載人登月測(cè)控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

劉云閣

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著科技的進(jìn)步以及空間競(jìng)爭(zhēng)的需求,月球因其空間和資源優(yōu)勢(shì)將成為下一個(gè)全球競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)[1]。

從1969年美國(guó)“阿波羅11號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)首次載人登月,經(jīng)過(guò)30多年的相對(duì)沉寂之后,國(guó)際社會(huì)又紛紛傳出各種版本的新登月計(jì)劃,新世紀(jì)掀起了一波競(jìng)相登月的新浪潮。

俄羅斯計(jì)劃在2015年派載人飛船登陸月球[2];歐洲航天局(ESA)計(jì)劃在2020年將宇航員送上月球;日本政府設(shè)定目標(biāo),在2020年之前將一名宇航員送上月球;印度也希望能在2020年前實(shí)現(xiàn)登月。

2004年1月,當(dāng)時(shí)的美國(guó)布什總統(tǒng)宣布了雄心勃勃的探月新構(gòu)想,其主要目標(biāo)之一就是在2015～2020年實(shí)施載人登月。為了安全和增加運(yùn)載能力,美國(guó)重返月球計(jì)劃采用新的發(fā)射方式[3]。融入人貨分運(yùn)的思想,將載人探測(cè)飛行器“獵戶座”與月球登陸器先分別發(fā)射至近地軌道,然后在太空將“獵戶座”與月球登陸器和上一級(jí)奔月運(yùn)載火箭飛離地球級(jí)通過(guò)交會(huì)對(duì)接后一同進(jìn)入奔月軌道。因此,對(duì)探測(cè)飛行器“獵戶座”與月球登陸器的高精度測(cè)量和控制技術(shù)將是決定交會(huì)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,其間大容量的數(shù)據(jù)傳輸是必不可少的。

2010年2月,美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬公布的預(yù)算提案已沒(méi)有NASA重返月球計(jì)劃所需經(jīng)費(fèi)。美國(guó)放棄NASA重返月球計(jì)劃[4]的決定卻為其它國(guó)家敞開(kāi)了一道門,也使中國(guó)成為了這一輪登月競(jìng)賽中最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

中國(guó)已啟動(dòng)以“繞”、“落”、“回”3個(gè)步驟的探月工程以及“登”、“駐”、“用”三步走戰(zhàn)略的登月工程計(jì)劃,預(yù)計(jì)2025～2030年間實(shí)現(xiàn)載人登月[5]。

登月工程的實(shí)施,需要有一套完善的測(cè)控與通信網(wǎng)絡(luò)才能有效地保障各步驟的順利開(kāi)展?！鞍⒉_”任務(wù)主要由NASA載人航天測(cè)控網(wǎng)地基的USB測(cè)控站提供支持,NASA深空測(cè)控站作為備份。美國(guó)重返月球計(jì)劃采用了新的發(fā)射方式,測(cè)控系統(tǒng)要適應(yīng)交會(huì)對(duì)接、大容量數(shù)據(jù)傳輸、高測(cè)控覆蓋率的要求,其規(guī)劃也呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)也正在進(jìn)行載人登月工程及其測(cè)控通信系統(tǒng)的論證。

2 美國(guó)載人登月測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展

2.1 “阿波羅”工程

“阿波羅”載人登月工程的測(cè)控與通信主要依賴于依靠NASA載人航天測(cè)控網(wǎng)(MSFN)S頻段統(tǒng)一載波系統(tǒng)(USB)完成。該網(wǎng)由全球布局的測(cè)控站組成,支持近地段、地月轉(zhuǎn)移入軌段、返回再入段的測(cè)控通信;NASA深空網(wǎng)提供應(yīng)急測(cè)控通信支持。

“阿波羅”任務(wù)時(shí)期的USB測(cè)控系統(tǒng)由10個(gè)9 m USB站、3個(gè)26 m USB站、一個(gè)9 m USB活動(dòng)站、5艘測(cè)量船和8架測(cè)控飛機(jī)組成。NASA深空網(wǎng)由3個(gè)26 m站和一個(gè)64 m深空站組成。其中9 m USB用于近地段的測(cè)控通信,26 m USB用于地月轉(zhuǎn)移以及在月球附近的測(cè)控通信。后續(xù)任務(wù)則對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模進(jìn)行了縮減,主要是縮減了測(cè)量船和測(cè)控飛機(jī)的數(shù)量,保留了1艘測(cè)量船和4架測(cè)控飛機(jī)。

“阿波羅”載人登月工程利用地基測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛船的跟蹤、測(cè)距、遙測(cè)、控制,并實(shí)現(xiàn)話音和視頻信號(hào)的傳輸。充分利用了S頻段在空間的低損耗,以適應(yīng)地球軌道以及登月過(guò)程的測(cè)控與通信,但由于帶寬的限制,其視頻圖像采取了慢掃方式(Slowscan Television)。

