【技术·航天】深空测控网未来发展的重要方向 ——深空光通信技术
发布时间：2022-10-11 10:53:25 所属栏目：应用 来源：
导读： 1 深空测控光通信需求
深空探测的通信数据通常分为两类，一类是现场感知数据，主要是探测器拍摄的现场照片和视频信息，一类是科学探测数据，主要包括探测图像、合成孔径雷达和多频谱&混合谱成像探测仪获
深空探测的通信数据通常分为两类，一类是现场感知数据，主要是探测器拍摄的现场照片和视频信息，一类是科学探测数据，主要包括探测图像、合成孔径雷达和多频谱&混合谱成像探测仪获
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1 深空测控光通信需求 深空探测的通信数据通常分为两类，一类是现场感知数据，主要是探测器拍摄的现场照片和视频信息，一类是科学探测数据，主要包括探测图像、合成孔径雷达和多频谱&混合谱成像探测仪获取的数据。随着载人深空探测提上议事日程（美国计划2024年将首位女宇航员送上月球南极、2033年实现载人登陆火星），未来深空探测的现场感知数据也会从现在的图像，向视频乃至HDTV（高清晰度数字电视）发展，数据传输速率需求将达到百兆量级，如图1所示。 到20世纪90年代中期，NASA已经基本上完成了对太阳系的初步勘察，太阳系内所有行星去过至少一次，剩下的就是要回到这些目的地，对它们进行更详细地勘察研究。要获得高保真度的多光谱图像、合成孔径雷达观测和准实时视频，所需要的数据速率比太阳系初步勘察阶段的数据速率增加一个数量级以上。而且，为了能够像今天对地球进行遥感那样，以同样的精度对其他行星进行遥感，所需要的数据率比1990年代初期的数据率要高三个数量级以上。 从历史上看，提高测控通信工作频率，获得更有效的传输能力是一个有效的技术途径。NASA深空网及其所支持的航天器向更高频率的迁移就是其深空通信能力稳定增长的最重要因素。在20世纪60年代使用L 频段(900MHz)和S频段(深空分配的2.29—2.30MHz)的频率。在1977年，X频段(8.4 GHz)用于两个旅行者号探测器的主用下行链路。在20世纪90年代， NASA致力于发射搭载有针对性科学载荷更小的航天器实施深空探测，将天地通信频率扩展到了Ka频段(32 GHz)。NASA在节省了航天器质量和功耗的同时，实现了与X频段相同的数据返回量。NASA期望使用光学频率来实现进一步节省质量和功耗的目标。图2所示为NASA深空网的测控通信能力发展历程。图3给出了NASA深空网未来所采用的提高深空通信数据接收速率的技术途径和数据传输能力提高的预期效果。美国在2013年9月发射的“月球大气与粉尘环境探测器”，对月地激光通信技术进行了演示验证，实现了月地间下行622Mb/s和上行20Mb/s的通信速率。 同射频（RF）通信链路相比，光通信工作频率（约为200-300THz）要比Ka频段的32GHz载频更高。这意味着衍射损失更小，传递信号能量的效率更高，使得光学链路在更低发射功率和更小孔径尺寸下，仍能达到很高的传输速率。图4所示为火星距离上的航天器所发射的RF波束和光束的扩散情况对比。当射频波束从火星到达地球时，衍射使得信号扩散到100个地球直径宽的面积上，而激光束的尺寸仅为0.1个地球直径宽，这表示水平和垂直方向上的接收能量集中程度高1000倍，相当于功率密度提高106倍 。这种相对X频段的波长平方增益约为90dB，由于光通信中的量子效应和实际实施问题，目前将其实际的增益限制在约60dB左右。所以说，光通信系统的核心优势就源自于其窄光束发散角，可以用更小尺寸、更小质量和更低功耗的飞行系统提供射频10-100倍高的数据速率。而且还拥有射频频段几个数量级带宽扩展的不受限制的可用频谱(在光频上是几十太赫兹，而在射频上是几百兆赫) 。 2 深空光通信技术途径分析 深空光通信技术是指以激光或空间自由光为载体，通过望远镜进行深空通信的技术。深空激光通信链路通常由深空航天器上的激光通信飞行终端、光学信道、一个或多个地球终端组成，如图5所示 。激光通信飞行终端从航天器接收下行数据流，并将接收到的上行数据传送至航天器，并由载体航天器为其提供功率、控制、星历表、瞄准信息和粗略姿态控制。地球终端接收来自飞行激光通信终端的光学下行链路信号、发射光学上行链路通信信号或为航天器上飞行终端瞄准捕获与跟踪发送所需的地球引导信标信号。 从深空测控网的视角来看，有效实现深空光通信的技术途径主要集中在如何实现地球终端高效的数据接收能力。目前，主要的技术途径包括布设地面大口径光学地面站、射频光学一体化技术、天基中继（光-射频中继和光-光中继）技术以及基于认知的组网技术等。 2.1 地面大口径光学终端网络 从覆盖性能来看光通信应用，与传统的深空测控网类似，为了确保不受地球自转的影响，需要全球布站，从而实现对深空航天器的连续覆盖。