嫦娥四号之后，未来中国深空探测“大行动”

摘要

深空测控网是支持深空探测任务实施的焦点系统, 在深空探测任务中具有不行替代的重要职位和作用. 在中国探月工程动员下, 分阶段建成了功效完备、性能先进、全球结构的中国深空测控网. 未来在后续月球与行星探测工程的动员下, 通过应用天线组阵、光通信、相位参考干预干与丈量等新技术,中国深空测控网将实现更强的深空测控通信能力, 并可同时用于深空科学探测运动.

关键词深空测控网, 功效与性能, 深空通信, 深空导航, 科学探测

中国深空测控网现状与展望

吴伟仁, 李海涛, 李赞, 王广利, 唐玉华

中国科学: 信息科学, 2020, 50(1): 87-108

01

引言

对未知世界的探索, 是人类生长的永恒动力; 对茫茫宇宙的认知, 是人类的不懈追求. 进入21世纪以来, 随着航天技术与空间科学的飞速生长, 人类认识宇宙的手段越来越富厚, 规模也越来越广, 开展地月日大系统研究[1], 举行太阳系边际探测[2], 已成为人类航天运动的重要偏向.

深空探测是指脱离地球引力场, 进入太阳系空间和宇宙空间的探测运动. 关于深空探测的界说, 一种是国际电信同盟(International Telecommunication Union, ITU)在《无线电规则》第1.77款中关于深空的划定; 另一种界说为对月球及以远的天体或空间开展的探测运动[3]. 1988年10月, 世界无线电治理大会 (World Administrative Radio Conference, WARC) ORB-88集会确定将深空的界限修订为距离地球大于或即是2.0×

×

106km的空间, 这一划定从1990年3月16日起生效[3], 国际空间数据系统咨询委员会(The Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)在其建议尺度书中也将距离地球2.0×

×

106km以远的航天运动界说为B类任务(即深空任务); 中国接纳了第2种界说, 将月球探测作为了深空探测的起点.

深空测控系统是用于深空探测任务航天器跟踪丈量、监视控制和信息交流的专用系统[4], 其在深空探测任务中具有不行替代的重要职位和作用[5,6]. 中国深空测控系统是陪同着探月工程“绕、落、回”三步走的战略程序逐步建设和生长起来的[7], 历经了探月工程一期使用服务于地球轨道卫星任务的航天测控网完成40万公里以远目的测控任务, 实现了远距离测控技术的突破; 探月工程二期建设了海内两个深空站, 开端具备了独立实施深空探测任务测控支持的能力; 在探月工程三期中, 建设了位于南美洲的第3个深空站, 从而形成了全球结构功效体系完备的深空测控网. 北京航天航行控制中心作为中国月球与深空探测任务的操作控制中心, 卖力完成深空探测全任务历程的操作控制和治理事情.

02

全球深空测控网概况

深空测控系统一般由深空航天器上的星载测控分系统、漫衍于地面的深空测控站、深空任务航行控制中心以及将地面各组成部门毗连在一起的通信网组成, 如图1[8]所示. 通常, 将地面的多个深空测控站组成的测控网称为深空网或深空测控网, 它特指专门用于深空航天器测控和数据传输的专用测控网. 其特点是配有大口径抛物面天线、大功率发射机、极高敏捷度吸收系统、信号处置惩罚系统以及高精度高稳定度时间频率系统, 能完成对距离地球200万公里以远深空航天器的测控任务[9].

图 1 深空测控系统组成示意[8]

为了克服地球自转影响, 实现对深空航天器的一连测控笼罩, 深空测控网的结构通常是在全球规模内经度上距离约120°

∘

布站, 这样可以确保对距离地球外貌在3万公里以上的航天器举行一连测控, 图2所示为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA) 深空网结构对差别轨道高度航天器的测控笼罩示意. 综合思量跟踪弧段和天线性能等因素, 深空站的站址纬度通常选择在南北纬30°~40°

∘

之间[10].

图 2NASA深空网结构对差别轨道高度航天器的笼罩示意[10]

现在, 美国、欧洲航天局(European Space Agency, ESA)、中国等已经建设了深空测控网[11]. 俄罗斯、日本、印度、意大利、德国等国家也研制建设了自己的深空测控设备, 但并未形成完整的深空测控网. 全球深空测控设施漫衍如图3所示.

