深空:洞察号是如何与地面联络的

深空:洞察号是如何与地面联络的

深空:洞察号是如何与地面联络的

与地面联络

NASA的InSight任务使用美国宇航局的深空网络(DSN),这是一个国际测控站网络,提供深空探测航天器与地球上的任务团队之间的通信联系。

深空:洞察号是如何与地面联络的

DSN由三个深空通信站组成,它们的经度相隔约120°,分别位于加利福尼亚的莫哈韦沙漠;西班牙首都马德里附近;澳大利亚首都堪培拉附近。因为地球始终在自转,这种战略布局能让地面与远距离的航天器始终保持联系。

与以前的火星登陆器和火星车一样,洞察号依靠绕火星轨道运行的航天器将数据从接力送到深空网络测的天线上。

我们先来看看如何知道好奇号(Curiosity)是否安全着陆在火星表面?

从火星打电话回家:

进入火星大气层、下降和着陆需要惊心动魄的七分钟时间,每个人都会想知道:好奇号还能生存下来吗?我们可能不知道。至少不能马上知道。

当它在大气中降落时,每一次姿态变换都必须切换一个新的天线。而每次切换,都可能会在短时间内失去对信号的锁定。这个过程不会危害到火星车。只是意味着我们不知道当时发生了什么。

即使信号稳定,直接到地球的通讯连接也只能在火星车降落的前半部分起作用。为什么?与地球一样,火星也在自转——在着陆过程中,好奇号及其着陆点会像日落一样从视野中消失。

看不见就等于无法进行直接的无线电联络。

但是,NASA有两颗环绕火星运行的人造卫星可以提供帮助。

在好奇号降落的后半场,火星Odyssey轨道飞行器变成接收火星车信号的中继台,并可以将其直接送回地球。为了最好地收听到好奇号的信号,Odyssey必须在着陆前一小时左右开始旋转。这听起来很容易,但是工程师们要求Odyssey用一种从未尝试过的方式去旋转。能行吗?也许吧。不确定一定能行。

如果Odyssey没有成功旋转,也不用担心。火星车本身不会受到任何影响。再说一次,这只是意味着我们得等更长时间才能收听到火星车的消息。

即使Odyssey一切都按照计划进行,还有最后一个挑战:时间。火星车在火星上可能是安全的,但Odyssey必须尽快接收到信号。因为Odyssey移动的速度很快。它只有在视线内才能收听到火星车的声音(也许不超过5分钟)。

所以火星侦察轨道器起着备份的作用。它还会在空中飞行,捕捉发生的情况,然后将它收集到的着陆数据存储在航天器上,几小时后再传回地球。然后工程师们需要对数据进行解码,通常要好几个小时。

对于好奇号的任务团队来说,在半夜的某个时候,轨道飞行器可能会告诉我们火星车的命运。或者,还有其他情况,火星车可能是完全安全的,但我们可能三天都没有收到它的消息了。

这就是说:好奇号的降落充满了戏剧性,我们需要很多耐心。难怪他们称之为“火箭科学”。

Mars Cube One (MarCO)

任务概要

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2018年5月5日,NASA发射了一个名为“洞察号”的固定式着陆器到火星–这是第一个飞往外太空的探测器。如果这一飞越演示成功,每个立方体卫星上搭载的技术将使NASA能够在着陆火星时快速传输有关洞察号的状态信息。

这一对通信中继立方星由加利福尼亚,帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室建造,由两个功能相同的6U立方星组成,与洞察号着陆器一起,在着陆器无法直接与地球通信时提供通讯中继。立方星(CubeSats)是一种基于标准化小型和模块化且使用现成技术的探测器。大部分由大学生制造,并且是利用大型航天器发射时可用的额外载荷质量发射到地球轨道的。

立方星的基本单位是一个大约4英寸(10厘米)平方的盒子。较大的立方体卫星是该单位的倍数。MarCO的设计是一个6U的立方星-大约是一个公文包的大小-其存放尺寸约为14.4英寸(36.6厘米)乘9.5英寸(24.3厘米)乘4.6英寸(11.8厘米)。

NASA在华盛顿总部的行星科学部主任Jim Green说:“MarCO-A和MarCO-B是我们设计的第一和第二颗行星之间的立方星,旨在监测洞察号着陆前后一段短时间内的情况。然而,这些立方星任务并不需要洞察号任务成功才能进行。它们也是未来潜在能力的证明。这对MarCO卫星将携带他们自己的通信和导航实验,因为它们自己可以独自飞行到火星。”

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在InSight的进入、下降和着陆(EDL)操作中,着陆器将以UHF无线电频段将信息传送给NASA的火星勘测轨道飞行器(MRO)。MRO将使用X波段的无线电频率将EDL信息转发到地球,但不能在一个波段上同时接收另一个波段上的信息。在传回地球之前一个多小时,轨道飞行器就可以收到成功着陆的确认消息。

MarCO探测器的硬件
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MarCO的垒球大小的电台提供UHF(仅接收)和X波段(接收和传输)功能,能够通过UHF立即中继收到的信息。

