Астронет: АиТ Наземная программа радионаблюдений и трансляций в СМИ посадки первого космического аппарата Huygens на Титан http://variable-stars.ru/db/msg/1201882

Наземная программа радионаблюдений и трансляций в СМИ посадки первого космического аппарата Huygens на Титан
14.01.2005 2:27 | АиТ, Москва

14 января 2005 года впервые в истории планетных исследований учёным представится возможность в буквальном смысле слова «на ощупь» почувствовать Титан, самый крупный спутник Сатурна, и приоткрыть его многие тайны. В этот день европейский зонд Huygens, массой 320 кг, запущенный 25 декабря 2004 г. с борта АМС Cassini, совершит в течение нескольких минут баллистическое торможение, с гашением скорости защитным экраном диаметром 2.7м с первоначальных 5.54 км/сек до 390м/с. После раскрытия парашюта, зонд совершит в течение примерно 2.5 ч неуправляемый спуск-планирование до момента касания поверхности в экваториальной области Титана. Живучесть зонда, в случае удачной мягкой посадки будет далее поддерживаться зарядом аккумуляторных батарей ещё около 4-х часов.

С помощью шести научных приборов, установленных на борту Huygens’a, предполагается впервые взять in situ анализы проб химического состава атмосферы (газы и аэрозоли), построить вертикальный профиль основных её физических характеристик (давления, плотности , температуры и электропроводности), её динамики(силы ветров и их направлений), получить фотографии облачного покрова и рельефа местности, а также, в случае удачной посадки – аналогичные сведения о характере и свойствах поверхности Титана.

Приём телеметрии с зонда Huygens на скорости около 16Кбит/сек будет вестись непрерывно в течение 4 ч 36 мин. на антенну высокого усиления HGA диаметром 4м АМС Cassini, которая в это время будет находиться на пролётной траектории (минимальное расстояние до Титана и зонда – около 60000км, относительная скорость – около 5.4 км/с), вне связи с Землёй. Для подстраховки, передача уникальных данных с зонда при посадке будет вестись двумя параллельными потоками с 6-секундной задержкой через два передатчика S-диапазона мощностью 10Вт каждый.

Данные, записанные на твёрдотельное ЗУ Cassini, будут с гораздо большей скоростью и мощностью ретранслированы станцией через HGA на Землю позднее, спустя примерно 5 часов после контакта зонда с поверхностью Титана. К этому времени Cassini будет вне пределов его видимости, и аккумуляторы зонда полностью разрядятся. Ретрансляцию с Cassini предполагается повторить несколько раз – опять таки, ввиду большой ценности полученных данных, и завершить на следующие сутки, 15 января.

Несущие сигналы двух передатчиков на борту посадочного зонда Huygens будут генерированы ультрастабильными осцилляторами (УСО) на частотах 2.040GHz (Channel A) и 2.09791GHz (Channel B). Преодолев со скоростью света в течение 67 минут расстояние в 1.2 млрд. км (8 а.е.), они будут чрезвычайно слабыми, мощностью порядка 5х10^-25 Вт/м², но их приём будет, тем не менее, возможен крупнейшими радиотелескопами, работающими в режиме радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой РСДБ (VLBI). Этот метод позволяет не только увеличить чувствительность детектирования слабых сигналов, но значительно (на порядки) повысить разрешающую способность, а соответственно – точность локализации источника радиосигнала. Например, на длине волны 15см (2GHz) даже радиотелескоп GBT (США) с крупнейшим в мире полноповоротым офсетным зеркалом диаметром 100м способен различить объекты, разделённые всего 5 угловыми минутами дуги. Но работая «в связке» с радиотелескопом, расположенным на Земле в нескольких тысячах км (в идеале – с вынесенным в космос, на расстояние десятков и даже сотен тыс. км, например отечественным КРТ Радиоастрон с диаметром зеркала 10м, планируемым к запуску в 2007г.), возможно достичь разрешения уровня mas(милли) или даже μas(микро) – угловых секунд.