“阿波羅”任務(wù)的測(cè)控通信包括在飛行階段的USB天地測(cè)控通信(包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和電視)、月面著陸后著陸艙的USB對(duì)地測(cè)控通信、著陸艙與軌道艙的VHF語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信、軌道艙對(duì)地的USB測(cè)控通信、航天員與著陸艙之間的VHF語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信,以及航天員之間的VHF語(yǔ)音通信。

2.2 美國(guó)重返月球計(jì)劃

21世紀(jì)載人登月任務(wù)與之前的“阿波羅”項(xiàng)目不一樣,當(dāng)年模糊的影像將會(huì)被彩色高清影像所替代,地月之間的通信會(huì)變得清楚和頻繁,這對(duì)測(cè)控通信鏈路提出了更高的要求。

2006年5月12日,美國(guó)NASA空間通信體系結(jié)構(gòu)工作組(SCAWG)提交了名為《2005～2030年NASA空間通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)建議》的研究報(bào)告,對(duì)近期以及未來(lái)空間探測(cè)任務(wù)的通信與導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃,其中也包含了對(duì)月球探測(cè)與登月任務(wù)的相關(guān)內(nèi)容。

該工作組總結(jié)了NASA現(xiàn)有空間通信體系結(jié)構(gòu)的不足,在NASA現(xiàn)有能力的基礎(chǔ)上,考慮了從現(xiàn)有能力向未來(lái)體系結(jié)構(gòu)過(guò)渡的成本以及可行性等因素,提出了新的體系結(jié)構(gòu)[6],如圖1所示。

圖1 NASA通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Communication and navigation system configuration of NASA

這一新的空間通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)由地基地球單元、近地中繼單元、月球中繼單元、火星中繼單元4個(gè)物理單元部分和相互交迭的網(wǎng)絡(luò)、安全、射頻頻譜、導(dǎo)航結(jié)構(gòu)組成。4個(gè)物理單元通過(guò)一體化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密連接在一起。其提出的一體化結(jié)構(gòu)充分利用了目前地面所使用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并將其擴(kuò)展到了整個(gè)太陽(yáng)系,使空間用戶可以順利地從一個(gè)單元無(wú)縫過(guò)渡到另一個(gè)單元。

在該體系結(jié)構(gòu)中,分配給月球往返地球的鏈路工作于37～38GHz和 40～40.5GHz的頻段,實(shí)現(xiàn)任務(wù)數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)遇到雨衰時(shí),額定的每秒數(shù)百兆比特的數(shù)傳速率可以降低到1Mbit/s或更低進(jìn)行傳輸,這樣可以在37.75GHz頻率上提供高達(dá)27dB的雨衰余量。同時(shí),對(duì)地球站站址的選擇需考慮相應(yīng)的雨衰問(wèn)題,以保證系統(tǒng)的可用性。

在NASA登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)中,載人登月通信與導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括月球月面用戶到月球中繼衛(wèi)星(LRS)的Ka/S頻段前、返向鏈路,月球中繼衛(wèi)星到地球的Ka頻段前、返向主干線鏈路,Ka頻段和S頻段地基測(cè)控通信網(wǎng)以及月面終端(LCT)[7]組成的通信網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。

圖2 NASA登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Communication and navigation system configuration of NASA for Human Lunar Mission

在登月器進(jìn)入月球軌道以及在月球表面活動(dòng)期間,在地基網(wǎng)可視范圍內(nèi)時(shí),月球表面的用戶以及軌道飛行器可通過(guò)S/Ka頻段鏈路直接與地球建立測(cè)控與通信鏈路,也可通過(guò)月球中繼衛(wèi)星經(jīng)地月主干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)控通信。LCT通信網(wǎng)絡(luò)提供月球前哨基地廣域網(wǎng)及信標(biāo)。月球中繼衛(wèi)星[8]可實(shí)現(xiàn)月面用戶或月球軌道飛行器到月球基地站的通信中繼,也可實(shí)現(xiàn)與地球地基測(cè)控系統(tǒng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā),擴(kuò)大地基地球單元對(duì)登月過(guò)程以及月面活動(dòng)的測(cè)控通信覆蓋率。

NASA登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)中采取多鏈路途徑與地球建立通信業(yè)務(wù):初期目標(biāo)是通過(guò)直接對(duì)地(DTE)鏈路和一顆月球中繼衛(wèi)星,遠(yuǎn)期目標(biāo)是通過(guò)直接對(duì)地(DTE)鏈路和兩顆月球中繼衛(wèi)星。對(duì)于月球表面的業(yè)務(wù),前哨基地站的數(shù)據(jù)通過(guò)LCT傳送到其它登月用戶,或通過(guò)DTE或LRS傳送到地球。

