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火星及其周圍空間是人類在行星空間探測(cè)活動(dòng)最活躍、最頻繁的區(qū)域之一。眾多火星任務(wù)的飛行導(dǎo)航與通信手段，主要還是通過無(wú)線電微波鏈路在國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）劃定頻段內(nèi)開展和實(shí)現(xiàn)。微波手段幾十年來已經(jīng)從單一的星地鏈路方式發(fā)展出了星地開環(huán)、地-星-火中繼，以及僅僅依賴星間鏈路的ELECTRA（軟件定義無(wú)線電自主可重構(gòu)深空通信導(dǎo)航定位授時(shí)一體化模組包）導(dǎo)航通信技術(shù)。1990年代以來的火星探測(cè)任務(wù)中ELECTRA扮演了導(dǎo)航通信的關(guān)鍵角色。 01星地微波鏈路導(dǎo)航與通信地火空間通信導(dǎo)航的經(jīng)典電磁波段是微波頻段，主要在ITU規(guī)定的UHF、S、X、Ka波段通過閉環(huán)或開環(huán)鏈路方式實(shí)現(xiàn)。其中使用比較多的是統(tǒng)一S波段通信測(cè)控體制（Unified S-Band，USB）和統(tǒng)一X波段通信測(cè)控體制（Unified X-Band，UXB），借助地球全球覆蓋的地面深空站，單獨(dú)或聯(lián)合在S、X頻段開展對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)量、通信和飛行控制。其特點(diǎn)是技術(shù)成熟度高、可靠性高、成本可控、容易實(shí)現(xiàn)。在地面站使用原子鐘支持下，可以借助地-星-地之間閉環(huán)雙程或者開環(huán)三程鏈路，高精度地測(cè)量探測(cè)器與地面站之間的視線方向上的運(yùn)動(dòng)速度和距離。 在考慮應(yīng)急測(cè)控通信導(dǎo)航時(shí)，探測(cè)器使用UHF或者S波段全向通信模式，信號(hào)空間傳輸衰減慢，在較低精度下借助窄通信信道，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急業(yè)務(wù)。而Ka波段的使用，可以把對(duì)地的下行通信帶寬從兆比特每秒提升到數(shù)百兆比特每秒。 針對(duì)包括火星探測(cè)在內(nèi)的深空探測(cè)需求，目前國(guó)際上穩(wěn)定運(yùn)行著美國(guó)、歐洲和中國(guó)的完備的深空測(cè)控地面站系統(tǒng)。另外，俄羅斯、日本、印度等國(guó)還建有各自的深空測(cè)控地面站系統(tǒng)，可以在前三者的合作支持下實(shí)現(xiàn)全天覆蓋的對(duì)深空探測(cè)器的飛行控制和導(dǎo)航通信業(yè)務(wù)。美國(guó)的空間探測(cè)活動(dòng)由美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的空間通信與導(dǎo)航（SCaN）網(wǎng)絡(luò)提供通信導(dǎo)航支持，SCaN 網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成：深空網(wǎng)（DSN）、空間網(wǎng)（SN）和近地網(wǎng)（NEN），用戶一般根據(jù)任務(wù)需求選擇一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供所需服務(wù)。深空網(wǎng)由全球分布的大口徑天線地面站組成，為地球同步軌道到太陽(yáng)系邊緣用戶任務(wù)平臺(tái)提供連續(xù)通信覆蓋。深空網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注從自然天體噪聲中檢測(cè)和分辨微弱信號(hào)，針對(duì)近地域之外的深空量級(jí)距離捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。我國(guó)深空測(cè)控地面站的地面數(shù)據(jù)接收站主要采用USB和UXB模式，個(gè)別站配置了Ka波段的測(cè)量與通信接收裝備。 美、俄以及日本等在早期的火星探測(cè)中發(fā)現(xiàn)，僅僅依賴星-地鏈路徑向測(cè)量對(duì)于火星距離上的飛控導(dǎo)航而言，對(duì)軌道的測(cè)量控制精度非常差，極大可能導(dǎo)致探測(cè)器飛抵火星時(shí)會(huì)撞擊到火星上或者飛掠離去不知所蹤。導(dǎo)致這種情況的主要原因是：約束三維飛行彈道的測(cè)量數(shù)據(jù)僅僅來自視線方向一維，對(duì)垂直與徑向兩個(gè)正交的橫向方向約束極弱，導(dǎo)致彈道積分預(yù)報(bào)大幅度偏離預(yù)期。 