图 3 全球主要深空测控设施结构

2.1 NASA深空测控网

美国NASA深空网由在全球按经度距离靠近120°

∘

漫衍的三处深空通信综合设施组成, 划分位于美国加州的戈尔德斯通(Goldstone)、西班牙的马德里(Madrid)和澳大利亚的堪培拉(Canberra). 深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳(Pasadena)的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL). NASA深空网是现在世界上能力最强、规模最大的深空测控通信系统. 系统始建于1958年, 1961年建成包罗戈尔德斯通、澳大利亚伍默拉(Woomera)和南非约翰内斯堡(Johannesburg) 3个深空站的系统, 1963年正式命名为深空网; 之后在1965年新建了西班牙马德里和澳大利亚堪培拉两个深空站. 直到1974年, 堪培拉和马德里站取代了伍默拉和约翰内斯堡(NASA关闭了了两处设施), 形成了现在的三站格式[12], 如图4所示.

图 4 美国NASA 深空网结构和组成

(1)戈尔德斯通深空通信综合设施(北纬35°

∘

25′

′

36′′

″

, 西经116°

∘

53′

′

24′′

″

), 位于美国加州的莫哈维沙漠. 现在在运行的有1个70 m天线、3个34 m波束波导(Beam Waveguide, BWG)天线, 正在新建1个34 m BWG天线.

(2)马德里深空通信综合设施(北纬40°

∘

25′

′

53′′

″

, 西经4°

∘

14′

′

53′′

″

), 位于西班牙首都马德里以西60 km. 现在在运行的有1个70 m天线, 1个34 m高效率天线, 2个34 m波束波导天线, 尚有2个34 m波束波导天线在建.

(3)堪培拉深空通信综合设施(南纬35°

∘

24′

′

05′′

″

, 东经148°

∘

58′

′

54′′

″

), 位于澳大利亚首都堪培拉西南40 km. 现在在运行的有1个70 m天线, 3个34 m波束波导天线, 有1个34 m波束波导天线在建.

2.2 ESA深空测控网

ESA深空网的建设始于1998年, 现在已经建成了3个全球漫衍的具有35 m口径天线的深空站, 划分是澳大利亚新诺舍(New Norcia)站、西班牙塞夫雷罗斯(Cebreros)站和阿根廷马拉圭(Malargüe)站, 3个深空站可以由位于德国达姆施塔特(Darmstadt)的欧洲空间操作中心(European Space Operations Centre, ESOC)举行远程操作控制, 其结构如图5所示. ESA是世界上第2个建玉成球布站深空测控网的航天机构.

图 5 ESA 深空测控网结构示意

(1)新诺舍深空站(南纬31°

∘

2′

′

53.61′′

″

, 东经116°

∘

11′

′

29.40′′

″

), 位于澳大利亚西部珀斯市以北150 km新诺舍镇以南8 km, 2003年建成.

(2)塞夫雷罗斯深空站(北纬40°

∘

27′

′

09.68′′

″

,西经04°

∘

22′

′

03.18′′

″

), 位于西班牙马德里以西的埃维拉省塞夫雷罗斯城以南12 km, 2005年建成.

(3)马拉圭深空站(南纬35°46′

′

33.63′′

″

, 西经69°

∘

23′

′

53.51′′

″

), 位于南美洲阿根廷西部门多萨省马拉圭市以南30 km, 距离布宜诺斯艾利斯市(Buenos Aires) 1200 km, 2012年底建成.

03

中国深空测控网现状

现在, 中国深空测控网由漫衍在中国东北部地域和西北部地域的2个深空站和位于南美洲阿根廷西部地域的1个深空站组成. 具备支持各种月球和深空探测任务的多频段遥测、遥控、数据吸收和跟踪丈量等功效, 是现在世界上功效完备全球结构的三大深空测控网之一.

3.1 总体概况

全球结构的中国深空测控网包罗中国西北部喀什地域35 m深空站、中国东北部佳木斯地域66 m深空站和位于南美洲阿根廷西部内乌肯省萨帕拉地域的35 m深空站. 从整体结构而言, 中国深空测控网并不是最优的地理结构, 海内两个深空站的经度差只有54∘

∘

, 喀什深空站和阿根廷深空站的经度差为146°

∘

, 测控笼罩搭接时间约2小时, 而阿根廷站和佳木斯站的经度差则到达了160°

∘

, 无法实现10°仰角的测控笼罩搭接. 因此, 中国深空测控网对深空航天器的测控笼罩率只能靠近90%, 如图6所示. 即即是在5°仰角状态, 当星下点位于南纬20°

∘

以南时佳木斯深空站和阿根廷深空站之间也还存在一段测控无法笼罩的空档弧段, 如图7所示.

图 6 中国深空测控网10°仰角测控笼罩示意

图 7 中国深空测控网5°仰角测控笼罩示意

中国深空测控网接纳了国际尺度的S, X和Ka三频段, 频率规模笼罩NASA和ESA深空站的频率规模, 切合国际电联和CCSDS的相关建议, 如表1所示. 现在S和X频段上下行链路均可用, Ka频段主要用于下行吸收.

