我國(guó)深空原位通信工程實(shí)踐及發(fā)展展望

翟盛華 董超 田嘉 惠騰飛 李雄飛（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院）

1 引言

2021年11月，我國(guó)天問一號(hào)與歐洲航天局（ESA）“火星快車”（MEX）任務(wù)團(tuán)隊(duì)合作，開展了“祝融”火星車與“火星快車”軌道器在軌中繼通信試驗(yàn)，取得圓滿成功。

試驗(yàn)前，雙方向各自探測(cè)器通過上行指令做好工作準(zhǔn)備。在約定時(shí)刻，由“祝融”向“火星快車”發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，通信距離約4000km，通信時(shí)長(zhǎng)10min?！盎鹦强燔嚒苯邮諗?shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給歐洲航天局所屬深空測(cè)控站，測(cè)控站接收后發(fā)送給歐洲空間操作中心（ESOC），ESOC再轉(zhuǎn)發(fā)至北京航天飛行控制中心，由中方技術(shù)團(tuán)隊(duì)解譯后，判讀數(shù)據(jù)的正確性。

“祝融”和“火星快車”中繼通信示意圖

2 原位通信概述

原位通信的概念

原位通信是指被探測(cè)星體附近及表面探測(cè)器之間的通信鏈路，一般用于環(huán)繞器、著陸器、巡視器、軌道星座以及軌道中繼衛(wèi)星之間的通信，因此也稱為器間通信。天問一號(hào)任務(wù)的圓滿成功拉開了我國(guó)行星際探測(cè)的序幕。眾所周知，行星際距離范圍內(nèi)的通信是太陽系探索的基本挑戰(zhàn)之一。以火星為例，在繞太陽運(yùn)行的過程中，地球與其之間的距離高達(dá)4×10km，大約是地球同步通信衛(wèi)星軌道的10000倍。由于無線電信號(hào)在傳輸中的衰減量與通信距離的平方成正比，導(dǎo)致火星與地球的通信比常規(guī)衛(wèi)星通信的難度呈數(shù)量級(jí)的增加。為了抵消這一巨大的空間損失，深空探測(cè)器需利用高增益天線和高功率放大器增加等效全向輻射功率（EIRP），并提高自身接收機(jī)的靈敏度，從而達(dá)到行星際探測(cè)所需的數(shù)據(jù)通信速率。

然而，對(duì)地外星體的表面進(jìn)行著陸巡視探測(cè)受制于工程的挑戰(zhàn)和向地外星體表面輸送質(zhì)量的高成本。與軌道飛行器相比，著陸巡視航天器通常只能使用體積更小、增益更低的天線，并且用于支持通信的能量和功率也更少。因此，著陸巡視航天器的直接對(duì)地通信能力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于深空探測(cè)活動(dòng)的需求。

高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?/h3>

為了對(duì)地外星體著陸巡視探測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸需求有一個(gè)直觀的了解，以一張圖片為例，360°立體全景，具有3個(gè)光譜帶，角度分辨率為10rad，每個(gè)光譜帶每像素量化12位，與人眼分辨率相當(dāng)，計(jì)算可得所需的數(shù)據(jù)量為450Mbit。

可以看出，僅一張圖片就需要如此大的數(shù)據(jù)量，更何況是其他科學(xué)探測(cè)載荷的探測(cè)數(shù)據(jù)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，從質(zhì)量和功率嚴(yán)格受限的環(huán)境中返回大量數(shù)據(jù)，原位通信提供了一種有效的解決方案。通過該技術(shù)，地外星體表面的著陸巡視器就不用支持對(duì)地的高速通信鏈路，僅需要支持一條到軌道器的高速通信鏈路，通信距離要小很多。以火星為例，對(duì)比4×10km的地火距離，火星表面的著陸巡視器和火星軌道器之間的距離一般為幾百至幾萬千米，在這種距離下，由于空間損耗大大減少，即便是一個(gè)全向天線、低功率的發(fā)射機(jī)也能支持較高的速率。

原位通信的優(yōu)勢(shì)

