal GMSK, tel qu’il est reçu dans chacune des stations au sol, est représenté sur la figure  4e . Le rapport signal sur bruit (SNR) du signal reçu dans chaque station au sol est différent, en raison de leurs antennes différentes.

Les chiffres de la première colonne de la figure  5 montrent la corrélation du signal avec l’ASM, dans la case FFT où le pic principal est détecté. Comme décrit dans la section 3, l’algorithme de détection ASM fonctionne en multipliant le signal avec le conjugué complexe de l’ASM et en prenant une FFT pour rechercher en fréquence et intégrer de manière cohérente pendant toute la durée de l’ASM. Sur les figures, l’amplitude du signal est normalisée de telle sorte que la puissance de bruit dans chacune des cases FFT soit une lorsque le signal n’est pas présent. Notez que la corrélation du signal avec l’ASM est significativement plus grande que celle même bien éloignée du pic principal. Cela est dû au fait que les données transmises ont une corrélation croisée non nulle avec l’ASM.

figure5
Fig. 5: Performances de liaison descendante de Longjiang-2 reçues par différentes stations au sol.

De plus, l’amplitude et la fréquence du pic principal sont évaluées sur les figures de la deuxième colonne de la figure  5 . La trace de «corrélation (avec perte de feston)» montre la magnitude du pic principal dans le bac FFT où la puissance est la plus grande. Une partie de la puissance du signal est ainsi perdue vers d’autres bacs FFT en raison de la perte de festonnage. La trace de «corrélation (pas de perte d’écaillage)» fait la somme sur plusieurs cases FFT pour récupérer la plupart de la puissance du signal. Ainsi, il donne une bonne estimation du signal E b / N 0 .

Nous faisons les remarques suivantes sur les chiffres ASM. Premièrement, nous voyons que la fréquence à laquelle l’ASM est détecté continue de diminuer régulièrement en raison du changement de Doppler, mais il y a un saut d’environ 20 Hz au milieu. Cela a été causé par un saut de fréquence occasionnel dans l’oscillateur à cristal de compensation de température (TCXO) de l’émetteur Longjiang-2, car la compensation a été effectuée par commutation numérique. Ce problème a été observé lors du test au sol, mais nous n’avons pas eu assez de temps pour trouver un remplaçant. Pendant les opérations de l’engin spatial, ces sauts occasionnels du TCXO ont corrompu certains des paquets reçus, car ils ont fait perdre le verrouillage au récepteur PLL. Deuxièmement, les données enregistrées à Harbin montrent une détection fiable de l’ASM pour un signal faible de ~ -2 dB E b / N 0. Le décodage des données turbo codées nécessitant un E b / N 0 ~ 0 dB, cela montre que la détection ASM est suffisamment robuste.

En examinant les symboles à la sortie du démodulateur OQPSK, nous pouvons faire les tracés de constellation, comme indiqué dans la troisième colonne de la figure  5 . Une bande passante PLL de 8 Hz a été utilisée dans cette analyse. Les trames de données utilisées pour dessiner les tracés n’ont aucune erreur à la sortie du turbo décodeur. À mesure que le SNR diminue, les points de constellation deviennent plus grands en raison du bruit additif. Si l’un des points est mal identifié comme un autre, une erreur de symbole se produit. Le SNR à Harbin était suffisamment bas pour que les symboles ne soient plus reconnaissables dans le graphique de la constellation. Cependant, le turbo décodeur était toujours capable de récupérer des trames valides. Cela montre que le système de réception a de bonnes performances même à un SNR très bas.