中国深空测控网在规模上与ESA的深空测控网相当, 都是在全球规模内建设了3个深空站, 具备独立支持深空探测任务的能力.中国深空测控网的建设起步晚、起点高, 作为支撑国家重大航天工程任务的重要基础设施, 中国深空测控网从计划设计之初就驻足现实、着眼久远, 在总体设计上提出了: (1)兼顾中国月球探测和未来深空探测任务; (2)具备测控、数传和长基线干预干与丈量等多种功效于一体, 最大限度发挥深空测控网效能; (3)在技术体制上与国际主流的NASA, ESA深空任务测控体制相互兼容, 利于国际互助与任务交互支持等基本原则[13].

在深空站的站址选择上, 重点从电磁情况方面思量, 以确保深空站极高敏捷度吸收机尽可能不受外界电磁滋扰, 到达国际电联建议书(ITU-RSA.1157-1)给出的深空站滋扰掩护尺度[14]. 因此, 所选深空站的站址基本上都处于远离微波中继通信干线、移动通信基站、高压线、高品级公路和电气化铁路的山区, 从而制止外界电磁情况抬高吸收的系统噪底所导致的吸收敏捷度恶化; 同时还充实使用站址周围的地形遮蔽条件, 进一步降低外界电磁滋扰对深空站的影响, 同时也制止了深空站大功率发射信号对外界情况的电磁辐射影响.

(1) 佳木斯深空站. 佳木斯深空站(北纬46°29′

′

37′′

″

, 东经130°

∘

46′

′

12′′

″

), 位于中国黑龙江省佳木斯市东南约45 km桦南县境内. 站址所处的区域, 属于完达山支脉的低山丘陵地域, 阵势东北高、西南低, 周边低山的海拔都在300∼

∼

400 m左右, 与山谷的相对高程差在100 m左右, 66 m口径的天线布设其中, 可以形成较好的遮蔽条件, 如图8所示. 气候属温带大陆性季民风候, 春季干旱风大少雨, 夏季温热多雨, 秋季降温急剧多早霜, 冬季严寒漫长. 因此, 在该站建设了一套具备S/X双频段测控能力的66 m深空测控设备(综合思量气象等因素暂未思量Ka频段), 于2013年建成并投入使用.

图 8 佳木斯深空站66 m测控设备与站址周边地形

(2) 喀什深空站. 喀什深空站(北纬38°

∘

26′

′

34.7′′

″

, 东经76°43′

′

40.3′′

″

), 位于中国新疆维吾尔自治区喀什市以南约130 km莎车县境内. 站址所处的区域位于昆仑山北麓、帕米尔高原脚下, 塔克拉玛干沙漠西缘. 站址西南偏向是绵延高耸的昆仑山脉, 周边的山峦与站址的高差也都在100 m以上, 遮蔽条件良好, 如图9所示. 该区域属温带大陆性干燥型气候, 四季明白、气候干燥、 日照时间长、水份蒸发量大. 因此, 在该站建设了一套具备S/X/Ka三频段测控能力的35 m深空测控设备, 于2013年建成并投入使用.

图 9 喀什深空站35 m测控设备与站址地形

(3)阿根廷深空站. 阿根廷深空站(南纬38°

∘

11′

′

28.90′′

″

, 西经70°

∘

8′

′

58.20′′

″

), 位于南美洲阿根廷西部内乌肯省萨帕拉市以北约80 km, 站址所处的区域, 位于南美洲巴塔哥尼亚(Patagonia)高原的北缘, 阵势由西向东逐步降低. 站址西面是高耸的安第斯山脉, 周边的群山围绕, 与站址的高差也都在200 m以上, 遮蔽条件良好, 如图10所示. 该区域的气候介于温带大陆性气候和高原山地气候之间, 有温季和干季之分. 夏季热, 大部门晴天, 冬季严寒, 部门多云, 全年干燥和多风. 因此, 在该站建设了一套具备S/X/Ka三频段测控能力的35 m深空测控设备, 于2017年建成并投入运行.

图 10 阿根廷深空站35 m测控设备与站址地形

3.2 系统功效和性能

深空测控网使用深空测控设备上行或下行无线链路和深空航天器上的测控应答机, 可以实现3种基本功效. 第1个功效, 也是最为重要的, 就是获取无线电跟踪丈量数据的功效. 深空航天器在轨运行期间, 任务中心使用许多无线电丈量信息预计航天器的准确位置, 包罗多普勒(Doppler)信号数据、测距信息数据、两个测站组成的差分干预干与丈量数据等. 第2个功效是使用加入到上行链路(从深空测控站发出)和下行链路(从深空航天器发出)的调制信号, 通过上行链路发送遥控指令至深空航天器, 同时通过下行链路将航天器上的工程和科学数据发送回地球. 第3个功效是使用深空测控网作为科学丈量仪器用于无线电科学和雷达天文学研究.