По обширной международной программе, предполагается провести два типа наземных измерений:

1) доплеровский сдвиг частоты, позволяющий определить радиальную скорость зонда по лучу зрения Huygens-Земля с точностью +/- 1 м/с. Для этого исследователи из JPL (NASA), возглавляемые постановщиком эксперимента Майком Бёрдом (Боннский Университет) оборудуют специальной чувствительной аппаратурой две радиообсерватории: Parkes (Австралия) с большой прямофокусной антенной диаметром 64м и Green Bank (Вирджиния, США) с офсетной антенной 100м. Эта же самая аппаратура была ранее успешно опробована на приёме слабых сигналов марсианских роверов Spirit и Opportunity во время их парашютной посадки на Марс в январе 2004 г.

2) тангенциальный дрейф зонда вдоль оси X-Y. Для этого координаторы проекта – исследователи европейского института радиоинтерферометрии JIVE (среди них - наши соотечественники Леонид Гурвиц и Сергей Погребенко) будут использовать сеть крупнейших радиотелескопов, работающих в режиме VLBI. В момент вхождения зонда в верхние слои атмосферы в 13ч13мин. мск и следующие 5 часов будут задействованы практически все крупные радиотелескопы США, находящиеся в её континентальной части и на Гавайях (с диаметром зеркал 25-100м), Канады (46м),Японии (34 и 70м), Китая (25м)и Австралии (22-64м). Фазовые составляющие сигналов c Huygens’a и опорных природных радиоисточников, находящихся на угловом расстоянии не более 2^o; от зонда, будут вестись с очень точной временной привязкой с использованием водородных стандартов (так называемая дифференциальная РСДБ или delta-VLBI), запись параметров будет производиться на специальные носители в формате MK-5. Данные будут в режиме реального времени или вскоре по окончании приёма переданы в JIVE на компьютерную обработку на специальном корреляторе MK-5 – это позволит вычислить положение зонда с беспрецедентной точностью – около 1 км на расстоянии 1.2 млрд. км!

По результатам обоих измерений – Dopler и delta-VLBI – будет построена полная 3-х мерная картина посадки зонда – от момента вхождения в верхние слои до контакта с поверхностью. По ней будет уточнена модель циркуляции атмосферы Титана, построен вертикальный профиль преобладающих ветров их скорости, направления и т.д.

К сожалению, крупные радиотелескопы, расположенные в Европе и европейской части России (диаметром 25-76м) из-за географического положения не попадают в зону видимости Huygens’a в момент его 2.5-часового “посадочного” окна. Если позволит заряд батарей Huygens’a, то теоретически, в европейской части России возможен будет приём сигналов с зонда уже непосредственно с поверхности Титана в течение нескольких часов.

Единственная удачно расположенная отечественная антенна в Уссурийске (РТ-70), принципиально предназначенная для приёма такого рода сигналов, вследствие консервации в 1996г. (после провала последней отечественной планетной миссии Марс-96) и недостатка в финансировании сейчас находится в плачевном состоянии. А ведь у неё короткая, но славная история (см. статью I.E.Molotov “Experiments on the Differential Measurements with the Former Russian Deep Space Network”): после введения в строй в 1985г. проведённые траекторные delta-VLBI измерения (вместе с РТ-64 в Медвежьих Озёрах и РТ-70 в Евпатории) позволили вычислить с большой точностью, не достижимой другими методами, траекторию движения отечественных КА: Вега1,2 и аэростатных баллонов в атмосфере Венеры в 1985-1986 г.г., Астрон в 1987 г., Фобос 1,2 в 1988г., Гранат в 1992г. и даже провести сеансы приёма телеметрии со знаменитых Voyager 1,2 в 1991г.! Хотелось бы надеяться, что работоспособность этого уникального радиотелескопа будет полностью восстановлена к 2009г. – времени старта следующего отечественного планетного проекта Фобос-Грунт.