與直接對(duì)地通信相比，原位通信還具有其他一些優(yōu)勢(shì)。中繼軌道的航天器可在對(duì)地不可見的時(shí)間段內(nèi)為著陸巡視器提供中繼通信機(jī)會(huì)，一個(gè)明顯的例子是在火星夜間的中繼通信能力，另一個(gè)不太明顯的例子就是為火星兩極附近的著陸巡視器提供對(duì)地通信能力，由于火星的自轉(zhuǎn)軸與黃道平面的夾角約為258°，因此，火星的兩極在一個(gè)火星年中有好幾個(gè)月對(duì)地不可見。

原位通信示意圖

除此之外，原位通信還能提供基于多普勒測(cè)量的導(dǎo)航服務(wù)。例如：軌道器在飛行過程中，監(jiān)測(cè)其和著陸巡視器之間的通信鏈路信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的多普勒頻移進(jìn)行精確測(cè)量，通過計(jì)算得到著陸巡視器相對(duì)于軌道器的位置信息，最終反演出著陸巡視器在火星坐標(biāo)系下的位置信息。

技術(shù)難點(diǎn)

因此，作為目標(biāo)星體表面著陸巡視器大數(shù)據(jù)量中繼的唯一途徑，原位通信意義重大，其技術(shù)難點(diǎn)如下：

1）接收信號(hào)電平低。雖然原位通信節(jié)點(diǎn)中的航天器的距離不是非常遙遠(yuǎn)，但是由于深空探測(cè)任務(wù)中重量及功率資源的極端緊張，造成各航天器的通信信號(hào)有效發(fā)射功率和天線接收能力嚴(yán)格受限，為保證在大橢圓軌道的遠(yuǎn)端仍可以通信，需確保在極低的信號(hào)電平下仍能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行可靠的捕獲及接收。

2）自適應(yīng)大數(shù)據(jù)量中繼要求高。由于目標(biāo)星體著陸巡視器和軌道器需要在有限的弧段內(nèi)完成大數(shù)據(jù)量的中繼，如果采用固定的傳輸速率，會(huì)造成通信資源的巨大浪費(fèi)，因此需要航天器能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行多模式信號(hào)的自適應(yīng)解調(diào)譯碼及編碼調(diào)制，貼著信道通信容量的理論極限—“香農(nóng)限”最大限度地傳輸數(shù)據(jù)。

3）智能化要求程度高。由于目標(biāo)星體周邊的探測(cè)器距離地球極為遙遠(yuǎn)，而且經(jīng)常面臨各種風(fēng)險(xiǎn)，如在一個(gè)極短可見弧段內(nèi)若未收到遙控，或未發(fā)出遙測(cè)導(dǎo)致探測(cè)器未進(jìn)入保護(hù)模式（如：火夜、火星沙塵暴等），將造成探測(cè)器受損甚至失效，后果十分嚴(yán)重，因此對(duì)探測(cè)器的全自主智能化要求極高。

4）測(cè)量精度要求高。為保證對(duì)目標(biāo)星體表面著陸巡視器的準(zhǔn)確定位，需要在通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度雙向多普勒（Doppler）頻移測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到0.001Hz量級(jí)。

5）工程化能力要求高。相較于目標(biāo)星體軌道器，著陸巡視器對(duì)重量、功率及環(huán)境（如：火星大氣）適應(yīng)性的要求更苛刻。

3 國(guó)外深空原位通信現(xiàn)狀

國(guó)外深空探測(cè)從月球開始，依次探測(cè)了火星、金星、土星及冥王星等。但是考慮到目標(biāo)星體的價(jià)值和著陸巡視的可行性，目前，原位通信主要應(yīng)用于月球探測(cè)和火星探測(cè)中。