中国深空测控网在系统功效上实现了测控、数传、干预干与丈量一体化. 首先, 在无线电跟踪丈量方面, 具备基本的测距、测速和干预干与丈量功效. 现在, 可以支持双向相干多普勒测速、单向测速和三向测速, 数据类型包罗多普勒频率和相位, S频段测速精度可以到达1 mm/s, X频段测速精度可以到达0.1 mm/s[15]; 测距支持侧音测距、ESA尺度音码混淆测距和CCSDS建议尺度的伪码测距, 双向测距精度可以到达1 m[15]; 干预干与丈量具备支持S, X和Ka三频段的窄带丈量能力, 可以实现差分单向测距(differential one-way ranging, DOR)和单向差分多普勒(differential one-way Doppler, DOD)观察, 并已经实现了与ESA深空站的团结丈量和数据交互. 其次, 在遥测遥控和数据吸收功效方面具备切合CCSDS建议尺度的调制方式、波形、数据码速率和 信道编码方式, 同时还引入了CCSDS空间链路扩展协议(space link extension, SLE)以实现差别航天机构之间的交互支持, 并已经实现了与欧洲空间操作中心(European space operation center, ESOC)的互联互通和月球探测任务的支持. 第三, 在科学应用方面, 深空测控站已经具备一定的宽带射电天文观察能力, 在可用吸收频段内能够举行射电天文观察, 同时还具备了双频段多普勒同时丈量能力, 可用于无线电科学研究.

中国35 m 三频段深空测控设备和66 m双频段深空测控设备均是由天伺馈分系统、发射分系统、高频吸收分系统、多功效数字基 带分系统、监控分系统、数据传输分系统、时频分系统、CCSDS空间链路扩展服务终端分 系统、标校分系统和自动测试分系统等组成的[15].

大口径波束波导天伺馈.中国深空测控网3套设备的天伺馈系统均接纳了35 m/66 m大口径赋形卡塞格伦天线和波束波导馈电方式, 如图11所示, 能够满足多频段事情、较高的系统G/T值和高指向精度等要求. 接纳波束波导技术, 还实现了将体积较大的馈源及其他电子设备移到地面, 便于安装和维修, 也利于吸收件接纳低温制冷技术, 从而降低系统噪声温度提高系统G/T值, 同时也减小了大功率发射馈线的损耗, 利于保证实现较高的EIRP值.

图 11 35 m深空测控天线波束波导结构示意(左)及双色镜(右)[15]

大功率发射机.深空测控设备所接纳的大功率发射机发射功率都在数十kW量级, 主要由大功率速调管、高功率电源、冷却设备、输出微波网络、控保与监控等部门组成. 中国深空测控设备接纳了自主研发的S/X频段10 kW速调管发射机 , 由国产单注速调管作为末级放大器, 输出功率大于10 kW, 带宽大于95 MHz (−

−

1 dB), 实现了整个事情频带免调谐和功放设备输出功率0.1 dB步进的准确控制, 如图12所示. 针对深空测控设备10 kW S/X频段速调管事情时发烧量大, 对其接纳了液冷和风冷相联合的冷却方式.

图 12 佳木斯66 m深空测控设备S频段(左) 10 kW发射机和X频段(右) 10 kW发射机[15]

低噪声高频吸收机.高频吸收分系统实现了对吸收到的S/X/Ka射频信号举行低噪声放大和变转换, 其设备设置能够满足双目的、双点频左右旋同时吸收的需求. 设置的S/X/Ka三频段低温吸收机, 深度冷却低噪声放大器, 有效降低低噪声放大器的噪声温度, S段低温吸收机噪温小于18 K, X频段低温吸收机噪温小于20 K[15], 如图13所示.

图 13 深空测控设备设置的X频段制冷吸收机和低温放大器

高精度时频系统.时频系统主要由氢钟、频率净化器、时码信号发生器/分配器、GPS/北斗定时吸收机、GPS共视吸收机、频率信号分配放大器、时频监控以及联试用铷原子频率尺度等部门组成. 时频分系统配备两台主动型氢钟和频率净化器(如图14所示)为其他分系统提供所需的高精度频率基准信号和时标脉冲(如表2所示); 还能吸收外部输入的时间码信号或通太过系统内部的GPS或北斗定时吸收机, 发生全系统所需的时间基准信号. 同时设置高精度GPS共视吸收机来实现高精度站间时间同步, 多站团结观察站间时间同步精度优于20 ns.

图 14 深空测控设备设置的主动型氢原子钟和频率净化器[15]

中国深空测控系统在功效和性能上与美国、ESA等所属的深空站处于同一水平. 表3和4划分给出了国际典型大口径深空测控设备的性能参数.