通常，考虑在全球设置若干地面望远镜。地面光学望远镜网络的主要参数包括：数据传输能力和误码率，空间覆盖连续性，地面望远镜站的合理位置。 地面光学望远镜网络的站址选择应尽量满足以下条件： 1）纬度接近赤道，以便更好地跟踪位于太阳系黄道面上的深空航天器。可考虑±40度的纬度范围内； 2）经度上尽可能均匀分布，相邻站点之间最小共同观测时间为4小时，以实现平稳交接； 3） 海外站点不受地缘政治的影响； 4） 一年内云层覆盖持续时间较短，天气比较稳定，且可预报； 5） 海拔高，以获得高大气透过率和低天空辐射度； 6） 大气湍流影响小。 选择光通信地面终端站址十分关键，因而地面终端站的位置需要认真选择，使有云覆盖的天气最少。所选站址能维持与航天器联通时间百分比取决于站址和季节。某些站址的云层覆盖还存在昼夜的变化。 满足深空地面接收所需的有效孔径约为10-12 m，可通过单个大型望远镜或一组小型望远镜实现。在图6中，标记单元的矩形灰色轮廓表示一个阵列单元，该阵列单元可以实现一个单个大孔径，就是N个直径相等的单元将提供一个N/2倍大的有效直径。采用多个小望远镜组成的阵列，加上高速数字信号处理技术，进行深空光学信号的地面接收，是接收深空光学信号的大孔径望远镜的一种可行的替代方案 。大孔径望远镜的建造和运行成本都很高，并且一旦某一部件出现失效，会导致单点故障，从而丢失宝贵的数据。设计合理的阵列中，某一单元件失效，即使不进行更换，性能的降低很小；但一旦出现故障时，阵列也能切换到备份望远镜，且不会显著增加成本。 2.2 地面射频/光学一体化系统 NASA从2010年12月起就开始研究将射频和光学系统结合在同一天线结构上的概念，就是在现有或未来的DSN射频天线上增加光学反射镜。这是一种可能的低成本解决方案。最近的实验和工程研究已经使得这种混合射频/光学天线成为NASA当前推进深空光学通信应用的主要途径。NASA希望将8米的光学孔径集成到深空网34米波束波导天线中，用主球面镜及适当的校正光学设备及接收机元件替换RF副反射面后的RF面板。这种混合天线已进行了研究，预期有足够的稳定性和指向能力，天线RF性能仅有一小部分损失。图7所示为 34m RF天线内带有8m光收集区的完整64单元4支撑杆的RF/光学混合孔径，34米波束波导天线上的包括了射线路径的RF/光学概念的侧视图。 这一方案首先是应用了已有站点上的射频大口径天线系统，从而大大降低了选址建站和望远镜大型结构建设投入。既具备RF通信又具备光通信能力的深空探测任务，可以在站点无云层阻挡视线条件下使用光提供最高速率；在站点有云层覆盖时，使用数据率较低的RF频段发送最高优先级数据。这种方案既降低了应用光通信技术初期的地面系统建设的投入，又带来了任务使用的灵活性。 2.3 天基中继混合链路 目前的研究提出了包括近地轨道、地球同步静止轨道、超同步静止轨道和日地拉格朗日L4/L5点在内的多种方案。这些方案大都是选择了通过天基中继平台的对地射频和光学混合通信链路完成数据最终的传递，即在满足光通信条件下采用光通信手段，不满足则采用射频降速率传输。 NASA在本世纪初就曾提出过“综合”地球同步静止轨道中继的概念，可以支持从近地轨道到月球以及更远的深空任务。中继星的设计理念是类似目前NASA TDRS的增强:包括了一个用于深空激光通信的2米孔径望远镜和一个较小的30厘米望远镜用于近地轨道高速激光通信并可支持距离地球约100万英里的日地平动点L1和L2 任务。 最新的NASA下一代空间通信导航增强体系研究的成果中还提出了超同步静止轨道卫星架构以最大限度地提高“地月空间”、“火星”和深空任务的通信导航性能。超同步静止轨道卫星（轨道高度约60700 km，周期48小时，倾角45°)）由下列有效载荷组成。每颗卫星配备了两个单址(SAs)天线，支持S频段和Ka频段，并通过一个扩展范围的跟踪架提供了对月球的覆盖。每颗卫星配有两个Risley棱镜激光望远镜，用于支持月球范围内的激光通信和导航。有一个带星载处理器火星阵列式激光通信终端，可以支持再生式激光通信链路，这个终端带有一个可以360度转动的跟踪架，能够实现支持火星和其他深空任务激光通信的切换。图9给出了超同步静止轨道卫星设计概念。 此外，为了确保载人火星探测任务不间断通信需求，还提出了在日地平动点L4/L5点布设地火激光通信中继节点，从而建立从火星轨道到地球同步静止轨道或地面的不间断通信链路。 （编辑：PHP编程网 - 钦州站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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