美國(guó)于1960年率先開展深空探測(cè)，實(shí)施的深空探測(cè)任務(wù)最多。在20世紀(jì)60～70年代完成了載人登月的壯舉后，停止了月球探測(cè)活動(dòng)。直到1994年再次重啟探月活動(dòng)，并先后發(fā)射了克萊門汀號(hào)（Clementine,1994年）、月球勘探者號(hào)（Lunar Prospector,1998年）、月球勘測(cè)軌道飛行器（LRO,2009年）、月球環(huán)形山觀測(cè)與感知探測(cè)器（LCROSS,2009年）、重力回溯及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（GRAIL,2011年）、月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器（LADEE,2013年）。除了月球探測(cè)任務(wù)，美國(guó)還參與并實(shí)施了多次火星探測(cè)任務(wù)，如：火星奧德賽號(hào)（Odssey）、洞察號(hào)（Insight）和毅力號(hào)（Perseverance）等?？傮w上，美國(guó)在深空探測(cè)原位通信領(lǐng)域取得的成果最為豐富。

俄羅斯在月球、金星和火星探測(cè)方面發(fā)射次數(shù)多，探測(cè)方式多樣，取得了引人矚目的成績(jī)，但絕大多數(shù)探測(cè)任務(wù)均集中在冷戰(zhàn)時(shí)期。隨著2012年“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任務(wù)的失利，俄羅斯開始全面審視其深空探測(cè)計(jì)劃，以期在未來的航天活動(dòng)中取得進(jìn)展和突破。目前，俄羅斯無人月球探測(cè)規(guī)劃了“月球-資源”（Luna-Resource）和“月球-水珠”（Luna-Glob）任務(wù)，具體包括月球-25、26和27等探測(cè)器。俄羅斯航天局當(dāng)前正在建造月球-25著陸器，旨在對(duì)未來建立月球基地進(jìn)行位置評(píng)估?；鹦翘綔y(cè)方面，俄羅斯參與或獨(dú)立實(shí)施的任務(wù)有“火星生物學(xué)”（ExoMars）任務(wù)，以及2022年以后實(shí)施的福布斯-土壤-2（Phobos-Grunt-2）火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)。

歐洲航天局在2004年發(fā)布了“曙光”（Dawn）深空探測(cè)專項(xiàng)計(jì)劃，其長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是載人火星飛行?！笆锕狻庇?jì)劃的旗艦任務(wù)包括在火星表面著陸，進(jìn)行生物學(xué)研究的“火星生物學(xué)”、月球著陸任務(wù)和火星采樣返回任務(wù)。目前，“火星生物學(xué)”第一階段任務(wù)已執(zhí)行完畢，“火星生物學(xué)”第二階段任務(wù)預(yù)計(jì)將在2022年發(fā)射俄羅斯與歐洲航天局聯(lián)合研制的著陸平臺(tái)和火星車，主要任務(wù)是對(duì)火星土壤和巖石進(jìn)行鉆孔采樣分析。

以上任務(wù)中的探測(cè)器均涉及原位通信，由于原位通信通常包括不同國(guó)家的不同航天器，考慮到國(guó)際合作的需要并進(jìn)一步提高人類探測(cè)地外星體的效率，國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）規(guī)定了地外星體臨近空間中繼通信的體制協(xié)議（CCSDS Proximity-1）。目前，全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)均遵循此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

4 我國(guó)深空原位通信工程實(shí)踐

截至目前，我國(guó)深空原位通信已經(jīng)應(yīng)用于嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)、天問一號(hào)任務(wù)中，并取得了良好的效果。

嫦娥三號(hào)著陸器特高頻（UHF）頻段接收機(jī)位于著陸器上，用于實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)3km的遙測(cè)及數(shù)傳信號(hào)的接收，通信鏈路為巡視器至著陸器單向鏈路。UHF接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了1024bit/s、200kbit/s、400kbit/s、800kbit/s多檔數(shù)據(jù)速率的接收與正確解調(diào)，信號(hào)接收靈敏度達(dá)到-125dBm。

嫦娥四號(hào)著陸器月面通信系統(tǒng)除應(yīng)具備支持3km最遠(yuǎn)通信距離的任務(wù)需求外，還需滿足兩器對(duì)接狀態(tài)下200kbit/s碼速率的近距離通信需求，故對(duì)功率動(dòng)態(tài)范圍提出了嚴(yán)苛要求，需至少實(shí)現(xiàn)-125～-5dBm的大動(dòng)態(tài)范圍功率適應(yīng)性，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到120dB以上。為此，嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)在嫦娥三號(hào)月面通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加UHF頻段開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可通過指令設(shè)置其傳輸通道內(nèi)的插損值。衰減值的確定充分考慮了系統(tǒng)工作的功能性能和電磁兼容需求，可保證接收機(jī)入口電平的安全裕度在20dB以上，同時(shí)避免了高插損模式下信號(hào)泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。

