Elsternbrücke-Konstellation

Die Umfassende Kommunikations-, Navigations- und Fernerkundungskonstellation Elsternbrücke (chinesisch 鹊桥通导遥综合星座, Pinyin Quèqiáo Tōng-Dǎo-Yáo Zhōnghé Xīngzuò), kurz Elsternbrücke-Konstellation (鹊桥星座), ist ein im Aufbau befindliches System von Satelliten im Rahmen des Chinesischen Tiefraum-Netzwerks, zunächst im Erde-Mond-Raum, dann im inneren Sonnensystem zwischen Venus und Mars, und schließlich im äußeren Sonnensystem bis zur Heliopause. Die Federführung des Projekts liegt beim Labor für Tiefraumerkundung, Leiter der Entwicklergruppe bei der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie ist He Xiongwen (何熊文), ein Spezialist für interplanetares Internet. Der Name der Konstellation leitet sich aus der chinesischen Volkssage „Kuhhirte und Weberin“ ab, wo zwei Liebende durch die Milchstraße getrennt sind, über die ein Schwarm Elstern einmal pro Jahr eine Brücke bildet.

Geschichte

Relaissatellit Elsternbrücke, 2018

Um die Kommunikation mit der auf der erdabgewandten Seite des Mondes aktiven Sonde Chang’e 4 und ihrem Rover Jadehase 2 zu ermöglichen, wurde am 20. Mai 2018 der Relaissatellit Elsternbrücke gestartet. Nach komplizierten Bahnmanövern schwenkte der Satellit am 14. Juni 2018 hinter dem Mond in einen sogenannten „südlichen Halo-Orbit“ um den Erde-Mond-Lagrange-Punkt L₂ mit einer z-Amplitude von 13.000 km ein, also fast viermal soviel wie der Durchmesser des Mondes. Der Zusatz „südlich“ in der Bezeichnung des Orbits besagt, dass er zur Achse Erde-Mond geneigt ist – in diesem Fall so, dass die Umlaufbahn des Satelliten im Süden mit 79.000 km wesentlich weiter vom Mond entfernt ist als im Norden mit 47.000 km (Chang’e 4 landete im Südpol-Aitken-Becken). Halo-Orbits sind inhärent instabil – der Heiligenschein-Effekt resultiert daraus, dass der Satellit wie ein Kreisel um die virtuelle Rotationsachse taumelt. Daher sind regelmäßige Bahnkorrekturmanöver nötig, um die Flugbahn nicht außer Kontrolle geraten zu lassen. Im Falle der Elsternbrücke alle 9 Tage, wobei jedes Mal zwischen 80 und 120 g Treibstoff verbraucht wird.

Im April 2021 ging Zhang Lihua (张立华, * 1970), der Chefkonstrukteur der Elsternbrücke, davon aus, dass der Relaissatellit noch bis mindestens 2026 betrieben werden könnte. Bereits im Oktober 2018, also kurz nachdem die Elsternbrücke ihren Betriebsorbit eingenommen hatte, schlugen Zhang Lihua und Wu Weiren, damals Technischer Direktor des Mondprogramms der Volksrepublik China, vor, dies zu einer Relaissatelliten-Konstellation zu erweitern, über die in Zukunft die Kommunikation mit zahlreichen über die Mondoberfläche verteilten Robotern und Raumfahrern aufrechterhalten werden könnte. Hierzu sollten mehrere Relaissatelliten sowohl an den Lagrange-Punkten als auch in Orbits um den Mond selbst stationiert werden. Die Signale sollten von der Mondoberfläche an einen Satelliten, von diesem an einen weiteren Satelliten, und von letzterem dann zur Erde übertragen werden.