Première expérience VLBI UHF en orbite lunaire

L’interférométrie à très longue base (VLBI) est une technique d’interférométrie utilisée dans la radioastronomie et la détermination de l’orbite des engins spatiaux. En VLBI, un signal provenant d’une source radio est collecté à plusieurs stations au sol synchronisées séparées de quelques centaines ou milliers de kilomètres. La différence de temps entre les arrivées du signal radio à différentes stations au sol est mesurée pour localiser la direction ou la position de la source radio. La ligne de base étant très longue par rapport à la longueur d’onde du signal radio, la mesure peut être assez précise. La différence de fréquence peut également être mesurée pour déterminer la vitesse de la source radio. Le schéma fonctionnel du traitement de signal utilisé pour Longjiang-2 VLBI est représenté sur la figure  6a .

figure6
Fig. 6: Résultats de la première expérience VLBI avec Longjiang-2.

La synchronisation entre récepteurs distants était historiquement assez difficile à réaliser. De nos jours, c’est beaucoup plus facile avec l’aide du GPS. Chaque station au sol UHF VLBI de Longjiang-2 dispose d’un oscillateur discipliné GPS (GPSDO) pour fournir une sortie de référence de 10 MHz avec un écart d’Allan de 1 × 10 -11 à 1 s, et une sortie de signal d’impulsion par seconde (PPS) avec une précision UTC de ± 50 ns RMS. L’oscillateur local du récepteur est verrouillé sur la référence de 10 MHz, et le moment d’échantillonnage du récepteur est marqué en référence au signal PPS.

Les premiers enregistrements I / Q synchronisés de la liaison descendante UHF Longjiang-2 ont été réalisés à Dwingeloo et Shahe entre UTC 04:20 et 5:40 le 10 juin 2018. C’était la première expérience VLBI avec un vaisseau spatial en orbite lunaire fonctionnant sur la bande UHF. La distance entre les stations au sol est d’environ 7250 km. Le satellite émettait 250 bps GMSK avec r  = 1/2 turbo code en mode rafale sur 435,4 MHz et 436,4 MHz. Les enregistrements sont à une fréquence d’échantillonnage de 40 ksps centrée sur ces deux fréquences.

Comme Longiang-2 possède à la fois des radios VHU / UHF et en bande S, les éléments orbitaux (comme indiqué dans le tableau supplémentaire  5 , mesurés par CDSN avec télémétrie bidirectionnelle en bande S, ont une erreur de position connue d’au plus 10 km ) peut être utilisé pour évaluer les performances de l’UHF VLBI. La figure  6b – e montre les résultats de la gamme delta et de la vitesse delta de l’observation VLBI. Les courbes correspondent assez bien à la prédiction des éléments CDSN, avec des résidus de plage delta de 29,23 km RMS et 17,84 km RMS sur 435,4 MHz et 436,4 MHz, et des résidus de vitesse delta de 0,1406 m / s RMS et 0,1437 m / s RMS sur 435,4 MHz et 436,4 MHz.

Discussion

Malgré la perte regrettable de Longjiang-1, la mission de la radio VHF / UHF de Longjiang-2 a été un grand succès. C’était le premier système de communication radio amateur fonctionnant en orbite lunaire, et a fourni beaucoup de retour de données au cours de ses 14 mois de vie. Avec l’aide d’un nouveau matériel et d’une nouvelle conception de forme d’onde, la radio VHF / UHF offre d’excellentes performances au prix d’un poids, d’une puissance et de ressources d’enveloppe disponibles limités, permettant une utilisation avec de petites stations au sol et un matériel simple, ce qui en fait la mission lunaire avec la plupart stations au sol concernées. La première expérience VLBI en orbite lunaire sur la bande UHF a également été réalisée sur la base de la radio VHF / UHF. Les concepts et techniques développés peuvent être utilisés pour la conception de systèmes de communication de futures missions spatiales miniatures ou à faible coût.

Disponibilité des données

Les ensembles de données pour les télémétries de Longjiang-1/2 sont disponibles dans le référentiel DSLWP public data release v1.0, https://doi.org/10.5281/zenodo.3571330 . Les ensembles de données pour les enregistrements de signaux bruts de Longjiang-2 sont disponibles dans le référentiel de données CAMRAS DSLWP, https://charon.camras.nl/public/dslwp-b . D’autres données qui étayent l’article et d’autres résultats de cette étude sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Disponibilité du code

Le code qui prend en charge cet article (y compris le modulateur, le démodulateur, le corrélateur, le dessin de tracé, etc.) est disponible dans le référentiel gr-dslwp, https://github.com/bg2bhc/gr-dslwp .