Другой отечественный крупный радиотелескоп с антенной диаметром 32м (РТФ-31, Бадары, Бурятия) построен совсем недавно. В декабре 2004г. на нём был принят первый сигнал с далёких квазаров и говорить о его полномасштабном введении в строй пока рано.

Таким образом, единственным радиотелескопом в России, имеющим минимально необходимое оборудование – приёмник на 2040MHz и терминал MK-5, является РТ-32 (Светлое, под Санкт-Петербургом). Учитывая его невыгодное географическое расположение, а также значительный промежуток времени на тщательную подготовку к измерениям (2-3мес.), следует, к сожалению, что Россия, «аппаратно» не готова и не будет участвовать в международной программе траекторных измерений зонда.

К счастью для многих любителей космонавтики и специалистов, прямой репортаж посадки Huygens’a на Титан будет очень хорошо организован силами американского и европейского космических агентств. Последнее, ESA, особенно постаралось: помимо традиционного освещения этого события в главном пресс-центре ESOC (Дармштадт, Германия), вся информация (текущие новости с радиообсерваторий мира, сопровождаемые комментариями ведущих специалистов проекта) оттуда будет оперативно поступать дополнительно в пять мест (!), филиалов ESA и другие организации:

Cite des Sciencees/La Vilette (Париж, ESA/CNES)
ESA/ESTEC in Noordwijk (Нидерланды)
ESA/ESRIN Frascati (Италия)
ESA/ESAC in Villafranca (Испания)
Central London (Лондон, PPARC)

Помимо оперативно обновляемых новостей на официальных сайтах проекта Cassini-Huygens, предполагается вести прямую трансляцию события по Интернету и каналам спутникового ТВ.

Соответственно, необходимы прежде всего высокоскоростной Интернет (порядка 200Кбит/сек, т.к. по модемному соединению, 28Кбит/сек, качество видео оставляет желать лучшего) и программы RealPlayer или WindowsMediaPlayer. К сожалению, высокоскоростной Интернет пока не всем доступен (у кого помегабайтовая оплата за трафик, приём всей многочасовой трансляции 14 января обойдётся в круглую сумму).

Для просмотра спутникового ТВ ноебходимы тарелка соответствующих размеров, настроенная на спутник, универсальный конвертер, спутниковый ресивер и телевизор (вместо последних двух отлично подойдёт персональный компьютер с процессором частотой не ниже 500МГц, монитором и недорогой DVB-платой типа Skystar).Запись трансляции можно вести на видеомагнитофон или жёсткий диск компьютера.

14 января 2004г., начиная с 11-00 мск и до позднего вечера ESA TV совместно с NASA TV будет вести прямую трансляцию через спутники Astra2C, Astra1G (орбитальная позиция 19.2 в.д.) и EutelsatW1 (10 в.д.). Параметры приёма (спутник, частота, поляризация, символьная скорость, FEC):

Astra2C 10832, H, 22000, 5/6 , карта покрытия
http://www.lyngsat.com/astra2c.html
http://www.ses-astra.com/satellites/footprints.php?sat=14

Astra1G 12552, V, 22000, 5/6, карта покрытия
http://www.lyngsat.com/astra1g.html
http://www.ses-astra.com/satellites/footprints.php?sat=11

EutelsatW1 11079, V, 5632, 3/4, карта покрытия
http://www.lyngsat.com/ew1.html
http://www.eutelsat.com/satellites/10e_popd.html

Проведённые автором в Москве в начале января замеры сигналов на эти транспондеры на тарелку офсет Супрал диаметром 1.2м показали, что приём будет возможным только со спутника EutelsatW1 Для приёма слабого сигнала с Астры в Москве необходима тарелка диаметром 2.4м и более.

