“天問一號”著陸中繼通信系統(tǒng)設(shè)計與驗證

張 婷，韓 宇，孫澤洲，饒 煒，強暉萍，白 帆，雪 霽

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

引 言

“天問一號”探測器作為中國首次火星探測器，通過一次發(fā)射，實現(xiàn)了對火星的“繞、落、巡”探測任務(wù)?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器包括環(huán)繞器及著陸巡視器，著陸巡視器由進入艙和火星車組成。

火星探測任務(wù)的進入、下降及著陸段（Entry，Descent and Landing，EDL）是整個任務(wù)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。在該階段，探測器在短時間內(nèi)完成高速氣動減速、降落傘展開、拋除背罩等復(fù)雜高動態(tài)機動動作，是火星探測任務(wù)中難度最高、風(fēng)險最大的階段。EDL階段的通信是了解著陸探測器在從兩器分離，至著陸火星表面的重要過程中工作狀態(tài)和健康情況的唯一渠道。此時著陸探測器相對地球距離一般在109km量級，對地通信信號微弱，時延單程可達到20 min左右，為保證探測器在EDL過程的狀態(tài)可控、可監(jiān)測，采用與環(huán)繞器之間的中繼通信鏈路，通過環(huán)繞器上注指令、下傳遙測以實現(xiàn)地火通信。國外歷次火星著陸任務(wù)的經(jīng)驗表明，可靠的通信鏈路，對地面監(jiān)視探測器的飛行狀態(tài)、氣動減速過程以及降落傘展開及著陸器著陸火星表面的關(guān)鍵信息，并提供飛行決策起到至關(guān)重要的作用。

為保證通信方案順利實施，探測器間幾何可見性、進入火星大氣時機、進入方式以及過程中環(huán)繞器軌道及姿態(tài)等，均構(gòu)成了約束條件。因此，EDL階段通信方案和技術(shù)途徑設(shè)計緊密結(jié)合火星軟著陸探測任務(wù)實際開展，通信鏈路圍繞任務(wù)的時序進行信道設(shè)計；同時，通信系統(tǒng)的功能、性能與設(shè)備配置，均圍繞全過程無間斷通信的目的，以及確保通信鏈路的可靠性和穩(wěn)定性來開展。

本文結(jié)合中國首次火星探測任務(wù)需求，對“天問一號”火星探測器EDL段中繼通信系統(tǒng)方案設(shè)計和在軌驗證情況進行介紹。

1 任務(wù)特點及設(shè)計輸入

1.1 任務(wù)特點

1） 時序復(fù)雜

著陸巡視器離軌著陸任務(wù)段主要包括大氣進入前階段、EDL段以及著陸初期。兩器分離后，著陸巡視器在經(jīng)歷3 h左右的降軌后，到達火星大氣進入點，進入7～9 min的EDL段飛行后著陸火星表面。在短短數(shù)分鐘的EDL階段，將經(jīng)歷大氣進入、彈射降落傘、背罩分離、大底分離、著陸平臺及火星車著陸等多個復(fù)雜任務(wù)過程，對通信鏈路穩(wěn)定性、可靠性、連續(xù)性及自主性均提出了很高要求。

EDL段探測器飛行關(guān)鍵事件時序見圖1。

圖1 “天問一號”火星探測器EDL關(guān)鍵事件時序圖Fig.1 Timing chart of key events in the EDL stage of Tianwen-1 Mars probe

2）信號微弱及時延巨大

一次發(fā)射的任務(wù)特點約束了著陸巡視器的重量及功耗，導(dǎo)致其不能配置大口徑高增益天線及高功率放大器，對地直接通信面臨著巨大的空間損耗，地面接收信號十分微弱。EDL任務(wù)期間，著陸巡視器距離地面約為3億km，雙程光行時約30多min。巨大時延導(dǎo)致EDL關(guān)鍵任務(wù)段處于探測器完全自主運行的“無人控制”階段。

3） 高多普勒動態(tài)

EDL過程動作導(dǎo)致在探測器通信信號上疊加很高的多普勒動態(tài)，產(chǎn)生很大的多普勒變化范圍以及多普勒變化率。EDL過程中的高多普勒動態(tài)很容易導(dǎo)致接收機的環(huán)路失鎖造成數(shù)據(jù)丟失。同時，高動態(tài)跟蹤與高靈敏度接收解調(diào)對于收發(fā)信機來說較難實現(xiàn)，對單機設(shè)計及系統(tǒng)設(shè)計提出了更高要求。