Références

  1. 1. Wu, W. et coll. Conception de la mission d’atterrissage en douceur du côté lunaire de Chang’e-4. J. Deep Space Explor. 4 , 111-117 (2017). Google Scholar 
  2. 2.Jakhu, RS & Pelton, JN (eds) dans Small Satellites and Leur règlement  13–20 (Springer, 2014).
  3. 3.Burleigh, SC et al. De la connectivité aux services Internet avancés: un examen complet des communications et des réseaux de petits satellites. Wirel. Commun. Foule. Comput. 2019 , 17 (2019).
  4. 4.Davoli, F., Kourogiorgas, C., Marchese, M., Panagopoulos, A. & Patrone, F. Petits satellites et CubeSats: étude des structures, architectures et protocoles. Int. J. Satell. Commun. Netw. 37 , 343–359 (2019). Article   Google Scholar 
  5. 5.White, D. et al. Vue d’ensemble du projet de stations au sol ouvertes en réseau par satellite (SatNOGS). Dans la conférence AIAA / USU sur les petits satellites (AIAA / USU, 2018).
  6. 6.Équipe de développement UNITEC-1. Appel à l’assistance sur le suivi et la réception du signal RF pour le premier satellite universitaire interplanétaire UNITEC-1. Préimpression à http://www.unisec.jp/unitec-1/files/text/UNITEC-1operation_en.pdf (2009).
  7. 7.Bendoukha, SA, Okuyama, K.-i, Bianca, S. & Nishio, M. Conception du système de contrôle d’une sonde ultra-petite pour l’espace lointain. Energy Procedia 100 , 537–550 (2016). Article   Google Scholar 
  8. 8.Sawada, K., Chin, M., Usami, N., Kimura, M. & Kubota, A. Conception structurelle d’un vaisseau spatial imprimé en 3D – ARTSAT2: DESPATCH. Trans. Jpn Soc. Aéronaute. Space Sci. Aerosp. Technol. Jpn 14 , Pf_45 – Pf_50 (2016). Google Scholar 
  9. 9 Moser, H. et al. Manfred Memorial Moon Mission (4M): développement, opérations et résultats d’un survol lunaire à faible coût financé par le secteur privé. Dans AIAA / USU Conf. Petits satellites (AIAA / USU, 2015).
  10. 10.Edwards, CD Jr. et al. Relayer les stratégies de communication pour l’exploration de Mars jusqu’en 2020. Acta Astronaut. 59 , 310–318 (2006). Article ADS   Google Scholar   
  11. 11.Li, Y., Chen, Z., Liang, Y., Gu, Y. & Wang, Y. Long March-4B / 4C: une solution de lancement multiple à faible coût pour la sonde micro lunaire. Lors de la 13e conférence sur les missions planétaires à faible coût de l’ AAI (IAA, 2019).
  12. 12.Severance, MT, Tate-Brown, J. & McArthur, CL Activités éducatives de la NASA sur la Station spatiale internationale: un laboratoire national pour inspirer, engager, éduquer et employer la prochaine génération. Lors de la réunion de l’IAC (IAC, 2010).
  13. 13.Hu, C. et al. LilacSat-1: membre du QB50 et nouveau mode de radio amateur par satellite. Dans le 9e symposium européen CubeSat (VKI, 2018).
  14. 14.Shambayati, S. & Lee, modulation DK GMSK pour les applications dans l’espace lointain. En 2012, IEEE Aerospace Conference  (IEEE, 2012).
  15. 15.Laurent, P. Construction exacte et approximative de modulations numériques de phase par superposition d’impulsions modulées en amplitude (AMP). IEEE Trans. Commun. 34 , 150-160 (1986). Article   Google Scholar 
  16. 16. Secrétariat du CCSDS. Recommandations pour les systèmes de radiofréquence et de modulation, partie 1 – Stations terriennes et engins spatiaux (CCSDS, 2019).
  17. 17.Moncur, R. & Taylor, J. Petite station EME à 10 et 24 GHz: verrouillage GPS, correction doppler et JT4. Préimpression à https://www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/small_station_eme.pdf (2013).
  18. 18.Simon, MK & Wang, CC Détection différentielle de MSK gaussienne dans un environnement de radio mobile. IEEE Trans. Technologie des véhicules. 33 , 307–320 (1984). Article ADS   Google Scholar   
  19. 19.Heron, P. SSDV (vidéo numérique à balayage lent). Dans le 31e colloque annuel international AMSAT-UK sur l’espace (AMSAT-UK, 2016).