3.3 任务支持情况

(1)嫦娥二号任务S频段测控支持.2011年, 喀什35 m和佳木斯66 m深空测控设备基本建成, 开端具备全功效测控和数传能力. 此时, 嫦娥二号卫星已完成各项既定的工程和科学探测目的, 2011年8月25日嫦娥二号到达了日地拉格朗日(Lagrange) L2点(简称日地L2点)[16,17], 举行了为期10个月的科学探测; 喀什35 m和佳木斯66 m从2011年10月开始为嫦娥二号卫星提供测控支持, 期间先后磨练了两套深空测控设备对深空探测器的S频段遥控、遥测

、数传和干预干与丈量数据收罗等功效, 验证了其双向测距、测速数据和天线指向控制等精度, 对相关技术指标举行了系统测试. 并顺利支持了嫦娥二号在2012年12月13日国际上首次近距离飞越探测编号4179的“图塔蒂斯” (Toutatis) 小行星的再拓展任务. 之后喀什35 m和佳木斯66 m深空测控设备一直卖力嫦娥二号卫星的测控支持, 最远跟踪嫦娥二号卫星至约1亿公里, 最终因卫星下行信号消失, 与地面失去联系. 同时在嫦娥二号任务中, 开展了X频段测控技术试验, 对后续任务正式使用的X频段测控举行先期验证[18,19].

(2)

嫦娥三号任务X频段测控支持[20].嫦娥三号探测器于2013年12月2日发射, 14日宁静着陆在月球虹湾着陆区, 实现了中国首次在地外天体上举行原位和巡视探测. 从2013年12月开始, 喀什35 m和佳木斯66 m两套深空测控设备正式作为参试设备到场嫦娥三号任务. 其间, 两套深空测控设备首次使用X频段完成了探测器地月转移、环月、动力下降、月面事情段的各项测控任务, 期间获取的双向和三向测距测速、差分单向测距、同波束干预干与丈量等数据为高精度测定轨、动力下降轨迹监视和探测器月面绝对和相对位置确定等提供了高精度的丈量数据. 深空测控设备实现了X频段测控, 丈量数据精度相比S频段提高3∼5倍. 停止现在, 两套深空测控设备仍在连续为嫦娥三号着陆器提供各项测控支持.

(3) 嫦娥四号任务全网S/X双频段测控支持[21-23].2017年底, 阿根廷35 m深空测控设备建成并在2018年5月21日发射的嫦娥四号 “鹊桥”中继星任务正式投入使用, 和海内喀什35 m和佳木斯66 m深空测控设备配合为鹊桥提供了S频段测控支持, 这也是中国深空测控网首次全网执行测控任务. 2018年12月8日, 嫦娥四号探测器乐成发射, 深空测控网的全部3个深空站为探测器任务提供了全程X频段测控通信支持. 2019年1月3日, 嫦娥四号探测器乐成着陆于月球反面的预选着陆区——冯⋅

⋅

卡门撞击坑(Von Karman Crater), 成为世界第1个在月球反面实现软着陆和巡视探测的航天器, 并实现了世界上首次月球反面航天器与地球之间的中继通信, 如图15（http://www.cnsa.gov.cn/）.所示. 嫦娥四号任务首次全面磨练了深空测控网全网协同事情和稳定可靠运行、多频段与多目的团结测控等能力, 为深空测控网后续对更远深空探测器提供测控支持奠基了坚实的技术基础.

图 15 在月球反面嫦娥四号着陆器、玉兔二号月球车以及鹊桥中继星事情示意图

04

中国深空测控网未来展望

以嫦娥四号任务圆满乐成为标志, 中国探月工程四期和深空探测工程全面拉开序幕.在嫦娥五号任务之后将实施嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号3次月球探测任务. 嫦娥六号计划在月球南极举行采样返回; 嫦娥七号是在月球南极, 包罗对月球的地形地貌、物质身分、空间情况等举行一次综合探测; 嫦娥八号除了继续举行科学探测试验以外, 还要举行一些关键技术的月面试验.中国未来深空探测工程将实施4次重大任务: 2020年发射首个火星探测器, 一次实现火星围绕和着陆巡视探测; 2024年前后举行一次小行星探测; 2028年前后实施第2次火星探测任务, 举行火星外貌采样返回, 开展火星结构、物质身分、火星情况等科学分析与研究; 2036年前后开展木星系及行星际穿越探测.

未来中国深空测控网将面临更庞大的测控通信任务、更遥远的测控通信距离、更高的深空导航精度等诸多新的挑战[24], 陪同着后续月球和深空探测工程的实施, 中国深空测控网在规模和性能上都将会有大幅度的提升.