4）黑障現(xiàn)象

著陸巡視器以高超聲速進入火星大氣層后，短時間內(nèi)急劇減速造成探測器周圍的高溫使大氣分子和部分燒蝕材料發(fā)生電離，形成等離子鞘套現(xiàn)象。等離子鞘套會嚴重吸收和散射電磁波，從而產(chǎn)生通信黑障現(xiàn)象。黑障現(xiàn)象的產(chǎn)生與探測器的形狀、速度、飛行攻角、防熱材料和大氣密度等因素均有關(guān)。

1997年“火星探路者號”（Mars Pathfinder， MPF）在登陸過程中就遭遇了30 min的信號中斷[1-2]，2012年“好奇號”（Curiosity）火星車在登陸時也碰到了類似的情況[3]，圖2記錄了“好奇號”在著陸過程中的電平變化情況?？梢钥闯?，電平起伏最大可達30～40 dB。

圖2 “好奇號”著陸過程接收信號電平Fig.2 Received signal level of Curiosity-rover during landing

在脆弱的EDL階段出現(xiàn)通信信號的中斷，對著陸巡視器的安全是致命威脅。因此，需合理設(shè)計飛行彈道和飛行速度，并采取必要的措施來緩解或避免黑障對通信鏈路造成的影響。

1.2 設(shè)計輸入

綜合以上多項技術(shù)難題，中繼通信系統(tǒng)需具備如下能力：

1）著陸巡視器在環(huán)火軌道與環(huán)繞器分離后，在從分離軌道至大氣進入點、EDL階段直至著陸過程中，通過與環(huán)繞器之間的特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段中繼通信鏈路進行雙向通信，具備以一定的碼速率傳送指令和接收遙測的能力，以滿足著陸過程中地面對著陸巡視器的遙控和工程遙測接收需求；

2）在從分離至進入火星大氣、拋傘、背罩分離以及火星車落火的過程中，著陸巡視器會出現(xiàn)大角度姿態(tài)變化，結(jié)合運動過程及姿態(tài)，合理設(shè)計著陸巡視器天線安裝位置、天線波束、通信鏈路信道參數(shù)等，使得此過程中兩器天線可相互指向，通信鏈路保持不中斷；

3）降落傘及背罩分離后，存在著陸巡視器進入艙與火星車通信設(shè)備及天線的接力和切換過程，需要合理安排設(shè)備開關(guān)機及射頻信號發(fā)射接收時序，確保通信過程無縫銜接、連續(xù)可靠。

2 EDL通信方案設(shè)計

2.1 通信過程

在探測器環(huán)火后的停泊軌道段，著陸巡視器與環(huán)繞器配合，完成UHF頻段器間通信自檢，并開始提供UHF頻段器間通信鏈路。兩器分離后，環(huán)繞器升軌并建立中繼姿態(tài)，著陸巡視器從分離軌道至進入點、EDL階段直至著陸過程中，建立與環(huán)繞器之間的UHF頻段中繼通信鏈路。從兩器分離至著陸，中繼軌道周期約3 h，通信距離在600～1 000 km范圍內(nèi)。

“天問一號”火星探測任務(wù)通信鏈路如圖3所示，EDL段中繼通信鏈路如圖4所示。

圖3 “天問一號”火星探測通信鏈路Fig.3 Tianwen-1 probe communication links

圖4 EDL段中繼通信示意圖Fig.4 Relay communication in EDL

2.2 中繼通信系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)組成

探測器中繼通信系統(tǒng)由著陸巡視器器間通信子系統(tǒng)和環(huán)繞器器間通信子系統(tǒng)組成。著陸巡視器器間通信子系統(tǒng)由進入艙及火星車UHF收發(fā)信機、安裝于進入艙的背罩天線及安裝于火星車的UHF頻段中繼天線組成。環(huán)繞器器間通信子系統(tǒng)由UHF中繼通信機及UHF頻段中繼收/發(fā)天線等組成。

探測器中繼通信系統(tǒng)設(shè)計原理如圖5所示。

圖5 中繼通信系統(tǒng)設(shè)計原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of relay communication system

2.2.2 技術(shù)指標(biāo)

1）體制及協(xié)議

根據(jù)任務(wù)特點，“天問一號”探測器中繼通信協(xié)議選用CCSDS鄰近空間鏈路協(xié)議（Proximity-1），協(xié)議物理層為UHF頻段，協(xié)議鏈路特征為短時延、中等強度信號、簡短獨立的對話[4]。