為了抑制火星探測(cè)導(dǎo)航中的彈道橫向測(cè)量偏差、進(jìn)而改進(jìn)軌道預(yù)報(bào)精度，在僅僅使用地面手段的時(shí)代，使用測(cè)量差分技術(shù)獲取探測(cè)器高精度橫向位置的手段應(yīng)運(yùn)而生。美國(guó)深空測(cè)控站網(wǎng)的專家們針對(duì)這一發(fā)展需求，研制研發(fā)了差分單向測(cè)速、差分單向測(cè)距、差分雙-三向測(cè)速、差分雙-三向測(cè)距技術(shù)，并且在早期借助使用通信載波、副載波、測(cè)距調(diào)制音信號(hào)的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來專用的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）用下行人工信號(hào)調(diào)制體制。在星上使用鎖相轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)生一體機(jī)技術(shù)，靈活地實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一S或X波段測(cè)控通信體制下的火星探測(cè)器導(dǎo)航技術(shù)。 然而在導(dǎo)航測(cè)量性能反面，側(cè)音頻帶窄測(cè)距精度低、寬帶偽碼透明轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)弱不易鎖住難以實(shí)現(xiàn)測(cè)距。近年來，伴隨著軟件無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展，制約深空探測(cè)閉環(huán)測(cè)距精度提升的一個(gè)問題也得到了解決。工程師融合了閉環(huán)鏈路不失鎖、偽碼測(cè)距精度高的優(yōu)勢(shì)，提出并實(shí)現(xiàn)了再生偽碼寬帶測(cè)距技術(shù)，用于深空探測(cè)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了分米精度的地火導(dǎo)航測(cè)距。上述融合了USB、UXB、VLBI和再生偽碼測(cè)距的體制，已經(jīng)以國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）綠皮書形式發(fā)布，形成了國(guó)際上建議使用的行業(yè)規(guī)范。這種融合的手段，強(qiáng)化了火星探測(cè)微波導(dǎo)航與通信的以地基技術(shù)為主的基本策略。 由于地面測(cè)控臺(tái)站數(shù)量整體有限、大型設(shè)備更在少數(shù)，為此美國(guó)工程師們甚至實(shí)現(xiàn)了幾種更經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)航通信策略，值得借鑒的兩種包括：(1)巡航飛行階段經(jīng)濟(jì)導(dǎo)航通信模式，即在衛(wèi)星向地面發(fā)射基于高穩(wěn)定時(shí)鐘的微弱載波組合、地面使用小天線裝備接收這些載波并積分提高信噪比，獲取衛(wèi)星狀態(tài)信息、速度信息、橫向速度和距離差分信息，僅當(dāng)信號(hào)組合顯示高級(jí)別的緊急狀態(tài)時(shí)，呼叫地面大型天線和業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)跟蹤應(yīng)對(duì)；(2)針對(duì)火星周圍和表面多目標(biāo)同時(shí)或同期導(dǎo)航、通信測(cè)控需求，地面臺(tái)站采用同波束通頻帶對(duì)多目標(biāo)同步同時(shí)接收測(cè)量、通信，分時(shí)上行測(cè)控、通信。在采用相同體制前提下，這兩種策略可以數(shù)倍地提高的地面平臺(tái)對(duì)火星探測(cè)器的管控、導(dǎo)航與通信效率。 承擔(dān)我國(guó)月球與深空探測(cè)飛控任務(wù)的專家們充分認(rèn)識(shí)到了上述技術(shù)需求，從一開始就把USB、UXB和VLBI融合納入我國(guó)的深空測(cè)控體制，在"嫦娥"月球探測(cè)工程和火星、小行星探測(cè)任務(wù)中使用了這種綜合的深空導(dǎo)航策略，避免了技術(shù)上的彎路、降低了測(cè)控風(fēng)險(xiǎn)，并且在“天問一號(hào)”探測(cè)器飛控任務(wù)中增加使用了天線組陣地面接收技術(shù)，走出了一條充滿智慧的發(fā)展道路。  