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第1页共7页深空测控通信技术发展趋势分析摘要为满足21世纪我国深空探测任务的需要,参考国外深空测控通信系统的先进技术。本文简述了深空探测的重要意义,深空探测对测控通信的挑战以及人类近30年来为解决矛盾而研究应用的各项措施和所达到的水平。提出了我们应当跟踪研究的深空测控通信领域的新体制、新技术和新设备。关键词：航天技术深空探测测控通信1引言月球和深空探测是载人航天工程之后中国航天战略的新举措,将成为21世纪中国航天事业发展的重要领域。由于深空任务时间周期较长,通信距离长、时延大,链路带宽窄,接收信号微弱等一系列原因,使得深空测控通信与地球轨道航天器的测控通信相比差别很大,挑战更多,实现也更为困难。为了解决深空任务的通信时延、测角以及连续观测等问题,目前国际上采取的措施有:通过加大深空站的天线口径,提高射频频段,降低接收系统噪声温度,采用先进的光通信技术、信道编译码技术和信源压缩技术等措施来克服巨大的距离损失;运用差分甚长基线干涉仪(ΔVLBI)技术来提供精确测角数据进行导航;立足于全球布设陆基深空网,克服地球自旋影响,提供全天时连续观测。2正文2.1工作频段以X频段为主,并向Ka频段发展自20世纪70年代以来,X频段技术已得到广泛使用,目前深空探测器的测控频率基本上采用X频段。Ka频段与X频段相比,同等条件下信噪比更高,可以提供的数据率更高。美国NASA将在2010年之前完成对深空网(DSN)70m和34m设备的Ka频段升级。Ka频段已经在“卡西尼号”(Cassini)深空探测器上得到了应用。欧空局在澳大利亚西部的珀斯附近新建的35m深空站已经具备Ka频段下行接收能力,并且可以扩展上行Ka频段能力;正在西班牙马德里建造的第二个35m深空站同时具备Ka频段上、下行能力。2.2天线组阵技术所谓天线组阵就是利用分布的多个天线组成天线阵列,接收来自同一信号源第2页共7页(深空探测器)发送的信号,并将来自各个天线的接收信号进行合成,从而获得所需的高信噪比接收信号。天线组阵相比单个天线具有下述优点。实际使用中的优点：对于大口径天线来说波束宽度相对较窄,因此天线指向误差就是个大问题。指向精度要求的提高也使得大口径天线的制造越来越困难。天线阵使用口径较小的天线产生相对宽的波束,因此更能容许指向误差。而且天线组阵可以增加口径效率,能够等效实现更大的天线口径。操作上的优点：天线阵列提供了更好的系统操作易用性、维护的灵活性和工作的可靠性。常规的预防性维护可以轮换使用不同天线,使系统全时满负荷工作。使用天线阵列,一个天线单元失效仅仅使得系统性能下降,并不会导致系统瘫痪。同时减少备份件所需要的费用,与全时全功能工作的单个天线所必须的百分之百的备份件要求相比,天线阵列需要的备件数量要少很多。成本和花费上的优点：因为从重量和尺寸考虑,小口径天线更容易建造。大批量、自动化的制造过程可以降低成本。喷气推进实验室(JPL)对于使用小口径天线阵来替代大口径单个天线进行过成本估计,即便计算了附加的多套组阵电子设备也依然可以降低建造成本。灵活性上的优点：天线组阵技术可以提高系统计划的灵活性。新增加的天线单元可以在任务需要的时间内加大整个口径。而且在这个过程中对正在执行任务的设备造成的影响很小,可以根据不同任务的需求设计不同的组阵方案。科学应用上的优点：很多科学应用,比如VLBI、射电天文观测,都要依靠很长基线的天线阵干涉。今后还可以把该技术应用于“平方公里天线阵列”(SKA)中。NASA深空网从20世纪60年代起就开始研究天线阵技术。依靠深空网的地面天线组阵技术可以提高接收信号的信噪比,也就提高了从探测器接收到的数据量。对于美国深空探测网来说,一直以来他们都努力研究各种天线阵列用来替代70m口径的大天线,从而提高对远距离微弱信号的接收能力。通过适当的措施,这种阵列系统被设计成可以扩充,并且其G/T值也可以达到70m口径天线的水平。目前,射电天文学和NASA深空网计划研制“平方公里天线阵列”。