“祝融”火星車的UHF頻段收發(fā)信機(jī)，在嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)UHF接收機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和復(fù)雜協(xié)議處理等工作。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)突破：

1）接收靈敏度大幅提升。實(shí)現(xiàn)了載波捕獲跟蹤靈敏度-141dBm的指標(biāo)；

2）增加了體制協(xié)議處理單元，完成CCSDS Proximity-1協(xié)議的各項(xiàng)內(nèi)容，含接入體制的動(dòng)態(tài)配置、雙向自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）、信道及載波速率的配置、通信參數(shù)的變更等；

嫦娥三號(hào)原位通信示意圖

嫦娥四號(hào)原位通信示意圖

天問一號(hào)火星車與環(huán)繞器原位通信示意圖

3）增加了發(fā)射信號(hào)處理、功率放大單元，實(shí)現(xiàn)了40.5dBm的發(fā)射功率；

4）增加了微波雙工網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了高隔離度小型化收發(fā)雙工處理。

“祝融”火星車的UHF頻段收發(fā)信機(jī)作為我國(guó)原位通信工程實(shí)踐的集大成者，其采用了如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）采用超高靈敏度高動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的捕獲、跟蹤及同步。

2）采用多維自適應(yīng)變速率通信方法，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)多速率檔自適應(yīng)通信。

3）基于CCSDS Proximity-1的復(fù)雜協(xié)議處理方法，實(shí)現(xiàn)了全雙工、半雙工、單工等多種通信模式。

4）采用高收發(fā)隔離小型化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)約束下的收發(fā)一體隔離設(shè)計(jì)。

下文分別對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

超高靈敏度高動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤方法

在天問一號(hào)探測(cè)任務(wù)中，“祝融”火星車需要與環(huán)繞器進(jìn)行中繼通信。由于火星環(huán)繞器運(yùn)行在大橢圓軌道，為了在遠(yuǎn)火弧段仍可以通過器間中繼鏈路進(jìn)行通信，回傳“祝融”的關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)，需要保證在極低的信號(hào)電平下仍能夠可靠完成信號(hào)的捕獲和接收。

“祝融”火星車與環(huán)繞器之間的物理層通信遵循CCSDS Proximity-1物理層標(biāo)準(zhǔn)，采用基于殘留載波的相位調(diào)制方式。針對(duì)采用曼徹斯特編碼的殘留載波調(diào)制方式的特點(diǎn)，通過精細(xì)濾波和窄帶寬環(huán)路跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的提取跟蹤。

低信噪比解調(diào)的核心問題是高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的捕獲、跟蹤及穩(wěn)定同步。在“祝融”火星車UHF頻段收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用了多種手段和方法來實(shí)現(xiàn)高靈敏度和大動(dòng)態(tài)的要求：

1）采用低噪聲系數(shù)高增益通道設(shè)計(jì)，通過多級(jí)協(xié)同放大濾波、精細(xì)化諧雜波控制等手段，實(shí)現(xiàn)70dB以上的通道增益，以保證后端數(shù)字信號(hào)處理的有效性。

2）通過多級(jí)數(shù)字濾波抽取模塊，一方面提取出各速率檔對(duì)應(yīng)的有效信號(hào)，另一方面將除載波以外的其他信息全部濾除，可實(shí)現(xiàn)對(duì)極低信噪比信號(hào)的跟蹤。

3）針對(duì)殘留載波調(diào)制的特點(diǎn)，采用獨(dú)特的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將載波與調(diào)制信號(hào)精準(zhǔn)分離，針對(duì)分離出的載波，利用自適應(yīng)變參環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)的大動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)捕獲與跟蹤。

4）針對(duì)殘留載波調(diào)制的特點(diǎn)，利用高精度相位估計(jì)校正技術(shù)，將載波信號(hào)鎖定在同相支路，信息信號(hào)鎖定在正交支路，避免相位翻轉(zhuǎn)的問題，減小了處理復(fù)雜度。