02火星探測(cè)中繼導(dǎo)航與通信在著陸器或巡視器降落火星表面最后階段，可以采用光學(xué)手段進(jìn)行影像匹配導(dǎo)航，規(guī)避預(yù)設(shè)路徑區(qū)域的凹凸地形、巖塊、坑洞，選擇平坦區(qū)域著陸。在巡視器正常工作時(shí)，選擇使用照相方式規(guī)劃行進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)任務(wù)導(dǎo)航。 多數(shù)情況下，由于火星周邊探測(cè)器飛行幾何構(gòu)型、星地鏈路可視條件的遮擋干擾或破壞，會(huì)限制導(dǎo)航和通信的實(shí)施。在火星及其周邊區(qū)域，對(duì)成規(guī)模通信和導(dǎo)航定位跟蹤精度與可靠性要求越來越高，依賴傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行的通信、導(dǎo)航與跟蹤定位已不能滿足需要，于是對(duì)多源導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展提出了需求。 其中最為簡(jiǎn)單的方式是借助火星長(zhǎng)壽命軌道器[如火星全球探測(cè)器（The Mars Global Surveyor，MGS）、“奧德賽號(hào)”（Odyssey）火星軌道器和“火星快車號(hào)”（Mars Express）軌道器搭載了第一代UHF 波段中繼ELECTRA]的火星探測(cè)器對(duì)低軌道和著陸器、巡視器，開展的中繼導(dǎo)航通信。深空測(cè)控、導(dǎo)航與通信的中繼技術(shù)概念和方案，來源于美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay SatelliteSystem，TDRSS）。TDRSS是一種位于同步軌道的中繼星座及相關(guān)地面系統(tǒng)，利用空間段和地面段為低軌用戶任務(wù)提供跟蹤和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，支持低延遲需求任務(wù)，適合持續(xù)、高數(shù)據(jù)率通信。用于火星任務(wù)時(shí)，以我國(guó)繞、落、巡一體化的“天問”火星探測(cè)為例，當(dāng)火星探測(cè)器進(jìn)入“落火”階段后，環(huán)繞器會(huì)和著陸巡視器分離，由著陸巡視器單獨(dú)下落。此時(shí)地面要想了解著陸巡視器在下落過程中的遙測(cè)數(shù)據(jù)，就需要依靠進(jìn)入艙與環(huán)繞器間的UHF頻段雙向通信鏈路。我國(guó)的“天問”火星探測(cè)任務(wù)，選用了UHF頻段收發(fā)信機(jī)和X頻段深空應(yīng)答機(jī)實(shí)現(xiàn)這類中繼的通信測(cè)控任務(wù)。在我國(guó)的“嫦娥四號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)中，還追加繼承使用了著陸器平臺(tái)的X波段深空應(yīng)答機(jī)與飛行在拉格朗日L2點(diǎn)的“鵲橋號(hào)”，實(shí)現(xiàn)中繼的通信與測(cè)量。 實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)降落火星的美國(guó)探測(cè)器也選用了微波VHF/UHF頻段，用于火星軌道器、著陸器、巡視器之間鏈路的通信與導(dǎo)航、授時(shí)。軌道器S或X頻段應(yīng)答轉(zhuǎn)發(fā)器機(jī)與地面站建立通信導(dǎo)航鏈路，巡視器或火星車上的VHF/UHF頻段收發(fā)信機(jī)建立與軌道器之間鏈路，通過軌道器建立與地面的中繼通信、實(shí)現(xiàn)測(cè)控導(dǎo)航。 未來，預(yù)期在火星表面或附近運(yùn)行的航天器將通過SCaN 體制下開發(fā)和運(yùn)行的火星中繼資源接收通信、導(dǎo)航以及定位服務(wù)?；鹦侵欣^資源架構(gòu)將合并入SCaN 網(wǎng)絡(luò)，并繼續(xù)使用軌道器上的中繼通信有效載荷或?qū)Ｓ弥欣^衛(wèi)星?；鹦窃谲壷欣^將支持DTN 存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、無(wú)人員調(diào)度或干預(yù)下的按需訪問能力。 火星中繼架構(gòu)將具有可伸縮性，易于演進(jìn)到支持載人探索以及使用高數(shù)據(jù)率設(shè)備?；谠缙趯?shí)現(xiàn)的航天器設(shè)計(jì)，近期射頻返向數(shù)據(jù)率可達(dá)到6 Mbit/s，通過使用功能更強(qiáng)的發(fā)射機(jī)和組陣天線，遠(yuǎn)期可達(dá)到150 Mbit/s，地火距離最近時(shí)的火星與地球之間的光主干線路數(shù)據(jù)率至少可達(dá)到600 Mbit/s。 