協(xié)議在全雙工的工作模式下，首先通過握手信道以較低速率在通信雙方之間完成請求或協(xié)商過程，確認各種信道參數(shù)后，建立業(yè)務(wù)通信信道進行通信。可支持通信鏈路自適應(yīng)機制，信道、編碼、碼速率可根據(jù)信號質(zhì)量進行自適應(yīng)調(diào)整。數(shù)據(jù)傳輸使用了近距空間鏈路協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式，自動重復(fù)請求機制以及順序控制業(yè)務(wù)，采用32 bit的CRC校驗，通過雙向可靠建立連接。

協(xié)議使用ARQ自動重傳模式進行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。采用信噪比（Eb/N0）估計方法實現(xiàn)信道碼速率自適應(yīng)切換，以改善誤碼性能。可支持8個前向速率（1～64 kbps）及12個返向速率（1～2 048 kbit/s）的可循環(huán)自適應(yīng)切換。

2）工作狀態(tài)

由于通信能力和任務(wù)需求的不同，中繼通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以是全雙工、半雙工和單工[5-6]。中繼通信前、返向信號載波頻率如表1所示。

表1 中繼通信鏈路載波頻率Table 1 Carrier frequency of relay communication link

中繼通信系統(tǒng)全雙工工作狀態(tài)時，呼叫過程使用握手信道，通信過程使用工作信道；單工的工作狀態(tài)下，使用工作信道。

“天問一號”火星探測EDL期間，為保證鏈路穩(wěn)定性及時效性，中繼鏈路的建立采用了以上協(xié)議中的單工狀態(tài)。著陸火星后，火星車與環(huán)繞器的器間通信采用全雙工的工作狀態(tài)。

3）信號調(diào)制及編碼

器間通信信號采用曼徹斯特碼對殘留載波進行PM調(diào)制，該調(diào)制方式適用于帶寬不受限的近距離低碼率傳輸。

該調(diào)制方式數(shù)學(xué)形式為

其中：Pt為可用的發(fā)射機功率；ωc為載波角頻率；β為調(diào)制指數(shù) ； θc為跟蹤載波相位；m(t)為數(shù)據(jù)調(diào)制。

對于曼徹斯特碼，Pt為單位方波波形，則由于m(t)的數(shù)字特性，可得

由（2）可知，當(dāng)調(diào)制指數(shù) β=π/2時，載波分量為0，此時

即為普通的BPSK調(diào)制信號。

當(dāng)調(diào)制指數(shù)β ＜π/2時，載波分量不為0。

因此，器間通信采用小于π/2（β=1.05）的調(diào)制指數(shù)，使得調(diào)制信號與殘留載波有效分離，便于實現(xiàn)對低信噪比載波信號的提取跟蹤；同時，根據(jù)曼徹斯特碼的特點，對調(diào)制信號進行能量積分，以判別當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸能量及傳輸碼速率，以實現(xiàn)自適應(yīng)估計與解調(diào)。

同時，器間通信采用（7，1/2）卷積碼作為信道編碼方式，在Pe=1×106的誤碼率下可獲得約4.5 dB的信道編碼增益。

2.3 通信鏈路設(shè)計

2.3.1 指向及可見分析

EDL段中繼鏈路使用兩器UHF頻段頻段天線及設(shè)備進行雙向通信。兩器UHF頻段中繼天線分別存在±30°和±80°兩種波束范圍，在不同的波束范圍內(nèi)天線增益差別較大，因此，需結(jié)合兩器在任務(wù)過程中的姿態(tài)及軌道特性對器間通信鏈路覆蓋性進行分析。著陸巡視器中繼天線性能指標(biāo)如表2所示。

表2 中繼通信天線性能指標(biāo)Table 2 Performance index of relay antennas

兩器分離后至背罩分離前兩器通信相互角度關(guān)系如圖4所示。圖4中，角α為兩器幾何中心連線與環(huán)繞器機械軸夾角、角γ為兩器幾何中心連線與著陸巡視器機械軸夾角。

根據(jù)飛行過程，兩器在軌分離后直至EDL進入大氣前，著陸巡視器飛行速度方向與兩器矢量連線的夾角γ一直維持在天線覆蓋范圍之內(nèi)；從進入點開始至著陸，探測器進入艙經(jīng)歷一系列動作導(dǎo)致姿態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，著陸巡視器γ角出現(xiàn)不規(guī)律變化。指向仿真曲線如圖6所示。

圖6 EDL段天線指向仿真分析Fig.6 Simulation analysis of antenna pointing in EDL

2.3.2 信道設(shè)計

兩器分離，環(huán)繞器建立中繼姿態(tài)后，器間中繼鏈路開始建立。兩器UHF頻段收發(fā)信機均工作在單工狀態(tài)，前向和返向鏈路碼速率分別為1 kbps和2 kbps，以下對信道關(guān)鍵指標(biāo)進行分析。