SKA作为一个国际合作计划,将由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚、中国和印度共同开展。第3页共7页具体实施计划由SKA科学工作小组制定。另外一种正在研究的技术是上行链路组阵技术。这种技术可以增加航天器前端链路的带宽,好处有:①在航天器发生故障处于危险状态时,建立上行链路;②在时间紧迫的情况下,可以向航天器上传特殊任务;③对未来的深空载人任务提供支持。基于软件合成的阵列系统也是一种潜在发展需求。该系统利于从记录信号中抽取更多有用信息。虽然今后可以建造更多的34m口径天线或者70m口径天线,但是一座全新的34m天线站———包括天线单元构造、上下行电子设备、整机测试———至少需要3000万美元才能完成。同时因为单站天线口径毕竟有限,所以最大限度地利用每一座天线组成天线阵列就成了今后一段时间重点研究的课题,并且可以相当程度上节省天线运营费用。另外,出于性价比考虑,除了增加天线单元的费用之外,天线阵所需全部结构和电子设备的花费要比制造单个的大口径天线小。因此,今后深空测控天线组阵技术的主要发展方向将是替代大口径天线的超大规模天线阵列。2.3深空探测无线电测量新技术作为目前世界范围深空探测领域的主导力量,NASA的喷气推进实验室在新书RadiometricTrackingTechniquesforDeepSpaceNavigation中将单向测速、再生测距技术、新型甚长基线干涉技术(FSR/VSR)、连接元干涉技术(ConnectedElementInterferometry,CEI)、同波束干涉技术(SameBeamInterferometry,SBI)作为今后的发展方向。其中后两项技术将成为今后一段时间内研究和试验的重点。连接元干涉技术(CEI)是NASA今后一段时间重点研究和使用的实时测角技术。两个观测站间隔仅21km,之间用宽带光纤连接,采用统一的原子钟,用光纤分配频率和时间标准,观测站将收到的信号用光纤实时传到数字处理中心处理。其优点之一是测角精度可达到80nrad,甚至更好,和VLBI测角精度近似;优点之二是可用于实时导航。从20世纪90年代起CEI技术进行了多次试验:1990年11月11号到18号及20号到27号这两周时间内,使用戈尔德斯顿深空站DSS132DSS15之间的连接元干涉仪对“伽利略号”探测器进行跟踪。1991年6月18号,使用CEI在DSS132DSS15基线上观测“麦哲伦号”航天器,并且和DSS15观测站进行的日常遥测一起进行。观测到的干涉条纹与“麦哲伦号”的在2.3GHz和8.4GHz上的第4页共7页载波相对应。特别是在1992年2月在木星重力探测任务中对“尤利西斯号”的精确测角将改善木星星历表。这将有利于1995年“伽利略号”靠近木星的导航任务。在这之后,CEI观测将集中精力在“尤利西斯号”飞越木星的过程上。这些数据的处理一直在进行。初步试验表明,CEI系统可以达到50nrad的精度。这种技术为实时测距、测角定位开创了一个新途径,可望在21世纪得到广泛应用。同波束干涉(SBI)技术是指当两个航天器在角度非常接近的情况下,它们可以在地面天线的同一波束内观测,使用两个深空站天线对两个航天器同时观测,可以产生差分干涉测量,并可以提供在天平面上两个航天器非常精确的相对角位置测量。1991年8月,当时“麦哲伦号”和“先驱者号”正处于金星轨道,NASA对它们实现了SBI测量并验证了其在轨道确定中有良好的作用。如今SBI已经在NASA的火星探测任务中用于对火星着陆器和火星车的相对位置测量,并且火星着陆器和火星探测器的相对位置的精度在几米的量级。未来,当更多的航天器进入火星轨道时,SBI技术可以用于改善轨道的确定而且减少航天器对于地基(地球)测控资源的要求。所有火星固定轨道内的航天器都可以用一个34mX频段的1mrad的波束观测到。SBI技术可以作为今后火星测控导航战略的一部分,或者为今后火星测控网络提供备份能力。