SCaN 集成網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)將形成一個(gè)能向未來空間任務(wù)提供所需通信服務(wù)的NASA 基礎(chǔ)設(shè)施。該集成網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)化、通用性和技術(shù)引入，提升SCaN 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和互操作性。通過對(duì)該體系及相關(guān)技術(shù)的研究，可為未來空間通信系統(tǒng)的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的探索提供支持。 03星間微波鏈路導(dǎo)航天文導(dǎo)航是行星探測(cè)可以使用的一種絕佳的備用導(dǎo)航手段，它使用探測(cè)器攜帶的光學(xué)敏感器件、參考探測(cè)器平臺(tái)與地面同步了的時(shí)鐘、借助行星歷表和空間星表，及時(shí)地確定探測(cè)器的空間姿態(tài)和探測(cè)目標(biāo)如火星與自身平臺(tái)的相對(duì)空間位置，進(jìn)而規(guī)劃調(diào)制飛行策略。這種技術(shù)手段在“嫦娥二號(hào)”探測(cè)器飛抵圖塔提斯（Toutatis）小行星附近時(shí)開展過初步探索，這次在“天問”火星探測(cè)任務(wù)中得到了實(shí)證檢驗(yàn)。 火星探測(cè)器的飛行控制、通信導(dǎo)航是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從“天問”探測(cè)任務(wù)成功實(shí)施后的宣傳就可見一斑。在“天問一號(hào)”探測(cè)器之前，歐洲、印度都有獨(dú)自發(fā)射火星探測(cè)器的經(jīng)歷，其中的成功者對(duì)飛行測(cè)控的宣傳非常低調(diào)。這并非是他們的業(yè)務(wù)駕輕就熟，而是實(shí)際上除了天文導(dǎo)航這種經(jīng)典的手段方法，美國(guó)長(zhǎng)期的火星探測(cè)歷史上，已經(jīng)發(fā)展出一種更可靠、精確、穩(wěn)定的火星周邊導(dǎo)航與通信技術(shù)——火星周邊可重構(gòu)通信導(dǎo)航定位授時(shí)一體化通用的ELECTRA導(dǎo)航與通信技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是SCaN 網(wǎng)絡(luò)中深空網(wǎng)DSN和空間網(wǎng)SN的有機(jī)交叉融合。印度、歐洲在自己的火星探測(cè)任務(wù)中，購(gòu)買使用了美國(guó)的ELECTRA技術(shù)設(shè)備和技術(shù)服務(wù)。在布局地球GPS導(dǎo)航衛(wèi)星體系同時(shí)，美國(guó)NASA經(jīng)歷了20多年，已經(jīng)在火星周邊維持了一個(gè)半自主運(yùn)行的基于星間鏈路定位、導(dǎo)航、授時(shí)和通信衛(wèi)星星座體制架構(gòu)，用來提供支持各種火星探索計(jì)劃的深空遙遠(yuǎn)通訊中繼和導(dǎo)航任務(wù)能力。 這個(gè)領(lǐng)域中，可以毫不夸張地說可重構(gòu)自適應(yīng)深空測(cè)控體制的星載ELECTRA技術(shù)是美國(guó)深空網(wǎng)PNT的“靈魂”。依托快速發(fā)展的軟件無(wú)線電技術(shù)和芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同類技術(shù)，結(jié)合中繼導(dǎo)航通信，可以對(duì)月球和火星探測(cè)的快速發(fā)展形成強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。星載ELECTRA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了支持火星探測(cè)不斷增長(zhǎng)的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求，支持各種別有創(chuàng)意的火星空間小型探索項(xiàng)目的高效能通訊導(dǎo)航、將其信號(hào)通過中繼信道和全向天線把信息送到附近一個(gè)中繼通訊軌道器去，支持發(fā)生在苛刻任務(wù)事件的遙測(cè)數(shù)據(jù)的可靠捕獲和導(dǎo)航授時(shí)，還大幅度提升了火星探測(cè)任務(wù)入軌飛控的成功率。 