1）捕獲及解調(diào)門限

對通信鏈路的載噪比進行分析，計算公式為

其中：NF為噪聲系數(shù)；PC為載波功率?？芍?，當(dāng)噪聲系數(shù)取3.5 dB時，載波捕獲門限達到?140 dBm時，C/N0為30.5 dB/Hz，系統(tǒng)可實現(xiàn)。

針對數(shù)據(jù)解調(diào)，當(dāng)碼速率為1 kbps時，解調(diào)門限為–126 dBm，此時對應(yīng)式（2）和式（4）可計算信號功率、對應(yīng)載噪比及Eb/N0，結(jié)果如下（噪聲系數(shù)取3.5）

因此，當(dāng)信道誤碼率Pe=1×10?6時，相對于理論信噪比10.6 dB，仍有2.66 dB的余量，系統(tǒng)可實現(xiàn)。

2）信道裕度

根據(jù)軌道參數(shù)及通信指標(biāo)，對EDL中繼通信任務(wù)期間通信鏈路進行信道預(yù)算如表3所示。

表3 EDL段中繼通信鏈路余量Table 3 Relay communication link margin in EDL stage

由表3可看出，為保證留有一定的信噪比余量以應(yīng)對EDL階段復(fù)雜飛行狀態(tài)導(dǎo)致的信號大幅度波動及跳變，在設(shè)計通信鏈路時，考慮較大的信道裕度。

3 在軌驗證及分析

2021年5月15 日凌晨，“天問一號”火星探測器在軌實施了兩器分離，著陸巡視器在近3 h離軌著陸段飛行以及EDL段“黑色9分鐘”后，成功著陸于火星烏托邦平原。在整個EDL任務(wù)過程中，中繼通信系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，通信鏈路全程連續(xù)未中斷。

3.1 接收信號功率及多普勒動態(tài)

圖7為從探測器兩器分離至落火過程中，進入艙及火星車UHF收發(fā)信機接收機接收信號功率的變化。在兩器建立中繼鏈路至進入火星大氣前，通信鏈路保持較穩(wěn)定狀態(tài)，信號功率在–95～–122 dBm穩(wěn)定變化。在著陸巡視器進入火星大氣后，信號出現(xiàn)較大起伏，從信號強度的每次較大起伏，結(jié)合時序分析，分別可對應(yīng)進入后兩器距離變化、等離子鞘套引起的黑障對通信信號的影響以及降落傘、背罩分離引起的著陸巡視器大角度姿態(tài)變化、火星車接力后由于天線指標(biāo)引起的信道變化等影響。

圖7 著陸段通信接收信號功率在軌實測Fig.7 Received signal power during landing

從在軌中繼鏈路接收信號功率強度與設(shè)計結(jié)果進行比對，并結(jié)合不同天線波束角下性能指標(biāo)進行分析，可得到EDL過程中兩器中繼天線的實際指向及覆蓋范圍。在進入火星大氣前，進入艙在下降過程中，姿態(tài)基本保持穩(wěn)定，進入艙背罩天線的波束范圍角在40°范圍內(nèi)，環(huán)繞器中繼姿態(tài)下，UHF頻段中繼天線的波束角范圍為30°以內(nèi)。實際信號強度結(jié)果較好驗證了天線指向仿真結(jié)果的正確性。

圖8為EDL中繼階段多普勒頻偏在軌變化情況。從兩器分離至進入點前，由于著陸巡視器速度方向及姿態(tài)較穩(wěn)定，多普勒頻偏值相對較小，基本在0.1～0.6 kHz變化。從大氣進入點開始，隨運動速度及姿態(tài)的變化，多普勒動態(tài)呈現(xiàn)急劇變化趨勢，頻偏由0.1k Hz增至±6 kHz左右。此過程中繼通信前返向鏈路保持連續(xù)，UHF收發(fā)信機接收環(huán)路穩(wěn)定跟蹤，未出現(xiàn)失鎖，實現(xiàn)了高動態(tài)跟蹤與高靈敏度解調(diào)的有機結(jié)合。

圖8 EDL段中繼多普勒頻偏在軌實測Fig.8 Doppler shift during EDL

3.2 進入段黑障影響

在進入火星大氣后，著陸巡視器周圍電磁波受到等離子鞘套影響，形成了“黑障現(xiàn)象”。圖9為著陸巡視器進入火星大氣點前后，中繼鏈路接收信號的實測結(jié)果。由圖9可看出，進入火星大氣后約100 s左右，通信接收信號出現(xiàn)明顯波動，最大信號抖動導(dǎo)致信號強度由?98 dBm劇烈下降至?139 dBm左右，下降約40 dBm左右。