4.1 更强的深空测控通信能力

4.1.1 构建天线组阵系统

遥远距离的深空测控通信始终是深空探测运动面临的重大挑战. 随着科学探测能力的不停提高, 对数据传输速率需求也越来越高; 而随着探测距离的连续增大, 地面所吸收到的信号强度却越来越微弱, 单纯依靠地面大口径天线解决这一问题变得越来越难题[25]. 天线组阵吸收技术是使用地面多个天线组整天线阵列, 将各个天线所吸收到的信号举行合成, 从而到达增大天线口径的效果, 实现遥远距离信号的有效吸收.

即将在2020年实施的首次火星探测任务中, 中国深空测控网的测控通信支持距离将进一步延伸到4亿公里远. 为了提高深空测控网的数据吸收能力, 中国正在喀什深空站建设3个35 m口径新天线, 与原有的1个35 m天线组整天线阵系统, 通过天线组阵吸收技术, 使得喀什深空站在X频段深空任务测控通信数据吸收能力到达与佳木斯深空站66 m深空测控设备相当的水平(见图16). 未来还计划在阿根廷深空站构建类似的天线阵系统, 从而实现更强更远的测控通信能力.

图 16 中国喀什深空站4×35 m天线组阵示意图

此外, 组整天线阵系统的各个35 m天线均可以升级成为独立的35 m深空测控设备, 从而实现每个深空站点更多任务目的的测控通信支持能力.

未来通过广域天线组阵还可以将中国海内可用的大口径天线都使用起来, 能够形成等效天线口径凌驾150 m的吸收能力, 如图17所示, 大大提升深空探测任务的数据吸收能力. 表5给出了天线组阵后的系统吸收能力与单个大口径天线的对比.

图 17 中国海内广域天线组阵示意图

4.1.2 应用Ka频段测控通信

为提高深空测控通信传输效率, 还可以提高测控通信频率. 现在, 国际上深空测控通信主用的是X频段, 更高的Ka频段还处在试验或应用初期阶段. 接纳频率比X频段更高的Ka频段还可以大幅度降低地球电离层、行星际空间等离子区以及太阳风的影响, 提高深空任务测距测速精度, 实现更高的深空导航精度.

中国深空测控网已经建成的喀什和阿根廷的2套35 m深空测控设备已经具备了Ka频段下行吸收能力. 正在建设中的喀什深空站天线阵系统的3个35 m口径天线的外貌精度也是根据支持Ka频段思量的(优于0.3 mm), 后续可升级成具备Ka频段全功效测控通信能力的系统.

此外, 在探月工程四期还计划了在佳木斯深空站新建1个35 m口径Ka频段全功效测控设备, 以支持Ka频段测控通信技术验证试验. 也就是说, 未来中国深空测控网将具备全面支持Ka频段测控通信的能力, 数据吸收能力和导航丈量精度都将会获得大幅度的提升.

4.1.3 研制100 kW级大功率发射机

为了实现后续深空探测任务高速数据的可靠注入, 进一步提升深空测控网的上行发射能力, 在2012年自行研制S频段和X频段10 kW速调管发射机的基础上, 2017年又实验乐成了X频段50 kW一连波速调管高功放, 各项技术指标又到达一个新的高度, 靠近世界先进国家水平, 如表6所示. 后续还计划开发发射功率在100 kW量级的X频段一连波速调管高功放, 以支持未来实施的火星采样返回任务和木星探测任务. 同时, 还将继续开展上行组阵技术攻关, 充实使用发射信号空间和成的

N2

N2

应, 以实现更大的上行发射能力, 支持未来更深远的行星际探测任务.

4.1.4 生长深空光通信技术

深空光通信技术是指以激光或空间自由光为载体, 通过望远镜举行深空通信的技术. 激光的频率比射频信号高4∼

∼

5个数量级, 极高的频率使得激光具有更好的偏向性和更为富厚的宽带资源[13], 而且在相同数据传输速率条件下, 体积更小、质量更轻、投资用度更少. 现在, 国际上对于光通信技术的研究还处于研究和在轨验证阶段. 美国在2013年9月发射的“月球大气与粉尘情况探测器” (LADEE), 对月地激光通信技术举行了演示验证, 实现了月地间下行622 Mb/s和上行20 Mb/s的通信速率. 中国计划在探月工程四期开展地月激光通信技术验证试验[26,27].