目前ELECTRA技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第三代，實(shí)現(xiàn)了高性能、微小型化、模塊化配置。印度和歐洲的火星探測(cè)任務(wù)，選購(gòu)了不同時(shí)代的ELECTRA功能模塊，借助美國(guó)的火星PNTC網(wǎng)絡(luò)便捷地實(shí)現(xiàn)了火星抵近和安全入軌。   針對(duì)地月空間導(dǎo)航需求，并伴隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，需要發(fā)展一種新的自主和半自主的星間鏈路測(cè)控通信架構(gòu)，用來提供支持各種近地空間活動(dòng)或探索計(jì)劃的通訊中繼和導(dǎo)航，這類星間可重構(gòu)通信導(dǎo)航定位授時(shí)一體化通用模塊技術(shù)具備以下功能：(1)自適應(yīng)地識(shí)別接收進(jìn)來的信號(hào)之特性；(2)重構(gòu)“自己”去接收已被識(shí)別的信號(hào)；(3)避免要求從地球傳來明確的指示(有關(guān)信號(hào)的特性等)；(4)重復(fù)地結(jié)合多個(gè)接收機(jī)的參數(shù)估值，以提高其接收性能；(5) 探測(cè)器之間的時(shí)間服務(wù)功能；(6)探測(cè)器之間或中繼導(dǎo)航定位功能。在較小規(guī)模的月球和火星探測(cè)任務(wù)中，低成本高效能的星間微波自主導(dǎo)航授時(shí)和測(cè)控通信一體化技術(shù)，是僅次于地面和中繼技術(shù)的不二選擇。 該類技術(shù)設(shè)備工作在UHF、L、S、X、Ku、Ka等頻段，使用全向或中等增益天線，以及共用高增益天線，功能完全可重構(gòu)。設(shè)備載荷滿足多數(shù)碼率、開環(huán)采樣率工作設(shè)置，可以使用多種通用的調(diào)制模式以及通用的編碼模式，由濾波/開關(guān)單元、收發(fā)機(jī)/調(diào)制器、基帶處理單元和電力放大器/電力供應(yīng)單元四塊疊起的基本模塊組成。設(shè)備具備頻率捕獲、波跟蹤、載波導(dǎo)航、碼元計(jì)時(shí)恢復(fù)、維比特結(jié)點(diǎn)同步、碼元信噪比提取功能及其它有關(guān)子功能，皆基于可重構(gòu)編程的FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)，工作內(nèi)容可根據(jù)需要而改變，使其成為一臺(tái)真正的可重構(gòu)軟件接收機(jī)。其重構(gòu)功能表現(xiàn)在可以自適應(yīng)地識(shí)別接收進(jìn)來的信號(hào)的特性，進(jìn)而重構(gòu)“自己”去接收已被識(shí)別的信號(hào)，還可以重復(fù)地結(jié)合多個(gè)接收機(jī)的參數(shù)估值，以提高其接收性能。增強(qiáng)版設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器間時(shí)間同步，進(jìn)行相對(duì)測(cè)距測(cè)速。 它不單是為火星探索而設(shè)計(jì)，對(duì)于與月球附近的空間計(jì)劃也有很廣泛的應(yīng)用機(jī)會(huì)，作為繞月軌道器與月面漫游器、月面工作站等各種各樣設(shè)備的中繼通訊站，提供與地面通訊的間接通道。在月球衛(wèi)星和探測(cè)器上搭載ELECTRA軟件定義的無(wú)線電收發(fā)中繼設(shè)備，類似于火星探測(cè)中使用的ELECTRA自主中繼導(dǎo)航授時(shí)，服務(wù)于規(guī)模有限的載人月球探測(cè)實(shí)現(xiàn)自主的中繼導(dǎo)航授時(shí)和通信。按照星間鏈路的通信、時(shí)頻同步、測(cè)速與測(cè)距一體化方案，融合ELECTRA、導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路技術(shù)，在統(tǒng)一的框架下基于軟件無(wú)線電技術(shù)，開展這類技術(shù)的發(fā)展完善和應(yīng)用。 作者：平勁松 簡(jiǎn)介：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)天體無(wú)線電科學(xué)研究團(tuán)組首席研究員；中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃研究員，海外引進(jìn)杰出人才
文章來源：深空探測(cè) 原文名稱：【深空前沿】火星探測(cè)導(dǎo)航與通信技術(shù)。 |
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