龍江二號的一生:很難,但是精彩(下)

業餘無線電通信:全世界無線電愛好者們的共同努力

龍江衛星共有三個通訊頻段:S波段、X波段和VHF/UHF波段。

其中,S波段用於測控、X波段用於科學載荷的數據傳輸,兩者均由中國深空網台站負責。這些國家隊有著18-65米口徑的強大天線,但可以分配給龍江任務的資源有限,所需的高耗能也給龍江這樣的小衛星造成一定壓力。

因此,龍江衛星還攜帶了由紫丁香學生微納衛星團隊研製的甚高頻/超高頻(簡稱VHF/UHF)通信模,其中VHF頻段用於上行(上傳指令)、UHF頻段用於下行(接收衛星狀態和載荷數據)。

龍江二號的一生:很難,但是精彩(下)

VHF/UHF通信模組在龍江二號衛星上的位置。來源:哈爾濱工業大學

在龍江衛星發射之前,哈工大紫丁香學生微納衛星團隊、哈工大業餘無線電俱樂部的二十餘名學生通過新建、改造、借用等方式,在哈爾濱、北京、哈密、廣州、荷蘭德文格洛、日本和歌山等地設立了6個VHF/UHF地面站,並開發了開源的調製解調軟體和網路傳輸軟體,搭建了數據解析伺服器 [4]。

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世界各地的地面站天線助力龍江號任務的通信。來源:哈爾濱工業大學 [4]

還不止這些。在整個龍江衛星任務期間,眾多業餘無線電組織、愛好者團體和個人都為龍江號的通信貢獻了自己的力量。

其中一些無線電愛好者們甚至僅僅通過自家門前、屋頂的“簡陋”接收設備,就投身了龍江任務的協作之中。

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PY2SDR、N6RFM、CD3NDC、G4RGK分別是四位無線電愛好者的無線電呼號。來源:哈工大紫丁香學生微納衛星團隊 [8]

從兩顆龍江衛星與火箭分離,到龍江二號結束任務,來自巴西、智利、美國、波蘭等近17個國家的共50個地面站成功實現了龍江衛星UHF頻段的信號和數據接收。

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成功接收到龍江衛星信號和數據的地面站分布。來源:哈工大紫丁香學生微納衛星團隊 [9]

除了接收數據,多個地面台站還通過龍江二號的UHF頻段開展了諸多業餘無線電試驗。

2018年6月10日,荷蘭德文格洛25米天線和北京12米天線協作完成了國際首次月球軌道UHF頻段VLBI(Very Long Baseline Interferometr,甚長基線干涉測量)定軌試驗

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荷蘭德文格洛25米天線(左)和北京12米天線(右)。來源:哈爾濱工業大學

台北時間2019年7月1日13:51至15:27,在下載日全食(後面會講到)測試影像的間隙,哈爾濱工業大學集體業餘電台BY2HIT與德國業餘無線電愛好者Reinhard Kuehn (DK5LA)通過龍江二號衛星的轉發通信功能,實現了中國與德國的雙向通信(QSO)。此時,衛星到通聯雙方距離約為360000公里。這是國際首次月球軌道衛星的業餘雙向通信 [10]。

龍江二號的一生:很難,但是精彩(下)

龍江二號的一生:很難,但是精彩(下)

BY2HIT與DK5LA的通過龍江二號轉發器進行雙向通信的訊息記錄。來源:哈爾濱工業大學

2019年7月5日,德文格洛、和歌山、北京、哈爾濱台站進一步協作完成了四個台站的VLBI定軌試驗。相關試驗數據還在分析解譯中。

龍江任務的VHF/UHF通信模組是一次低成本、低能耗的深空衛星通訊嘗試,通過借力全世界各地的業餘無線電愛好者們和通信台站,共同完成了龍江任務VHF/UHF頻段的信號收發。這是國際首次在月球軌道進行的業餘無線電通信試驗

從這個角度來說,龍江任務的順利完成,不僅促進了民間的國際交流,本身亦是全世界無線電愛好者們的共同勝利

學生CMOS相機:Inory之眼

2019年2月,龍江二號拍攝的“最美地月合影”在美國《科學》雜誌、英國《獨立》報上刊發,引起全世界各地廣泛關注。

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2019年2月15日《科學》雜誌刊發的“最美地月合影,標題為《行星科學:月球背面,以及其後的家園》

而拍攝這幅奇景的,是龍江二號上一個極小極不起眼的試驗設備——微型CMOS相機

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微型CMOS相機在龍江二號上的位置。來源:哈爾濱工業大學