未来生长中国深空测控网光通信系统可能的技术途径包罗: (1)建设全球结构的地基10 m左右口径光学系统, 思量气象备份全球需要布设6套(距离120∘

∘

漫衍3处站址, 并各有1个气象备份站址)地面光学系统, 潜在可选站址漫衍如图18所示, 其优点是地面易于实现最大吸收能力, 缺点是受气象条件影响难以实现系统的高可用度, 价格也较大; (2)依托现有的35 m深空测控天线构建等效光学口径6∼

∼

8 m的射频/光学混淆系统, 其优点是可以综合使用已有35 m深空测控设备、价格小, 缺点是受限于已有站址情况其使用效率会比力低, 如图19所示; (3)构建基于星间链路的射频/光学混淆认知通信网络, 可以通过地球轨道中继的星间激光链路动态调整, 避开因气象条件而不行用的地面站或者调整到射频举行数据传输, 其优点是系统可用度高、运用灵活, 缺点是系统庞大、建设价格庞大.

图 18 潜在深空光通信可选地面站址的漫衍示意

图 19 35 m深空射频/光学混淆系统示意图

4.2 更高的深空导航精度

4.2.1 构建相位参考干预干与丈量系统

相位参考干预干与丈量技术源自射电天文中的干预干与成图方法, 它依靠多天线间的基线是非指向组合, 并使用了地球自转效应, 通过时域和空域相联合的方法解出相位模糊度[15,28]. 与传统无线电干预干与丈量方法相比, 相位参考干预干与丈量充实挖掘了差别测站间基线随地球自转发生的指向和是非变化效应, 以及差别测站间相对位置关系对相位模糊度的约束能力, 相当于从时域和空域上扩展提高无线电干预干与丈量的方法[29].

相位参考干预干与丈量技术具有几个优点: (1)丈量精度高, 航天器与射电源角距丈量精度优于0.5 nrad, 比现有的Δ

Δ

DOR丈量精度更高; (2)不需要航天器具备特殊的信标, 使用航天器下行载波信号就可以实现准确丈量; (3)敏捷度高, 可以观察很弱的航天器信号, 或者使用更弱的更靠近航天器的参考射电源, 进一步减小系统误差; (4)需要多个天线观察, 但允许单个(或少数几个)天线在故障或气象条件差的情况下差池整体丈量性能造成太大影响, 系统冗余性和鲁棒性强; (5)天线漫衍规模广, 可以有效增加观察时间, 利便制定观察计划[30].

中国VLBI (甚长基线干预干与丈量技术)天文观察网, 包罗上海天文台天马站65 m、佘山站25 m、国家天文台密云站50 m、云南天文台昆明站40 m和乌鲁木齐天文台南山站25 m 5个天线[29]. 2013年中国喀什35 m和佳木斯66 m两个深空站也已建成投入运行, 一共有6个大口径天线. 其中最长基线为喀什深空站至佳木斯深空站, 约4300 km. 2013年使用“嫦娥三号”开展了中国首次相位参考干预干与丈量试验, 以嫦娥三号巡视器作为目的源, 着陆器为参考源, 使用VLBI天文观察网4个测站的数据, 获得了可靠的巡视器相位参考图. 通过与实际任务视觉定位效果对比, 巡视器相对定位精度优于1 m, 等效于巡视器和着陆器相对角位置丈量精度优于0.5 mas, 差分相时延丈量精度到达10 ps量级[31].

观察网规模越大, 相位参考干预干与丈量的效果就越好. 随着具备干预干与丈量能力的阿根廷35 m深空站和纳米比亚18 m S/X双频段测控设备投入使用, 加上与ESA的2个深空站开展联网观察, 就可以形成更优的基线组合和UV笼罩[32], 如图20和21所示. 未来还可以综合使用海内已有的大地丈量和其他天文观察设备, 进一步增加测站数量, 富厚基线组合, 从而更有效地提高相位参考干预干与丈量的精度和实时性, 为后续深空探测任务提供更高精度导航支持.

图 20 中国深空测控网国际联网条件下的干预干与丈量基线组合[31]

图 21 赤纬30°时中国与ESA联网的干预干与丈量网UV平面笼罩图‍‍‍‍‍‍[31]‍‍‍‍‍‍

4.2.2 生长地月空间长基线干预干与丈量技术

提高深空导航干预干与丈量精度的另外一个途径就是通过延长基线获得更高的时延丈量精度, 将受限于地球直径的地基基线延伸到空间, 以致38万公里远的地月空间, 形成从地球到月球的超长基线. 中国的空间VLBI计划提出在后续月球深空探测任务中在环月轨道上部署月球VLBI天线, 通过与地基射电望远镜组网开展地月VLBI观察实验, 如图22所示. 我国空间VLBI将充实使用最近几年射电天文技术生长, 通过设置高稳氢原子钟时频系统, 宽频信号吸收收罗记载系统, 与地面大口径高性能射电源望远镜组网观察, 借助星地高速数据传输技术开展地月VLBI观察, 预期在深空探测导航技术应用、天体丈量学与天体物理学领域前沿课题观察研究3个方面展示技术能力, 产出有国际影响力的结果.