2.4各探测器之间组网测控通信和航天器对航天器的跟踪技术由于未来的深空探测将采取星座和组网的工作方式,通信中继技术将必不可少。它将为星座或网络中的探测器与探测器之间、着陆器与轨道器之间、巡视车与基地站之间、机器人与其他装置之间提供通信保障。航天器对航天器的跟踪技术(Spacecraft2to2SpacecraftTracking)将为今后火星等其他星球的探测提供更多定位和导航支持。在历史上,航天器对航天器跟踪测量在行星探测任务中用得不多。但是最近随着一些新型任务概念的提出,包括航天器编队飞行和在火星或其他地方所需的就地跟踪(精度达到或接近地球轨道任务的跟踪精度)的需要,新型航天器之间微波跟踪和通信设备的设计得到大力发展。在2001年NASA的“重力探测和天气实验”(GRACE)计划中,设计改变原来的GPS接收设备,包括了卫星交联测距能力(cross2linkrangingcapability)和星跟踪处理技术。航天器对航天器跟踪技术概念的核心是设计一种相关设备———“自主编队飞行器”(AFF)。第一个AFF称为“星座通信和导航发射机”(CCNT),第5页共7页2003年会搭载在“空间技术25”(ST25)探测器上。ST25的任务是验证“纳星星座技术”。另一种AFF类型的发射接收设备是用来交联通信和精确测距,测距能力将在未来火星通信和跟踪网络下进行研究。这个预想中的“火星网络”(Marsnet)包括6颗低轨卫星(800km)和其他停泊轨道卫星。这个网络可以用于科学轨道器与邻近的航天器、火星表面着陆器和漫游器之间的通信。从未来的航天器对航天器测控导航应用远景来看,这种星座潜在优势惊人。在航天器接近火星时,我们将可以使用1个或多个轨道器对航天器捕获和降落阶段进行实时位置确定。总之,未来深空探测任务要求新型的组网测控通信系统和飞行导航系统。空间干涉仪的高精度编队控制和火星及其他目标的导航的迫切需求都将进一步促进功能更强大的飞行无线电收发设备的发展。因此,航天器组网测控通信技术和航天器对航天器跟踪和通信(C&T)技术可能将在21世纪的前10年受到空前的重视。2.5光通信技术由于光通信有大容量、非相干性、轻便小型等许多优点,它将会作为未来深空探测的重要信息传输手段而大力发展。预计光通信在2010年前后将获得广泛应用。目前正在进行高速宽带光通信终端的试验,光通信终端的研制成功将可以充分发挥深空探测器上的高分辨率、宽视场成像仪的作用而不受数据传输能力的限制。同时可以大幅降低天线口径(从微波频段数米到激光频段的数十厘米),这不但可以减轻航天器发射过程中大型天线展开的困难,减轻航天器的重量、体积,也减少了不必要的天线驱动功率。2.6天基测控通信网和激光通信技术的结合国内著名深空探测测控专家姜昌先生提出了一种基于天基深空通信测控网络的构想。该构想区别于目前主要航天国家所采用的陆基通信测控网络的构成,提出了另外一条技术道路。理论上,地心夹角大于34.634°的2颗GEO轨道测控卫星S1、S2,通过在国家陆地领土内建立一个有2副X频段天线的管理站控制管理,即可进行深空探测的全天候、全方位观测,避开复杂的国际合作。从陆地管理站到测控卫星选择S/X频段的上/下行链路。在巡航段及行星段,从S1、S2两颗测控卫星至深空探测器之间的测控通信,建议采用激光频段。两颗测控卫星的转发技术采用数据再生技第6页共7页术,处理收发信号,在调制到S/X频段发送回地球。该构想要求激光波束捕获技术,并且对于激光功率要求较高,同时航天器姿态抖动限制也比较严格。以我国现有综合国力暂时没有可能实现,但作为一种具有创见性的设想,可以为今后人类的深空测控系统的构建提供一种宝贵的参考。2.7超低噪声温度放大器深空探测任务中返回信号十分微弱,必须在信号解调和数据处理之前进行信号放大。信号的接收质量除信号功率外还取决于信噪比,在深空探测任务中,虽然采用面积很大的天线接收,但收集到的信号依然非常微弱,为了获得高的信噪比,努力降低地面接收系统的噪声水平,获得尽可能高的G/T值,也是一个重要方面。目前美国等在深空探测领域技术领先