Betriebsorbit von Elsternbrücke 2, 2024

Als erster dieser Ergänzungssatelliten wurde bei der Dong Fang Hong GmbH, einer Tochterfirma der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie, ab 2019 ein weiterer, seit 2022 „Elsternbrücke 2“ genannter Relaissatellit entwickelt, der in einem um 54,8° zum Mondäquator geneigten, stark exzentrischen Orbit von 300 × 8600 km positioniert werden soll. Der mondnächste Punkt der Satellitenbahn soll über dem Nordpol liegen, der mondfernste Punkt über der erdabgewandten Seite der südlichen Polregion. Auf diese Art hat der Satellit für gut acht Stunden, also zwei Drittel seines zwölfstündigen Orbits, Sichtverbindung mit den zunächst dort aktiven Robotern der Internationalen Mondforschungsstation. Ursprünglich wollte man Elsternbrücke 2 als verbesserte Version der ersten Elsternbrücke ausführen und Ende 2026 zusammen mit der Sonde Chang’e 7 zum Mond bringen. Da sich das Konzept jener Mission im Jahr 2022 änderte, beschloss die Führung des Zentrums für Monderkundungs- und Raumfahrt-Projekte bei der Nationalen Raumfahrtbehörde Chinas, den neuen Relaissatelliten separat zu starten. Dadurch ergab sich zum einen die Möglichkeit, den Satelliten größer zu bauen, zum anderen konnte man ihn früher starten und bereits bei der für 2024 geplanten Probenrückführmission Chang’e 6 zum auf der Mondrückseite liegenden Apollo-Krater einsetzen.

Im September 2020 wurde im Zusammenhang mit dem Bemannten Monderkundungsprogramm, wo zu Beginn und Ende jeder Mission im Mondorbit jeweils ein Koppelmanöver zwischen Raumschiff und Landefähre stattfindet, erstmals davon gesprochen, die Relaissatelliten-Konstellation zu einer „Lunaren Relais- und Navigationssatelliten-Konstellation“ (月球中继导航星座) ähnlich dem Beidou-System zu erweitern. Am 24. April 2022, dem chinesischen Tag der Raumfahrt, lud Wu Yanhua, damals stellvertretender Direktor der Nationale Raumfahrtbehörde, andere Staaten dazu ein, sich am Aufbau der Konstellation zu beteiligen und sie im Rahmen der Internationalen Mondforschungsstation zu nutzen. Im Laufe der folgenden Monate wurde das Konzept unter der Führung von Wu Weiren, seit dem 8. Juni 2022 Leiter des neugegründeten Labors für Tiefraumerkundung in Hefei, um den Aspekt Fernerkundung erweitert, um die auf der Mondoberfläche aktiven Roboter gezielt zu den Ressourcen lenken zu können. In einem Interview am 24. November 2022 erwähnte Wu Weiren erstmals, dass man das „Lunare Internet“ (月球互联网) bis zum Mars erweitern könnte.

Seit einer Pressekonferenz am 18. April 2023 wird für das Projekt offiziell die Bezeichnung „Umfassende Kommunikations-, Navigations- und Fernerkundungskonstellation Elsternbrücke“ (鹊桥通导遥综合星座) verwendet, nun ohne speziellen Bezug zum Mond (die Elsternbrücke in der namengebenden Sage verbindet die Sterne Wega und Altair). Bereits Anfang Juni 2023 hatte die Strategische Kampfunterstützungstruppe auf Bitten der NASA den Relaissatelliten Elsternbrücke für die Nutzung durch diese und andere Raumfahrtbehörden (nicht jedoch Privatfirmen) freigegeben, um sie bei ihren Mondmissionen zu unterstützen. Dies fand in der chinesischen Bevölkerung nicht ungeteilte Zustimmung.

Struktur

Bezüglich der Zahl und Verteilung der Satelliten in der Konstellation gab es unterschiedliche Ansätze. So bevorzugte das für bemannte Raumfahrt zuständige Zentrum für Projekte und Technologien zur Nutzung des Weltalls zwei Satelliten in einem entfernten rückläufigen Orbit, deren Position von einem in einem erdnahen Orbit befindlichen Navigationssatelliten aus bestimmt werden sollte. Das heute primär für unbemannte Raumfahrt zuständige Zentrum für Weltraumwissenschaften schlug seinerseits sechs Relaissatelliten in einer heliozentrischen Umlaufbahn zwischen Erde und Mars vor, über die während der etwa alle zwei Jahre stattfindenden Konjunktion von Erde, Sonne und Mars, welche die direkte Kommunikation zwischen den beiden Planeten für 40 Tage schwierig bis unmöglich macht, die Funksignale um die Sonne herumgeleitet werden könnten. Am 25. April 2023 lobte das Labor für Tiefraumerkundung sogar einen weltweiten, auf ein Jahr angelegten Wettbewerb aus, bei dem Forschungseinrichtungen, Firmen, Hochschulen und Privatpersonen Vorschläge für die Struktur der Elsternbrücke-Konstellation einreichen konnten.