图 22 中国地月空间VLBI观点图

深空测轨技术方面, 月球VLBI把我国VLBI网的基线长度提高约100倍. 使用探测器信号在地月基线上开展VLBI细密测定轨实验, 验证深空VLBI观察网测轨技术能力. 基于6 m口径月球VLBI天线指标, 对50 mJy射电源在512 MHz带宽观察, 300 s积分的VLBI能力分析见表7.

4.3 更多的科学探测应用

4.3.1 高精度时空基准丈量

深空测控网的大口径天线系统作为吸收设备使用时, 其高吸收敏捷度与射电天文观察设备性能相近, 适当调整吸收频率规模就可以实现对射电源的观察.

深空测控高精度时空基准是更远距离的深空探测任务(如火星、小行星、行星际探测等)实现高精度导航、工程目的、科学研究等的基本前提. 定期、连续地到场国际联测, 是建设国际天球、地球参考框架下深空测控高精度时空基准最为直接、有效的措施. 自2014年起, 中国佳木斯深空站、喀什深空站团结VLBI观察网定期开展了天文观察(简称天测)/大地丈量(简称测地), 获得了高精度的空间基准, 验证了团结观察网的EOP观察能力. 未来中国深空测控网将在现有基础上, 进一步扩展设备的吸收频率规模, 将其作为高精度时空基准的丈量设施, 可以到场国际联测(全球网观察、区域网观察、UT1增强观察等).

4.3.2 天体引力场丈量

现在, 中国深空测控网具备S, X和Ka频段的单程、双程以及三程多普勒跟踪丈量能力, 并可以实现双频段同时能力. 三程模式是地面跟踪站向探测器发射上行信号, 由星上转发器吸收, 发生一个相干的下行信号, 然后由另一地面站吸收; 双程模式与三程多普勒模式类似, 差别之处在于双程模式发射站与吸收站相同. 双程模式是一种闭环跟踪模式, 而三程模式是开环跟踪模式, 其通信链路两头开放. 多普勒数据是现在行星/月球重力场反演的重要观察量之一, 现在深空测控系统多普勒丈量精度可以优于0.1 mm/s, 相应的重力场模型精度也有很大的提高.

天体引力场探测可以展现天体内部结构和物质组成的重要信息, 是深空探测任务中的重要科学目的之一. 天体引力场是行星科学的一个重要部门, 是研究天体物理性质及内部结构、天体起源和演化等科学问题的主要手段. 现在月球、火星等天体的引力场丈量与反演主要是使用地基/天基无线电跟踪丈量手段实现的, 使用天地大回路或星间的无线电链路的多普勒丈量数据. 与此同时, 多普勒丈量数据还可用于基本物理学研究, 例如通过丈量NASA卡西尼号土星探测器与地球通信历程中的无线电频率的变化, Bertotti 等[33]获得了太阳系中对于广义相对论验证的一个强有力限制. 此外, 多普勒跟踪丈量很可能是丈量低频引力波(10-5~1HZ)的唯一方式[34].

4.3.3 射电天文观察

大口径、高吸收敏捷度的特点使得深空测控网在弱射电源观察方面具有极大优势. 阿根廷深空站改善了南半球VLBI测站偏少、全球漫衍不匀称的局势, 有利于南半球射电源的加密观察; 深空测控网的Ka频段吸收设备可用于Ka频段天球参考架观察, 其多频段观察能力可有效支持差别频段天球参考架的毗连. 深空测控网与国际VLBI联网, 凭据特定的观察纲要开展联测, 可有效实现天球参考架的加密和精化, 实现差别频段参考架之间的毗连.

深空测控网在脉冲星观察方面同样可发挥重要作用. 作为亚洲国家最大的全可动天线, 佳木斯深空站66 m天线在脉冲星观察方面取得了丰硕结果; 即将建成的喀什深空站4×

×

35 m天线阵亦可用于脉冲星观察, 观察效果甚至会优于佳木斯深空站. 深空测控网通过恒久开展脉冲星观察, 构建脉冲星高精度星历表, 搜索和发现新脉冲星, 可为脉冲星导航提供不行替代的技术支撑, 为人类认识宇宙作出孝敬.

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竣事语

未来中国深空测控网将陪同着后续月球探测工程和行星探测工程实施的程序, 不停生长和壮大, 系统规模和深空测控通信能力将会获得大幅度提升, 能够实现笼罩太阳系内所有探测任务的能力, 到达国际一流水平. 同时, 深空测控网还将到场到科学探测应用领域事情, 为科学探测和时空基准丈量提供有力支撑, 充实发挥其作为国家航天重要基础设施的努力作用和效益.

致谢

中国科学院上海天文台黄勇研究员、北京跟踪与通信技术研究所徐得珍助理研究员, 对本文撰写提供了有益的资助.