該體系結(jié)構(gòu)提出的最大理念就是準(zhǔn)備引入TCP/IP,使得測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)支持分組交換,可以進(jìn)行配置,以克服其目前太空網(wǎng)絡(luò)(Space Network)只能使用比特服務(wù)(Bit Services)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的不足。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中,每個(gè)通信路徑比較固定,缺乏靈活性。分組交換支持的可配置性概念,使得通信變得非常靈活和容易實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)保護(hù)。

在登月器發(fā)射階段,在地球軌道以及奔月軌道中,主要由地球地基測(cè)控通信網(wǎng)和NASA天基網(wǎng)進(jìn)行測(cè)控通信。NASA已為月球勘測(cè)軌道器(LRO)計(jì)劃在白沙建設(shè)18 m口徑天線的S/Ka頻段的地基測(cè)控通信站(白沙站,WS1,具有18m天線)[9],完成對(duì)LRO任務(wù)的常規(guī)操作業(yè)務(wù),采用26GHz的Ka頻段實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。在LRO發(fā)射段和初始月球軌道機(jī)動(dòng)段,除WS1以外,還將使用NASA天基網(wǎng)、深空網(wǎng)(DSN)和商業(yè)S頻段地面站。一旦航天器安全抵達(dá)月球軌道,主要的測(cè)控支持由WS1及商業(yè)S頻段站提供,DSN用于緊急需要情況下的支持。

3 我國(guó)載人登月測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)想與建議

3.1 研究現(xiàn)狀

國(guó)外載人登月任務(wù)的特點(diǎn)是登月方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單,而對(duì)運(yùn)載火箭的要求很高。美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃以及前蘇聯(lián)登月計(jì)劃采用的方案分別是一次性將登月有效載荷送入奔月軌道和環(huán)月軌道,美國(guó)重返月球計(jì)劃采用的是近地軌道交會(huì)對(duì)接一次的方式。

國(guó)外的這些載人登月方案對(duì)于我國(guó)目前的國(guó)力等條件似乎都不理想,中國(guó)的載人登月究竟采用什么方式需要有自己的創(chuàng)新。我國(guó)運(yùn)載系統(tǒng)近期的研究結(jié)論是我國(guó)載人登月將采取多次發(fā)射地球軌道交會(huì)對(duì)接或月球軌道交會(huì)對(duì)接的方案[10]。不論采取何種方案,為了保障登月飛行器以及航天員的安全,都需要一套完整、可靠的測(cè)控通信系統(tǒng)及應(yīng)用方案來(lái)保障工程的順利實(shí)施。載人登月的測(cè)控與通信系統(tǒng)必須具有極高的測(cè)控與通信覆蓋率,需要采取多種手段實(shí)現(xiàn)地球網(wǎng)對(duì)登月器的高覆蓋率,包括地面站組網(wǎng)、地球天基組網(wǎng)以及建設(shè)月球中繼衛(wèi)星系統(tǒng)等措施。

針對(duì)我國(guó)航天測(cè)控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀,“嫦娥一號(hào)”工程利用“USB+VLBI(甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù))”聯(lián)合測(cè)軌的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的測(cè)控通信[11],并達(dá)到了要求的定軌精度。首先,是提高USB測(cè)控系統(tǒng)的能力,在USB測(cè)控系統(tǒng)中的兩個(gè)站新建了大天線,改善了以往用于地球衛(wèi)星天線的信道余量,提高了測(cè)量精度,增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性,使地面站作用距離從地球范圍延伸到月球范圍。其次,是在航天測(cè)控領(lǐng)域引入了天文測(cè)量技術(shù),將間隔數(shù)百乃至數(shù)千公里的口徑較小的射電望遠(yuǎn)鏡合成為巨大的綜合口徑望遠(yuǎn)鏡,稱為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)(VL-BI),提高了分辨率[12]。在“嫦娥二號(hào)”工程中增加了X頻段的測(cè)控站,進(jìn)一步提高了深空測(cè)控能力。

對(duì)于載人登月階段大容量的數(shù)據(jù)傳輸、更高軌道覆蓋率以及更高精度定位需求,僅僅依靠改造的USB系統(tǒng)以及相應(yīng)的VLBI技術(shù),再加上X頻段的深空測(cè)控已無(wú)法完全滿足,必須建立具有寬帶傳輸能力、具有更高精度的、覆蓋整個(gè)地球到月球軌道的寬帶測(cè)控通信鏈路。

3.2 發(fā)展路線設(shè)想

與我國(guó)“登”、“駐”、“用”三步走的載人登月計(jì)劃相對(duì)應(yīng),我國(guó)載人登月測(cè)控通信系統(tǒng)可以采取三步走的技術(shù)途徑,滿足各個(gè)階段的需求:

第一步,目前有效的解決方案是建設(shè)用于載人航天和登月工程、兼容USB系統(tǒng)以及地基地球中繼體制的S/Ka頻段地面測(cè)控網(wǎng),增加大口徑天線、相控陣天線及天線組陣系統(tǒng),與已有的USB、UCB、深空站、天基系統(tǒng)形成天地基一體化的地球地基測(cè)控通信網(wǎng),保障與登月器、月球軌道飛行器以及月面用戶連續(xù)不間斷的測(cè)控與通信;

第二步,建設(shè)月球軌道中繼衛(wèi)星,在此基礎(chǔ)上可建立地球到月球中繼衛(wèi)星的Ka頻段為主、激光鏈路為輔的寬帶主干線,保障登月器進(jìn)入月球軌道之后以及用戶在月面活動(dòng)期間地球站對(duì)其的測(cè)控與通信覆蓋率,逐步實(shí)現(xiàn)Ka頻段鏈路和激光鏈路并存,在應(yīng)用上相互補(bǔ)充、相互支撐的兩條月地互聯(lián)寬帶主干線;

第三步,進(jìn)一步建設(shè)、完善月球網(wǎng),主要包括月球?qū)Ш脚c中繼通信衛(wèi)星星座、月球表面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和月球基地導(dǎo)航著陸系統(tǒng)等,月球表面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的月球通信終端站實(shí)現(xiàn)月面用戶的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入,并與月球中繼衛(wèi)星以及地球網(wǎng)建立S/Ka頻段的測(cè)控與通信鏈路。

3.3 體系結(jié)構(gòu)建議

為了達(dá)到以上各階段的目標(biāo),應(yīng)在補(bǔ)充完善地球網(wǎng)陸?；鵘SB、UCB(C頻段統(tǒng)一載波系統(tǒng))以及天基測(cè)控通信網(wǎng)的同時(shí),盡快實(shí)現(xiàn)S/Ka頻段寬帶測(cè)控通信系統(tǒng)(包括大口徑拋物面天線系統(tǒng)以及相控陣天線系統(tǒng))的建設(shè),利用Ka頻段帶寬寬、可支持高速數(shù)傳的特點(diǎn)[13],為月地主干線以及月球用戶的直接對(duì)地的測(cè)控、通信以及導(dǎo)航奠定技術(shù)基礎(chǔ),逐步地進(jìn)行各環(huán)節(jié)的建設(shè),最后形成完整的、支持載人登月各階段任務(wù)的測(cè)控、通信與導(dǎo)航體系。完整的體系結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖3 我國(guó)載人登月測(cè)控通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建議Fig.3 Suggestion of Communication and navigation system configuration for China′s Human Lunar Project

S/Ka頻段大口徑拋物面測(cè)控通信系統(tǒng)適用于地球站對(duì)月球軌道航天器及月面用戶建立寬帶測(cè)控通信主干鏈路,X頻段深空站及天基系統(tǒng)作為提高主干鏈路測(cè)控通信覆蓋率的補(bǔ)充;S/Ka頻段相控陣測(cè)控通信系統(tǒng)與USB、UCB等共同構(gòu)建陸?；鶞y(cè)控通信網(wǎng),適用于登月飛行器在地球軌道以及地月轉(zhuǎn)移軌道等對(duì)地球站具有高動(dòng)態(tài)特性飛行階段的高覆蓋、實(shí)時(shí)測(cè)控通信鏈路的建立。拋物面和相控陣的S/Ka頻段測(cè)控通信系統(tǒng)在體制與信號(hào)形式上完全兼容,只是根據(jù)登月飛行器的不同應(yīng)用階段實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)與低動(dòng)態(tài)、寬帶應(yīng)用與窄帶實(shí)時(shí)控制的相互補(bǔ)充,可靠地構(gòu)成覆蓋整個(gè)登月過(guò)程的測(cè)控通信寬帶鏈路。

載人登月工程測(cè)控通信系統(tǒng)體系的建立,需要在系統(tǒng)體制、新技術(shù)應(yīng)用等多方面得到發(fā)展、創(chuàng)新和應(yīng)用,必將大大提高我國(guó)飛行器測(cè)控通信領(lǐng)域的技術(shù)水平,拓展系統(tǒng)應(yīng)用能力和空間覆蓋范圍,從而推動(dòng)我國(guó)航天事業(yè)對(duì)近地空間以及外層空間探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)載人登月工程的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)述,分析了國(guó)外月球探測(cè)及載人登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),提出了適應(yīng)載人登月工程測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展建議和初步思路,而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),還需要針對(duì)具體的技術(shù)途徑與方法開(kāi)展一系列新技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究與突破,結(jié)合我國(guó)近地軌道載人航天、月球探測(cè)工程,進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

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