Vorbehaltlich eines besseren Vorschlags einigte man sich jedoch zunächst auf das ursprüngliche Konzept von Zhang Lihua und Wu Weiren aus dem Jahr 2018, mit jeweils mehreren Satelliten in Umlaufbahnen um einen Himmelskörper, interplanetaren Relaissatelliten an Lagrange-Punkten sowie einem geostationären Relaissatelliten auf dem Längengrad Chinas, der – ähnlich wie ein orbitales Sonnenkraftwerk – durch die Neigung der Erdachse fast immer eine Sichtverbindung über die Polkappen hinweg zum Mond etc. hätte. Am 25. April 2023 stellte Wu Weiren das Konzept auf einer Konferenz in Hefei einem internationalen Publikum vor, Für die Ausarbeitung des Konzepts ist beim Labor für Tiefraumerkundung das Forschungsinstitut für Systeme (系统研究院) zuständig, das am 2. Oktober 2023 auf dem 74. Astronautischen Kongress der International Astronautical Federation in Baku einen Dreistufenplan für den Aufbau der Konstellation im inneren Sonnensystem vorstellte:

1. Basisversion mit Kommunikation und Navigation für die 4. Phase des Mondprogramms der Volksrepublik China (Chang’e 6 bis Chang’e 8) und die Internationale Mondforschungsstation. Garantierte Datenübertragungsrate per Funk 50 Mbit/s, Tests für Datenübertragung per Laser mit 10 Gbit/s, Tests für Navigationsgenauigkeit von 100 m.
2. Vollversion mit Kommunikation, Navigation und Fernerkundung für die bemannte Monderkundung: sechs Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen um den Mond, zwei in elliptischen Umlaufbahnen um den Mond, jeweils drei Satelliten in Halo-Orbits um die Erde-Mond-Lagrange-Punkte L₁ und L₂, einer am Erde-Mond-Langrange-Punkt L₃ auf der dem Mond entgegengesetzten Seite der Erde, sowie der geostationäre Relaissatellit über China. Hier würde die garantierte Datenübertragungsrate 1–10 Gbit/s betragen, die Navigationsgenauigkeit 50 m.
3. Erweiterung des Systems um entsprechende Konstellationen bei Mars und Venus mit Kommunikations- und Navigationssatelliten in Umlaufbahnen um die Planeten sowie Relaissatelliten an den L₁-Punkten des Sonne-Mars- bzw. Sonne-Venus-Systems, dazu mehrere geostationäre Satelliten, die mit dem Nationalen Netzwerk aus im endgültigen Ausbauzustand 12.992 Kommunikations-, Navigations- und Erdbeobachtungssatelliten vernetzt sind. Hier würde die Kommunikation über Laser mit einer Datenübertragungsrate von mehr als 10 Gbit/s erfolgen, die Navigationsgenauigkeit würde bei 10 m liegen.

Im weiteren Verlauf sollen die Relaissatelliten im geostationären Orbit und an den Lagrange-Punkten sukzessive zu Raumstationen ausgebaut werden, an denen große Raumflugkörper im Orbit montiert und mit Treibstoff, Nahrung etc. versorgt werden können. Während der Wirtschaftsraum Erde-Mond auch mittelfristig auf Hydrazin-Technologie basieren wird, sollen die interplanetaren Raumschiffe einen nuklear-thermischen Antrieb mit Wasserstoff als Stützmasse erhalten. Dieser Wasserstoff soll aus auf dem Mond, erdnahen Asteroiden, dem Mars, Hauptgürtelasteroiden und Jupitermonden abgebautem Wassereis erzeugt und in den Relaisstationen zwischengelagert werden. Bei der China Aerospace Science and Technology Corporation, der Herstellerfirma dieser Einrichtungen – das Labor für Tiefraumerkundung fungiert als Auftraggeber – ist man der Meinung, dass zunächst Stationen am L₁-Punkt des Erde-Mond-Systems, den Lagrange-Punkten L₁ und L₂ des Sonne-Erde-Systems, den Lagrange-Punkten L₁ und L₂ des Sonne-Mars-Systems, im Orbit um den Zwergplaneten Ceres und am L₁-Punkt des Sonne-Jupiter-Systems zu Wasserstoffdepots ausgebaut werden sollten.

Das Labor für Tiefraumerkundung möchte die Elsternbrücke-Konstellation nach Jupiter noch zu den anderen Riesenplaneten des äußeren Sonnensystems bis hin zur Heliopause erweitern. Das hängt mit der ungenügenden Sendeleistung der chinesischen Tiefraumstationen zusammen. Im Jahr 2018 hatte man erst den Prototyp eines Klystron-Senders für das X-Band mit 50 kW Leistung fertiggestellt, während das amerikanische Deep Space Network mit 500 kW Sendeleistung arbeitete. Für die Marsmission Tianwen-1 behalf man sich damit, dass man die Tiefraumstation Kashgar mit drei weiteren Antennen zu einem Array erweiterte. Dieser Methode sind jedoch durch unvermeidliche Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Antennen Grenzen gesetzt. Mit einer Kette von Relaissatelliten würde man das Problem umgehen.

Liste der Satelliten

Stand: 23. Oktober 2023

Name	Start	Betriebsende	Orbit	Funktion	Antennen	Datenübertragungsrate
						Mond-Satellit	Satellit-Erde
Elsternbrücke	20. Mai 2018	2026 (erwartet)	Halo-Orbit um Erde-Mond-L2 z-Amplitude 13.000 km	Funkrelais	X-Band-Parabolantenne 4,2 m S-Band-Spiralantenne	X-Band 555 kbit/s	S-Band 4 Mbit/s
Elsternbrücke 2	März 2024 (geplant)	2032 (erwartet)	elliptischer Orbit um Mond 54,8°, 300 × 8600 km	Funkrelais	X-Band-Parabolantenne 4,2 m 4 S-Band-Rundstrahlantennen UHF-Rundstrahlantenne Ka-Band-Parabolantenne 0,6 m	X-Band 5 Mbit/s	Ka-Band 100 Mbit/s

Die Datenübertragungsraten gelten für die im Regelbetrieb genutzten Antennen und Frequenzen. Die Systeme sind jedoch wechselweise redundant. So können zum Beispiel bei einem Ausfall des S-Band-Systems auf dem Relaissatelliten Elsternbrücke an Bord zwischengespeicherte Nutzlastdaten auch über das höherfrequente X-Band und die entsprechend ausgerichtete Parabolantenne zur Erde übertragen werden, dann mit 10 Mbit/s.

Einzelnachweise

1. 中国已经计划建设鹊桥星座. In: weibo.com. 25. September 2023, abgerufen am 19. Oktober 2023 (chinesisch). 
2. Andrew Jones: China wants a lunar satellite constellation to support deep space missions. In: spacenews.com. 5. Oktober 2023, abgerufen am 19. Oktober 2023 (englisch). 
3. 第四届泛在智能环境下的移动计算论坛——与唐雄燕、邱铁、何熊文等专家探讨智能驱动互连. In: ccf.org.cn. 14. Oktober 2023, abgerufen am 19. Oktober 2023 (chinesisch). 
4. 陈碧琦: 地月“鹊桥”：飞向太空的中国式浪漫了解一下. In: weixin.qq.com. 22. August 2023, abgerufen am 19. Oktober 2023 (chinesisch). 
5. Luyuan Xu: How China's lunar relay satellite arrived in its final orbit. In: planetary.org. 15. Juni 2018, abgerufen am 20. Oktober 2023 (englisch). 
6. Christian Circi et al.: Halo orbit dynamics and properties for a lunar global positioning system design. In: academic.oup.com. 2. Juli 2014, abgerufen am 20. Oktober 2023 (englisch). 
7. 刘磊 et al.: 地月平动点中继应用轨道维持. In: jdse.bit.edu.cn. 20. Oktober 2015, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
8. 赵聪: 延寿！“鹊桥”还能飞10年. In: mp.weixin.qq.com. 25. April 2019, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
9. Zhang Lihua: Development and Prospect of Chinese Lunar Relay Communication Satellite. In: spj.science.org. 27. April 2021, abgerufen am 20. Oktober 2023 (englisch). 
10. 张立华、吴伟仁: 月球中继通信卫星系统发展综述与展望. In: jdse.bit.edu.cn. 25. November 2018, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
11. 飞越永夜区！嫦娥七号开创人类又一首次，寻找月球水源的先锋兵力. In: sina.cn. 25. Oktober 2019, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
12. 嫦娥七号设计再次改动，为搭载阿联酋月球车，将中继星挤下去了？ In: new.qq.com. 25. September 2022, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
13. 中国探月工程未来规划简图. In: weibo.cn. 22. September 2022, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
14. 崔霞 et al.: 国家航天局：鹊桥二号2024年上半年发射. In: news.cn. 1. Oktober 2023, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
15. 中国载人登月续. In: weibo.com. 12. Oktober 2020, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
16. 张棉棉: 国家航天局：正在论证构建环月球通信导航卫星星座. In: 163.com. 24. April 2022, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch). 
17. Andrew Jones: China to build a lunar communications and navigation constellation. In: spacenews.com. 27. April 2022, abgerufen am 20. Oktober 2023 (englisch). 
18. 深空探测实验室召开理事会第一次会议进入实质运行和全面建设新阶段. In: cnsa.gov.cn. 14. Juni 2022, abgerufen am 21. Oktober 2023 (chinesisch). 
19. 期待，中国深空探测“大动作”！ In: cnsa.gov.cn. 28. November 2022, abgerufen am 21. Oktober 2023 (chinesisch). 
20. 2023年“中国航天日”新闻发布会. In: cnsa.gov.cn. 18. April 2023, abgerufen am 20. Oktober 2023 (chinesisch).  14:16:51 und 14:28:37.
21. 中国已同意美国 NASA 和其他国家航空航天机构使用“鹊桥”号月球中继星的请求. In: ithome.com. 15. Juni 2023, abgerufen am 21. Oktober 2023 (chinesisch). 
22. 中国同意给美国用“鹊桥中继卫星”，国人不解：凭什么啊？ In: sohu.com. 16. Juni 2023, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
23. 美国再次借用我国鹊桥卫星，我国再次同意！多方考量合作收获更大. In: sohu.com. 16. Juni 2023, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
24. 李霜琳 et al.: DRO卫星编队同波束差分相对导航. In: jdse.bit.edu.cn. 28. April 2023, abgerufen am 21. Oktober 2023 (chinesisch). 
25. 部门简介. In: csu.cas.cn. Abgerufen am 21. Oktober 2023 (chinesisch). 
26. 国家空间科学中心: 铺人类星际互联网 让深空探测不迷航——中国科学家提出深空探测通信卫星星座方案. In: sohu.com. 18. September 2018, abgerufen am 21. Oktober 2023 (chinesisch). 
27. 全球征集！鹊桥通导遥综合星座方案征集大赛开启. In: thepaper.cn. 25. April 2023, abgerufen am 8. November 2023 (chinesisch). 
28. 国际月球科研站与鹊桥通导遥综合星座将服务载人登月和火星、金星等深空探测. In: weibo.com. 25. April 2023, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
29. 付琳: 中国深空探测，迈向更深更远处. In: news.cn. 24. April 2023, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
30. Andrew Jones: Queqiao constellation plan. In: twitter.com. 2. Oktober 2023, abgerufen am 22. Oktober 2023 (englisch). 
31. Philip Ye: 航天科技六院“八年九机”都是哪9台发动机呢. In: weibo.com. 3. Oktober 2022, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
32. “勘、采、用”三步走，当“天工开物”走向太空. In: cnsa.gov.cn. 1. September 2023, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
33. 董光亮、李海涛 et al.: 中国深空测控系统建设与技术发展. In: jdse.bit.edu.cn. 5. März 2018, abgerufen am 22. Oktober 2023 (chinesisch). 
34. Joseph Statman: Analysis of DSN Emitter High-Intensity Radiated Fields. (PDF; 1,08 MB) In: deepspace.jpl.nasa.gov. 14. April 2012, abgerufen am 22. Oktober 2023 (englisch).  S. 16.
35. 石豪: 鹊桥正当空——中国小卫星有大发展. In: guancha.cn. 2. Januar 2019, abgerufen am 23. Oktober 2023 (chinesisch).