В редакции «Новости Космонавтики» (Москва, ул. Воронцово Поле, 3) автором будет организован приём ESA/NASA TV - трансляции 14 января 2004г со спутника EutelsatW1 с записью на жёсткий диск и фоторепортажем всех событий. Результаты планируется опубликовать в НК и других научно-популярных журналах.

До сих пор Титан, очень интересный объект для исследований, впервые открытый Х.Гюйгенсом в 1655 г. и легко наблюдаемый в телескоп как звезда 8-й величины, изучался только дистанционными методами.

В прошлом столетии до появления адаптивной оптики детали поверхности Титана не были видны в крупнейшие наземные телескопы, так как его угловой диаметр на ближайшем расстоянии 8 а.е не превышает 0.9 угловых секунд.

Состав атмосферы Титана изучался спектральными методами, её характеристики – фотометрией путём наблюдения редких покрытия звёзд Титаном.

Объём знаний значительно вырос, когда в 80-х г.г. американские АМС Voyager1,2 по пролётной траектории проследовали на расстоянии всего несколько десятков тысяч км от Титана. Впервые удалось получить крупномасштабные фотографии, что позволило уточнить его диаметр – 5150 км. Среди всех спутников планет Солнечной системы Титан по размеру уступает только Ганимеду (5270 км) и заметно крупнее Меркурия и Плутона.
Оказалось, что атмосфера Титана плотная, с давлением у поверхности в 1.5 раза большим земного и температурой около -180°С, в видимых лучах – оранжевая и непрозрачная, по составу – почти целиком состоящая из азота с небольшой примесью углеводородов – метана, этана и др.

Многие исследователи сравнивают атмосферу Титана с древней атмосферой Земли – той, которая была миллиарды лет назад на нашей планете. И если бы не большая удалённость Титана от Солнца, то вполне вероятным было бы зарождение и существование на нём жизни.

Запущенный на околоземную орбиту в 90-х годах прошлого столетия космический телескоп Хаббла впервые, благодаря его инфракрасной камере, позволил в узких спектральных диапазонах заглянуть сквозь атмосферу и получить изображения поверхности Титана. Она оказалась неоднородной, но из-за огромного расстояния деталей почти не было видно. На фоне более тёмных участков выделялась яркая область, получившая название Ксанаду, по первоначальной гипотезе – континент, окружённый океанами жидких углеводородов!

Последнее предположение до сих пор не подтверждено многочисленными данными АМС Cassini. Этот крупнейший из когда-либо созданных для исследования планет Солнечной системы аппарат был построен американскими специалистами NASA, запущен 15 октября 1997 г. и находится на орбите Сатурна с 1июля 2004 г. Находящаяся на борту Cassini аппаратура (12 научных приборов) позволяет вести комплексное исследование Сатурна, сложной системы его колец и многочисленных спутников.

Ещё на подлёте к Сатурну и особенно далее, после 2-х близких пролётов Титана (26 октября и 13 декабря 2004 г.) на минимальном расстоянии около 1200км были получены уточнённые данные по атмосфере Титана, впервые – детальные фотографии его поверхности с данными радарной топографической съёмки с разрешением до 300м. На их основании был сделан вывод о сложной геологии поверхности, её относительно молодом возрасте, однако природа наблюдаемых поверхностных образований, неровностей рельефа оказалась неясной, и вопрос наличия/отсутствия жидких поверхностей остался открытым.

Поэтому с таким нетерпением исследователи и любители всего мира ожидают результаты первой в истории посадки зонда Huygens на Титан 14 января 2004 г. Другие важные практические задачи – непосредственный приём слабых радиосигналов зонда на Земле и тщательно организованные благодаря международной научной кооперации траекторные измерения позволят усовершенствовать весь комплекс программно-аппаратных средств и отточить методику навигации КА, которая исключительно необходима для планирования и надёжного осуществления всех будующих планетных миссий в Солнечной системе.