在通信系統(tǒng)設(shè)計過程中，結(jié)合著陸巡視器氣動外形、飛行彈道以及進入火星大氣后的大氣密度等，進行了等離子鞘套中電子數(shù)密度仿真，見圖10。可以看出，在大氣進入過程中，電子數(shù)密度呈現(xiàn)出先增大再減小的過程，并在95 s左右時達到最大值，約16×1013/m3。電子數(shù)密度最大值出現(xiàn)的時間與在軌器間通信信號功率劇烈起伏時刻可基本對應(yīng)。在實際EDL過程中，等離子鞘套的分布并非靜止的，而是在空間維度和時間維度上均有所變化，對于這種復(fù)雜時變通信環(huán)境，在仿真系統(tǒng)中通過建立電子密度動態(tài)變化模型，對其針對具體加入曼徹斯特碼的PSK信號影響進行了分析。

圖10 等離子鞘套中電子數(shù)密度變化Fig.10 Variation of electron number density in plasma sheath

根據(jù)圖10中同步鎖定狀態(tài)遙測結(jié)果，黑障影響過程中收發(fā)信機的載波同步、幀同步處于鎖定狀態(tài)，通信鏈路未中斷，連續(xù)向環(huán)繞器發(fā)送著陸巡視器關(guān)鍵遙測參數(shù)。這意味著在通信信道計算模型中，仍存在雙方由于天線指向準(zhǔn)確性、天線性能指標(biāo)、發(fā)射功率等信道參數(shù)帶來的裕度。中繼通信鏈路在黑障影響中的實測數(shù)據(jù)情況，可以用于后續(xù)火星或其它有大氣行星探測任務(wù)中，對黑障過程等離子鞘套中的通信仿真模型的修正。

3.3 艙車通信接力

大氣進入時刻2 min后，火星車上UHF收發(fā)信機開機，隨后降落傘展開，背罩天線隨背罩分離，進入艙UHF設(shè)備關(guān)閉發(fā)射信號，火星車收發(fā)信機發(fā)射機同時開機，器間通信鏈路由進入艙通信設(shè)備及天線實時切換至火星車設(shè)備，實現(xiàn)艙車中繼鏈路通信接力。艙車通信接力在軌實測情況如圖11所示。可以看出，火星車接收信號強度在通信接力后比進入艙提高9 dB左右，與兩器天線指標(biāo)設(shè)計狀態(tài)相匹配。

圖11 EDL段拋背罩前后艙車通信接力Fig.11 Communication relay before and after back shell separation in EDL

4 結(jié)束語

作為中國首次火星探測任務(wù)中繼通信任務(wù)的工程實踐，針對關(guān)鍵任務(wù)過程EDL階段的任務(wù)特點，從系統(tǒng)最優(yōu)角度出發(fā)，對中繼通信系統(tǒng)從總體設(shè)計層面到單機技術(shù)途徑進行了有針對性的設(shè)計和驗證。中繼通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠支持了“天問一號”火星探測任務(wù)進入、下降、著陸全階段中繼通信。同時，在后續(xù)火星車在火面的全壽命任務(wù)周期工作中，有效保障了與環(huán)繞器間的中繼通信及數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器EDL段中繼通信系統(tǒng)的設(shè)計及在軌驗證，積累了寶貴的研制及工程經(jīng)驗，為后續(xù)中國行星際及更遠深空探測任務(wù)，提供了有益的參考價值與支持。同時，通過本次成功經(jīng)驗，也得到以下啟示：

1）EDL段通信過程的實現(xiàn)，需結(jié)合軟著陸段任務(wù)特點，綜合考慮軌道、探測器姿態(tài)、通信系統(tǒng)能力等因素，合理選擇多種技術(shù)措施及途徑，最大程度滿足任務(wù)對通信系統(tǒng)的要求；

2）EDL段中繼通信在任務(wù)中采用單工通信模式。結(jié)合在軌實際經(jīng)驗，后續(xù)可以考慮采用通信協(xié)議中全雙工自主通信模式，合理利用鏈路裕度，提高該階段通信質(zhì)量與數(shù)據(jù)容量；

3）任務(wù)中黑障區(qū)通信、艙車接力通信等工程實踐數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，可用于修訂目前地面仿真驗證系統(tǒng)參數(shù)，改善系統(tǒng)性能，為后續(xù)深空探測工程任務(wù)的實現(xiàn)打造更好的技術(shù)基礎(chǔ)。