你可能想像不到,這枚微型相機重量僅僅只有20克,大小只有兩個一元硬幣那么大

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微型CMOS相機接近成品狀態實拍。來源:哈爾濱工業大學

更難能可貴的是,這枚相機是由哈工大本科生為主的學生團隊負責研製的:平均年齡不到24歲,可以稱得上是中國最年輕的航天團隊

《“最美”地月合影背後的追夢人》採訪龍江二號學生團隊。來源:CCTV 13

在龍江衛星極其嚴苛的尺寸和重量限制之下,這個年輕的微型相機團隊克服了種種困難,出色完成了相機的設計、衛星在軌時的拍攝、照片的傳輸和後期處理。

《瞬間中國》採訪龍江微型相機設計師,23歲大四在讀的蒙古族小伙兒泰米爾。來源:CCTV 1

除了這張網紅“最美地月合影”,微型CMOS相機還拍攝過其他角度的地月合影、火星與摩羯座天區、月面雲海等諸多美麗的照片——小小的身軀,大大的能量。

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來源:哈爾濱工業大學 [12]

這個小相機,在龍江團隊和助力龍江任務的無線電愛好者團體內部有個可愛的暱稱:Inory之眼——這是相機設計師泰米爾喜歡的愛豆、動漫歌手“祈Inory”的名字。

字母INORY被刻在了CMOS相機的電路板上,隨著龍江二號一起環遊月球,一路見證著龍江二號的艱辛和喜悅。

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(這屆年輕人真會玩.jpg)

微型CMOS相機的數據通過UHF業餘頻段傳輸,也就是說這些照片也都是全世界無線電愛好者們協同接收的——每張照片被分割成一小包一小包數據,由多位愛好者接收之後再拼接起來。

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如果某幾包數據有丟失,最終“拼”出來的圖像就會有條帶缺失。來源:哈爾濱工業大學 [13]

是龍江團隊和全世界無線電愛好者們共同“拼”出了包括這張網紅“最美地月合影”在內的諸多地月美圖。

而這群逐夢航天的朋友們,還要攜手乾最後一件大事~

從月球上看日全食是一種怎樣的體驗?

台北時間2019年7月3日清晨,2019年唯一一次日全食在南美洲的上空上演。

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攝影:劉博洋,拍攝於智利

在這次日全食發生期間,地球上的我們如果在合適的地方,能看到月球完全遮擋了太陽。

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當月亮運行到日地之間時,會發生日食。來源:ESA [14]

那如果在月球附近觀測日食,會看到怎樣的場景?彼時正在繞月飛行的龍江二號為我們提供了一種“上帝視角” [15]。

如何做好規劃,讓龍江二號的CMOS相機找到合適的機位和時機,用自己有限的性能,記錄下這次千載難逢的奇觀呢?

這場來自宇宙的挑戰讓年輕的龍江二號團隊和眾多業餘無線電愛好者們摩拳擦掌,激動不已。

微型CMOS相機要求拍攝目標位於太陽矢量的相反方向,而且需要相機的視野中必須包含一定面積的月面才能正確曝光。在日全食發生的2個多小時裡,月球遮擋住太陽,而龍江二號剛好會經過月球背面,可以找到滿足對地拍攝的條件和時機。

另一方面,為了既獲得38萬千米外地球的更多細節,又不會由於姿態指向誤差錯過地球,項目組選擇使用2x的數碼變焦倍率進行拍攝。

大致方案確定後,哈工大團隊與西班牙無線電愛好者Dani Estevez (EA4GPZ)等人對最佳的拍照時刻進行反覆的核算與討論,最終確定:

為了驗證相機參數設定的正確性,在協調世界時(UTC,加8個小時就是台北時間)6月30日進行6次測試成像;在協調世界時7月2日18:57:00和19:32:45兩個臨界時間點的前後1分鐘裡,龍江二號進行6次成像;確定了拍照後用於數據接收的時間段。

這些反覆核算過的觀測計畫最終被轉化為指令碼字,從北京航天控制中心通過S頻段測控網傳送至龍江二號。

台北時間7月3日凌晨,龍江二號完美執行了既定規劃,用微型CMOS相機從月球軌道上拍攝了下了日全食期間月球投在地球上的影子

照片中可以看到地球的美洲大陸、大洋上的風暴、太陽在海面反射的光斑,

以及最重要的:

月球落在地球上的影子

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日食第五次成像,拍攝於協調世界時2019年7月2日19:32:45。陰影中全黑區域裡的人們,彼時看到的就是日全食。來源:哈爾濱工業大學

照片下載的指令由哈工大團隊生成,通過德國業餘無線電愛好者Reinhard Kuehn (DK5LA)的VHF頻段EME天線陣列傳送至龍江二號,UHF頻段的下行圖像數據則由荷蘭德文格洛25米射電望遠鏡、北京沙河12米站以及哈工大在國家無線電檢測中心哈爾濱監測站搭建的小八木陣列天線進行同步接收 [15]。

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日食第三次成像,拍攝於協調世界時2019年7月2日18:57:00。來源:哈爾濱工業大學

這次協同大作戰的成功,讓所有參與行動規劃和數據接收的朋友們獲得了極大的喜悅和滿足。參與了多次龍江二號數據接收的志願者Tammo Jan Dijkema說:我們對這個相機的使用越來越擅長了,這幾張照片比我們之前的都好 [15]。

但遺憾的是,此時已是2019年7月初,已經完成既定使命的龍江二號將在月底結束任務。為了避免衛星失去動力後產生空間垃圾,龍江二號選擇在尚有燃料的情況下主動撞月墜毀——就像撞月的嫦娥一號、撞土星的卡西尼號等諸多探測器前輩們一樣。

早在2019年1月,龍江二號已進行了軌道調整,隨後將慢慢隨著軌道的演化在7月底撞擊月球。

受控墜毀:月宮長眠

2019年7月31日晚22:20分左右,已經完成所有任務的龍江二號衛星按照既定計畫撞上月球背面墜毀,結束任務。

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龍江二號受控撞月前傳回的最後一張完整照片,由荷蘭德文格洛地面站接收。來源:哈爾濱工業大學

通過龍江二號的軌道,無線電愛好者Daniel Estévez估算龍江二號的撞月點大致在月球背面的Van Gent撞擊坑附近(黃圈)▼

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DSLWP-B是龍江二號最初的名字

不過,因為龍江二號與通訊中繼衛星鵲橋之間沒有數據接口,所以龍江二號運行到背面的時候是沒有信號傳回的。

我們無法看到最後撞月的實況直播,也無法立刻知道最終的精確撞月點。

只能等待這一時期唯一的在軌環月衛星:NASA的月球勘測軌道飛行器(LRO)過境的時拍攝撞擊之後的月面才可能知道。

幸運的是,月球勘測軌道飛行器LRO在2個多月後順利拍攝到了預定撞月區域一帶的月面照片,隨後,LROC項目組從中找到了龍江二號撞月點——只比Daniel Estévez估算的位置偏離了328米!

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龍江二號撞月點(白色箭頭處)。來源:LROC NAC M1324916226L (NASA/GSFC/Arizona State University) [1]

最後的最後,龍江二號在月球背面留下了一個直徑4×5米的人造撞擊坑,和眾多探月的前輩探測器們一起,永遠月球這片土地上沉沉睡去。

前面提到過,兩顆龍江衛星最初的名字是“月球軌道超長波天文觀測微衛星A/B”(Discovering the Sky at Longest Wavelengths Pathfinder),簡稱DSLWP-ADSLWP-B

而在哈工大衛星團隊里,學生們私下有屬於自己的愛稱——“對數龍王炮”。既首字母完美貼合衛星的代號,又別有一種…中二的神秘感…

再見了,對數龍王炮A!再見了,對數龍王炮B!

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兩顆龍江號的任務logo和實物。來源:哈爾濱工業大學

致謝

本文感謝哈爾濱工業大學龍江號項目組多位成員的資料和審稿~

也謹代表龍江團隊,向關心龍江任務進展、或為龍江任務提供過幫助的世界各地官方和私人組織和個人致以誠摯的感謝!

出品:科普中國

製作:haibaraemily

監製:中國科學院計算機網路信息中心

龍江二號的一生:很難,但是精彩(下)

“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品,轉載請註明出處。

參考

[7] Radioastronomy Science from the Moon 

https://sci.esa.int/documents/34375/36249/1567260083880-ESA-CAS-workshop1_poster7_Radioastronomy-Science-from-the-Moon_P-Zarka.pdf

[8] 成功接收龍江衛星信號的愛好者及儀器

http://lilacsat.hit.edu.cn/wp/?page_id=844

[9] 龍江衛星貢獻者地圖 http://lilacsat.hit.edu.cn/dashboard/pages/map.html

龍江衛星貢獻者列表 http://lilacsat.hit.edu.cn/dashboard/pages/contributor.html

[10] 紫丁香衛星 | BY2HIT與DK5LA通過龍江二號完成國際首次繞月業餘衛星雙向QSO

[11] 紫丁香衛星 | 《科學》雜誌刊登龍江二號衛星拍攝的地月合影

[12] 紫丁香衛星 | 『月色真美』

[13] 龍江二號傳回的照片 http://lilacsat.hit.edu.cn/dashboard/pages/pics-b.html

[14] https://www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2018/07/What_is_an_eclipse

[15] 紫丁香衛星 | 在月球看日食!龍江二號衛星成功拍攝7月2日南美全食影像

[16] TPS | Imaging the Earth from Lunar orbit

http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/imaging-the-earth-from-lunar-orbit.html

[17] https://destevez.net/2019/08/trying-to-find-the-dslwp-b-crash-site/

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