Télécharger les références

Remerciements

Cette recherche faisait partie de la mission Chang’e-4 du programme d’exploration lunaire chinoise, financée par le gouvernement de Heilongjiang Provence et le Harbin Institute of Technology. Le centre de contrôle aérospatial de Pékin, l’équipe de Tianlai des observatoires astronomiques nationaux, le CAS, le centre de surveillance radio d’État et la communauté radioamateur du monde entier ont fourni un soutien désintéressé pendant le fonctionnement de la radio VHF / UHF. Nous remercions toutes les personnes impliquées pour leur excellent travail et leur coopération efficace.

Informations sur l’auteur

Affiliations

  1. Harbin Institute of Technology, No.92 Xidazhi Street, 150001, Harbin, Chine Mingchuan Wei, Chaoran Hu, Mier Tai, Yuhao Zhao, Jiahe Huang, Xibin Cao & Feng Wang
  2. Oceano Atlantico 38, Tres Cantos, 28760, Madrid, EspagneDaniel Estévez
  3. Station de radioastronomie CA Muller, Oude Hoogeveensedijk 4, 7991 PD, Dwingeloo, Pays-Bas Cees Bassa & Tammo Jan Dijkema
  4. ASTRON, Institut néerlandais de radioastronomie, Oude Hoogeveensedijk 4, 7991 PD, Dwingeloo, Pays-Bas Cees Bassa & Tammo Jan Dijkema

Contributions

MW, XC et FW ont généré le concept de conception. MW a conçu l’architecture globale du système et le matériel de l’émetteur-récepteur. MW et DE ont conçu et analysé les performances des formes d’onde. CH a conçu et testé des antennes embarquées et des antennes de stations au sol à Harbin et Shahe. MT a conçu et testé la caméra CMOS. YZ a conçu le logiciel de la station au sol. CB et TJD ont mené les observations à Dwingeloo et ont repéré la propagation du rebond lunaire. DE, MW et JH ont conçu les observations et le traitement du VLBI. MW, CH et DE ont rédigé le manuscrit. XC et FW ont supervisé le projet. Tous les auteurs ont révisé et commenté le manuscrit.

Auteurs correspondants

Correspondance avec Xibin Cao ou Feng Wang .

Déclarations éthiques

Intérêts concurrents

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Information additionnelle

Information sur l’examen par les pairs Nature Communications remercie David Barnhart et l’autre évaluateur anonyme pour leur contribution à l’examen par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs évaluateurs sont disponibles.

Note de l’éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Information supplémentaire

Information supplémentaire

Fichier d’examen par les pairs

Accès libre Cet article est concédé sous une licence internationale Creative Commons Attribution 4.0, qui permet l’utilisation, le partage, l’adaptation, la distribution et la reproduction dans n’importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l’article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit pour le matériel. Si le matériel n’est pas inclus dans la licence Creative Commons de l’article et que votre utilisation prévue n’est pas autorisée par la réglementation statutaire ou dépasse l’utilisation autorisée, vous devrez obtenir la permission directement du détenteur des droits d’auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitezhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations