Введение
Спутник NASA программы Explorer.
В январе 2018 года любитель, отслеживающий спутники, обнаружил, что он передает сигналы на Землю. NASA предприняло попытки установить связь с космическим аппаратом и определить состояние его полезной нагрузки, но для этого пришлось искать и адаптировать устаревшее оборудование и программное обеспечение к современным системам. 25 февраля 2018 года связь с IMAGE была потеряна, а 4 марта 2018 года – восстановлена. Сигнал вновь исчез 5 августа 2018 года. В случае успеха усилий по восстановлению, NASA может принять решение о финансировании возобновленной миссии.
Обзор
IMAGE был первым космическим аппаратом, специально предназначенным для получения изображений магнитосферы Земли. IMAGE был разработан в рамках программы Medium class Explorer (MIDEX) и стал первым аппаратом, предназначенным для наблюдения за магнитосферой Земли, создавая всесторонние глобальные изображения плазмы во внутренней магнитосфере. Аппарат IMAGE был выведен на орбиту вокруг Земли с наклонением 90,01° (проходящую над полюсами) и периодом обращения 14,2 часа. Благодаря получению изображений каждые 2 минуты в невидимом для человеческого глаза диапазоне длин волн, он позволил детально изучить взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой и реакцию магнитосферы во время магнитных бурь. С удаленной орбиты аппарат предоставил огромное количество изображений ранее невидимой области пространства во внутренней магнитосфере, превзойдя все поставленные научные цели. В ходе экспертной оценки в 2005 году, незадолго до прекращения работы, миссия была охарактеризована как "чрезвычайно продуктивная", подтвердившая ряд теоретических предсказаний (например, плазмосферные шлейфы, инъекция кольцевого тока перед полуночью и непрерывное антипараллельное рекомбинирование), обнаружившая множество новых и неожиданных явлений (например, "плечи" плазмосферы, дуги подполярных протонов и вторичный поток нейтральных межзвездных атомов) и давшая ответы на ряд ключевых вопросов об источнике километрового непрерывного излучения, роли импульсов давления солнечного ветра в ионосферном оттоке и связи между протонными и электронными полярными сияниями во время суббурь. Когда в декабре 2005 года аппарат прекратил передачу данных, продление миссии до 2010 года уже было утверждено.
Ультрафиолетовый изобразитель (УФИ)
Комплекс приборов спутника IMAGE включает три прибора в дальнем ультрафиолетовом диапазоне (FUV). В диапазоне длин волн 120–190 нм, прибор, формирующий изображение полярных сияний, направленный вниз, подвергается минимальному загрязнению солнечным светом, рассеянным от облаков и земной поверхности, и излучение полярных сияний, наблюдаемое в надирной геометрии, может быть зарегистрировано даже в условиях дневного свечения высоких широт. Широкополосная камера визуализации (WIC) обеспечивает получение широкополосных ультрафиолетовых изображений полярных сияний с максимальным пространственным и временным разрешением, регистрируя полосы LBH N2 в спектре полярных сияний. Спектрографический визуализатор (SI), монохроматический прибор, формирует изображения различных типов полярных сияний, отфильтрованных по длине волны. Измеряя доплеровское смещение линии Лаймана-альфа, можно отдельно регистрировать компонент полярного сияния, вызванный протонами. Наконец, прибор GEO наблюдает распределение геокоронного излучения, которое является мерой нейтральной фоновой плотности, являющейся источником обмена зарядами в магнитосфере. Приборный комплекс FUV направлен радиально наружу от вращающегося спутника IMAGE и, следовательно, тратит лишь короткое время на наблюдение полярных сияний и Земли во время каждого оборота (период 120 секунд). Подробные описания WIC, SI, GEO и результатов их индивидуальной валидации производительности можно найти в выпуске журнала Space Science Reviews за январь 2000 года. Одним из основных требований к приборам FUV является максимальная эффективность сбора фотонов и эффективное использование ограниченного времени экспозиции. У визуализаторов полярных сияний FUV – WIC и SI – широкие поля зрения, и они непрерывно собирают данные по мере прохождения области полярных сияний через поле зрения. Для минимизации объема данных, делается несколько снимков, которые затем электронно суммируются со смещением каждого изображения для компенсации вращения космического аппарата. Чтобы минимизировать потерю разрешения, изображения WIC и SI должны быть подвергнуты коррекции искажений в реальном времени перед суммированием. Коррекция искажений выполняется с использованием высокоскоростных таблиц поиска, предварительно сгенерированных методом наименьших квадратов и аппроксимированных полиномиальными функциями бортовым процессором. Приборы были откалиброваны индивидуально на стационарных платформах, в основном в вакуумных камерах, как описано в сопроводительных материалах. Были проведены обширные наземные испытания с использованием симуляторов видимого и ближнего ультрафиолетового излучения, установленных на вращающейся платформе, для оценки их производительности в условиях орбиты.
Высокоэнергетический нейтральный атомный изобразитель (HENA)
Изображатель высокоэнергетических нейтральных атомов (HENA) на борту аппарата IMAGE является одним из трех приборов, предназначенных для наблюдений за магнитосферой Земли с использованием метода визуализации нейтральных атомов. Прибор HENA определяет скорость, траекторию, энергию и массу ENA в энергетическом диапазоне 10–500 кэВ и на основе этих данных формирует изображения источников ENA во внутренней магнитосфере. Два основных компонента HENA – это датчик и главный электронный блок (MEU). Датчик HENA состоит из попеременно заряженных отклоняющих пластин, установленных в виде веера перед входной щелью, трех микроканальных пластинчатых детекторов (МКП), твердотельного детектора (ССД), двух фольг из углерод-силиконового полиимида (одна – на входной щели, другая – непосредственно перед задним МКП) и набора проводов и электродов для управления направлением вторичных электронов, выбиваемых из фольг (или ССД) к МКП. Питание МКП и отклоняющих пластин, а также управление вторичными электронами осуществляется от высоковольтных источников питания, расположенных вместе с датчиком. MEU содержит блок обработки данных (DPU) HENA, аналоговую электронику (которая усиливает и обрабатывает сигналы от датчика и выполняет контрольные функции), аналого-цифровые преобразователи и источник низкого напряжения. HENA определяет скорость ENA, которые он обнаруживает, путем измерения времени пролета (ToF) и траектории через датчик (от входной щели либо к задней фольге и двумерному изображающему МКП, либо к ССД). Когда входящий ENA проходит через входную фольгу, он генерирует вторичные электроны, которые ускоряются и направляются к переднему изображающему МКП. Этот МКП, называемый «стартовым», обеспечивает начальный сигнал для анализа ToF и регистрирует положение, в котором ENA проник во входную щель. Затем ENA продолжает движение через датчик к задней стенке и сталкивается либо с фольгой перед двумерным изображающим МКП, либо с ССД. В первом случае вторичные электроны, выбитые из задней фольги, генерируют сигнал остановки в двумерном изображающем МКП, который также регистрирует положение падающего ENA. Если ENA сталкивается с ССД, то вторичные электроны, выбитые при ударе, направляются к «совпадающему» МКП, который обеспечивает сигнал остановки ToF; положение удара регистрируется ССД. Сигналы старта и остановки обрабатываются аналоговой электроникой ToF в MEU и оцифровываются для передачи в DPU. Импульсы старта и остановки определяют время пролета ENA, а измерения положения – его траекторию и, следовательно, длину пути внутри датчика. Имея эти два параметра – время пролета и длину пути – HENA может рассчитать скорость ENA. Энергия падающих ENA измеряется с помощью ССД. Когда ENA сталкивается с ССД, он генерирует импульс тока. Амплитуда этого импульса (высота импульса) прямо пропорциональна количеству энергии, переданной ENA кристаллу ССД. Таким образом, анализируя высоту импульса, HENA может определить энергию падающего ENA на ССД. Поскольку масса равна удвоенной энергии, деленной на квадрат скорости, как только энергия и скорость ENA определены, его масса может быть вычислена. Расчет массы на основе скорости и измерения энергии ССД является основным методом, используемым HENA для определения состава ENA. Вторым методом является использование высоты импульса сигнала МКП для различения кислорода и водорода – двух наиболее распространенных нейтральных атомов, ожидаемых в магнитосфере.
Низкоэнергетический нейтральный атомный изобразитель (LENA)
Изобразитель низкоэнергетичных нейтральных атомов (LENA) на борту IMAGE – один из трех приборов, предназначенных для наблюдений магнитосферы Земли методом визуализации нейтральных атомов. Задачи LENA включают: (1) измерение нейтральных частиц без помех от электронов, ионов или ультрафиолетового излучения; (2) различение нейтральных протонов и кислорода; (3) определение ионного выброса с временным разрешением в пять минут в широком диапазоне местных времен; и (4) измерение энергий, начиная с 10 эВ, с высокой статистикой счета. Прибор LENA состоит из коллиматора, преобразователя, экстракционной линзы, дисперсионного анализатора энергии и масс-спектрометра с определением времени пролета и позиционно-чувствительным детектором частиц. Нейтральные частицы попадают в прибор через коллиматор, который фильтрует заряженные частицы. LENA преобразует нейтральные атомы в отрицательные ионы посредством почти зеркального скользящего отражения от вольфрамовой поверхности. Отрицательные ионы с поверхности затем собираются экстракционной линзой, которая фокусирует все отрицательные ионы с одинаковой энергией в фиксированную точку. В экстракционной линзе ионы ускоряются напряжением 20 кВ перед попаданием в электростатический анализатор. Наконец, ионы поступают в секцию измерения времени пролета и положения, где определяются масса, энергия и угол ионов.
Среднеэнергетический нейтральный атомный изобразитель (MENA)
Изобразитель нейтральных атомов средней энергии (MENA) на борту IMAGE является одним из трех приборов, предназначенных для наблюдений магнитосферы Земли методом визуализации нейтральных атомов. MENA – это прибор щелевого типа, разработанный для регистрации энергетически нейтральных атомов водорода и кислорода с энергиями в диапазоне от 1 до 30 кэВ. Прибор определяет время пролета и угол прихода входящих ENA. На основе этих исходных данных он вычисляет их траекторию и скорость и формирует изображения магнитосферных областей, из которых они испускаются. Изобразитель состоит из трех идентичных сенсорных головок, установленных на DPU. Три сенсорные головки расположены рядом друг с другом на верхней части DPU. Средняя сенсорная головка направлена прямо вперед, с углом обзора 107° в плоскости оси вращения. Направления обзора двух боковых сенсорных головок смещены на 20° относительно направления средней сенсорной головки. Это смещение на 20° компенсирует слепую зону в 20° в центре каждого детектора. В результате общий угол обзора в плоскости оси вращения составляет 147°. MENA DPU состоит из одного 16-битного микроконтроллера Harris RTX2010, работающего на частоте 4,91 МГц, таблиц поиска, используемых для обработки исходных данных, источника питания низкого напряжения, контроллера высокого напряжения, а также, для каждой из трех сенсорных головок, входной части для измерения времени пролета и высоты импульса, и источников питания высокого напряжения. DPU взаимодействует с сенсорными головками и центральным процессором данных приборов (CIDP). Он контролирует работоспособность и безопасность прибора, принимает и обрабатывает исходные данные с датчиков, формируя одно изображение каждые две минуты (то есть за каждый период вращения космического аппарата). Он передает это изображение, вместе с отобранными исходными данными датчиков, данными о частоте событий и служебной информацией, в CIDP для передачи на Землю.
Радиоплазменный изобразитель (RPI)
Радиоплазменный изобразитель (RPI) использовал импульсы радиоволн для "зондирования" почти всего объема магнитного поля Земли. С антенной, расположенной от края до края, это один из самых крупных датчиков, когда-либо выведенных в космос. Подобно радиолокатору полиции, 10-ваттный передатчик RPI излучал всплеск радиоволн, которые отражались от облаков заряженных частиц между внешней границей плазмасферы и границей, где магнитное поле Земли подвергается воздействию солнечного ветра. "Радар" RPI сканировал спектр от 3 килогерц (циклов в секунду) до 3 мегагерц, охватывая весь диапазон AM-радио и выше. Каждые пять минут из возвращенных радиосигналов формировалось изображение, содержащее информацию о направлении, скорости и плотности удаленных плазменных облаков. Инструмент был разработан командой под руководством доктора Бодо Рейниша из Университета Массачусетса в Лоуэлле. Центральный процессор инструментальных данных (CIDP) обеспечивал сбор, сжатие, хранение и телеметрическое форматирование научных данных со всех изобразителей, направлял команды к изобразителям и взаимодействовал с системами космического аппарата. CIDP был разработан SwRI. В течение последующих дней и недель отправлялись "слепые" команды для перезагрузки передатчика, смены антенн и других попыток восстановить связь с космическим аппаратом, но сигнал не был получен (даже немодулированная несущая частота). Мероприятия по восстановлению включали использование различных антенн сети дальней космической связи NASA (NASA DSN), использование наземных станций, не принадлежащих NASA, на случай систематической ошибки NASA DSN, прекращение передачи команд на несколько дней для активации 72-часового сторожевого таймера, увеличение мощности передачи в случае сильного отклонения антенны, а также оптические и радиолокационные наблюдения спутника для обнаружения обломков, изменения скорости вращения или изменения орбиты, указывающих на столкновение или другие повреждения. Космическому аппарату также было приказано незначительно увеличить скорость вращения и асимметрично включить нагреватели. Если бы эти изменения были зафиксированы, это указывало бы на то, что он способен принимать команды, но не передавать. Ни одно из этих изменений не было обнаружено, и последующий анализ показал, что изменение температуры было бы незаметным. Попытка отследить температуру аппарата, чтобы определить, полностью ли он вышел из строя или потребляет энергию, ожидаемую в безопасном режиме, не дала однозначных результатов. Тщательный анализ отказа показал, что среди вероятных причин внезапной двусторонней потери связи преобразователь твердотельной энергии (SSPC) для транспондера имел функцию "мгновенного отключения" в ответ на короткое замыкание высокого тока (100). Важно отметить, что такое отключение не фиксировалось в телеметрических данных источника питания и этот факт не был задокументирован. Поскольку это не было задокументировано, аппаратное и программное обеспечение космического аппарата не предусматривало попыток перезагрузки SSPC, если он сообщал о нормальном состоянии. Было надеяться, что затмение, когда космический аппарат пройдет через тень Земли в октябре 2007 года, приведет к достаточно глубокому падению напряжения питания, что вызовет полную перезагрузку шины, и, следовательно, цикл питания подозрительного источника. Однако попытки связаться с аппаратом после этого затмения не увенчались успехом.
Усилия по восстановлению
20 января 2018 года IMAGE был обнаружен канадским радиолюбителем и специалистом по отслеживанию спутников Скотом Тилли, который сообщил об этом в NASA. Он сканировал S-диапазон (микроволны) в надежде обнаружить спутник Zuma. 24 января 2018 года Ричард Берли из NASA сообщил, что они пытаются установить связь со спутником, используя сеть дальнего космоса NASA (DSN). Два дня спустя Берли сообщил, что инженеры из Центра космических полётов Годдарда (GSFC) успешно приняли сигнал и подтвердили 30 января 2018 года, что источником сигнала является IMAGE. Неизвестно, когда спутник начал передавать сигнал, но повторный анализ старых данных, записанных Тилли и его коллегой, специалистом по отслеживанию спутников Сесом Бассой, показал передачи с того же спутника в октябре 2016 года и мае 2017 года. Басса предположил, что, хотя затмение 2007 года не привело к перезагрузке спутника, другое затмение сработало, вероятно, в период между 2014 и 2016 годами. 8 февраля 2018 года NASA опубликовало подробный отчет о восстановлении спутника IMAGE. Спутник передавал данные, выходящие за рамки простой телеметрии, что указывало на то, что некоторые из его шести бортовых приборов всё ещё функционируют. Инженеры NASA пытаются определить состояние спутника, но поскольку программное обеспечение и аппаратное обеспечение, использовавшиеся в Центре управления миссией IMAGE, были утилизированы и больше не существуют, они в процессе адаптации старого программного обеспечения и баз данных к современным системам и поиска замены аппаратного обеспечения. 25 февраля 2018 года NASA снова потеряла связь со спутником, но не так, как это произошло в 2005 году. Ричард Берли, бывший руководитель миссии IMAGE, заявил, что, по его мнению, проблема связана с осью вращения IMAGE относительно расположения антенны средней направленности. Если NASA удастся восстановить контроль над космическим аппаратом и оценить состояние данных и наземных систем, будет принято решение о возможности финансирования возобновления миссии. 9 мая 2018 года Скотт Тилли снова зафиксировал сильный сигнал от IMAGE. Через несколько часов инженеры NASA и APL зафиксировали сигнал и начали приём телеметрии. На IMAGE были отправлены команды, но по неизвестным причинам космический аппарат подтвердил получение лишь части из них. 20 января 2019 года исполнился ровно год с момента повторного обнаружения космического аппарата, и с 5 августа 2018 года он остаётся без связи. Работа продолжается, особенно после затмений, которые могут привести к перезагрузке электроники.