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这两颗立方星被设计成在洞察号发射后与Atlas V火箭第一级分离,然后沿着自己的轨迹到达火星。从运载火箭上释放后,MarCO将需要展开两个无线电天线和两个太阳能电池板。高增益的x波段天线是一种扁平面天线,其设计目的是引导无线电波,就像抛物面天线一样。MarCO会沿着自己的轨迹到达火星,并在途中自行调整航线。

最终,如果MarCO演示任务成功,它可能允许一个“自带”通信中继选项,供未来火星任务在火星的大气层进入和着陆之间关键的几分钟内使用。

MarCO的任务剖面
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通过验证立方星是一种可行的星际任务技术(在短时间内可行),这一技术论证可能会导致许多其他的应用–探索和研究我们的太阳系。

有关MarCO的更多信息

立方星从世纪之交就已经出现了,最初被设想为一个标准化的小型卫星平台,以使教育机构能够以一种更为划算的方式进入太空。然而,随着技术的成熟,以前用于通信、气象和地球观测的大型系统变得小型化,使它们能够搭载立方星发射升空,而且它们对工业的吸引力越来越高。自2013年以来,由于商业和研究目的部署了大型的星座,进入轨道的立方星数量确实出现了爆炸式的增长。

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这两颗MarCO卫星符合6U立方星的形状因数,每颗卫星的大小为10×20×30厘米,重14公斤。

卫星配备了两个可展开的太阳能阵列,即使在离地球轨道很远的地方也能产生足够的能量,一个UHF接收天线可以从洞察号中捕获遥测数据,还有一个可展开的X波段天线反射面以每秒8千比特的速度将数据重新传送到地球。这两颗立方星都是推进型航天器,它们都装有冷气推进系统,以改变航向,为飞越设定适当的时间和几何形状。

这两颗立方星将在半人马座AV-078的上面级的后端壁发射,发射约95分钟后由一对Tyvak NLAS Mark II分配器部署。

MarCO立方星有几个可部署的组件:2个三面板太阳能阵列安装在在30×10厘米的侧板上,三面板X波段反射器阵列安装在一个较大的20×30厘米面板上,UHF接收天线占据了另一个大侧板。

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MarCO卫星的电力系统由MMA、LLC、AstroDev和密歇根大学提供。它由2个三面板太阳能阵列组成,每个阵列覆盖着21个三结砷化镓太阳能电池,在地球距离(1 AU)上产生35瓦的电能。阵列的部署是由加载的弹簧完成的,它们在部署时旋转,但在剩下的飞行中将保持固定的位置。

太阳能阵列将四个输入通道馈入到单点电源结构中,该结构为12伏特电池母线充电,锂离子电池由三串四个平行电池组成。电力系统还为分配给卫星上所有负载的5伏特和3.3伏特母线提供条件,定制电路为指挥和数据处理子系统提供电池保护和监测功能。

MarCO卫星通过一个典型的立方星姿态确定和控制系统实现三轴稳定,该系统基于几个姿态确定输入和驱动的反作用轮。由于MarCO没有地球磁场可供使用,因此磁力矩器无法从动量轮上卸载动量-除了轨道控制的主要推进系统外,还需要执行推进姿态控制系统。

Marco立方星的核心是他们的通信架构:Iris v2软件定义无线电具有四个接收和发送端口。用于卫星控制的任务通信由安装在一个较小的10×20厘米卫星侧面板上的冗余中、低增益天线处理;低增益天线将在早期巡航阶段使用,在任务过渡到火星登陆期间的MGA之前。

InSight中继采用的通信有效载荷包括一根微带天线、一根高增益反射阵列天线、一个X波段应答器、一个固态低噪声放大器组件和从航天器底部部署的UHF环形天线。MarCO以401.586MHz的频率接收来自洞察号的实时数据,每秒数据速率为8千比特,然后重新打包成符合深空网络的格式,并通过4瓦特X波段微带天线路径传输。

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Iris v2模块框架
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Iris v2无线电由NASA JPL开发,由五个堆叠模块组成,外接固态功率放大器和低噪声放大器模块。Iris v2本身重1.2公斤,占用0.5立方星单位的体积,在4瓦X波段RF输出时需要35瓦的峰值功率。它与深空网完全兼容,下行频率为8.4GHz上行频率为7.2GHz。

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由五个电路板组成的堆叠结构使得Iris很容易通过替换片来进行修改,以便于扩展和适应新功能,如附加频带和与不同的地面接收器兼容。在其基线设计中,Iris v2依赖于一个Virtex 6数字处理器模块,其中包含一个LEON3-FT CPU、32Mbit非易失性闪存、16Mbit易失性SRAM和4Mbit易失性SRAM,所有这些都可用于外太空任务。数字处理器模块的任务是调制和解调信号,无线电重新配置,健康状况报告和链路层协议处理。

发射链中的固态功率放大器为三个天线提供三个RF路径,可通过功率切换选择,而UHF接收段中的LNA有两个与接收机相连的RF路径。

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