5）采用基于定時(shí)誤差估計(jì)的變速率多級(jí)位同步估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)針對(duì)可變速率的大動(dòng)態(tài)低處理損失位同步估計(jì)。

基于以上系列技術(shù)的緊密配合，“祝融”火星車UHF頻段收發(fā)信機(jī)綜合實(shí)現(xiàn)了-141dBm的超高靈敏度信號(hào)捕獲與接收，實(shí)現(xiàn)了-140dBm低電平的載波跟蹤，功率動(dòng)態(tài)范圍不小于100dB，頻偏適應(yīng)范圍達(dá)到±26kHz，頻偏變化率適應(yīng)范圍優(yōu)于±100Hz/s。

多維自適應(yīng)變速率通信方法

對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)，由于通信距離極遠(yuǎn)，地面的遙控指令有較大時(shí)延，例如：火星和地球之間的最遠(yuǎn)距離為4×10km，光行時(shí)約為22min，而且因?yàn)楹偷厍蚩梢娀《螘r(shí)間有限，不能實(shí)時(shí)控制，因此主要依靠探測(cè)器之間的自主通信。但是，由于探測(cè)器之間可見弧段內(nèi)信道特性變化十分劇烈，固定的速率配置模式會(huì)導(dǎo)致在信道特性好的時(shí)候仍用較低檔的速率傳輸，造成通信資源的巨大浪費(fèi)，也很難滿足有限的可見弧段內(nèi)海量數(shù)據(jù)的傳輸需求，因此要求深空探測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行多模式信號(hào)的自適應(yīng)解調(diào)譯碼及編碼調(diào)制。

相較于傳統(tǒng)的固定速率、固定編碼調(diào)制方式而言，多模式信號(hào)自適應(yīng)變速率通信技術(shù)需適應(yīng)多種編碼方式、調(diào)制方式以及信道速率，使得探測(cè)器必須綜合考慮多種模式信號(hào)的特點(diǎn)，優(yōu)化捕獲算法、跟蹤算法、位同步算法、譯碼算法及編碼調(diào)制算法的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致星上處理硬件復(fù)雜度及軟件復(fù)雜度都有了很大程度的增加。

綜合考慮多模式信號(hào)的處理特點(diǎn)以及星上處理復(fù)雜度等約束條件，“祝融”火星車UHF頻段收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)了一種基于CCSDS Proximity-1體制的多維自適應(yīng)變速率通信技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)為：一是采用基于曼徹斯特編碼的極簡(jiǎn)信噪比估計(jì)算法，通過對(duì)能量積分的判決，判斷出當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)的速率，從而實(shí)現(xiàn)多模式信號(hào)的自適應(yīng)接收；二是采用多維自適應(yīng)變速率編碼調(diào)制架構(gòu)統(tǒng)型設(shè)計(jì)，通過速率適配、編碼調(diào)制模式控制、幀控制、控制信號(hào)復(fù)接及多模式預(yù)失真，實(shí)現(xiàn)了多模式信號(hào)的自適應(yīng)發(fā)射。

基于CCSDS Proximity-1的復(fù)雜協(xié)議處理方法

CCSDS Proximity-1協(xié)議主要由3個(gè)部分組成，分別是：《臨近空間鏈路協(xié)議-物理層》《臨近空間鏈路協(xié)議-數(shù)據(jù)鏈路層》和《臨近空間鏈路協(xié)議-編碼與同步子層》，其支持全雙工模式、半雙工模式和單工模式。

在全雙工模式下，通信雙方數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同時(shí)發(fā)生的。通信雙方首先在既定的信道進(jìn)行握手動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)通信自主建立。在建立后執(zhí)行雙向自動(dòng)重傳操作（ARQ）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠傳輸，并通過速率自適應(yīng)切換實(shí)現(xiàn)貼著信道“香農(nóng)限”最高效的傳輸數(shù)據(jù)。

在半雙工模式下，同時(shí)只有一方發(fā)送數(shù)據(jù)另一方接收，通過轉(zhuǎn)換標(biāo)志（Token）機(jī)制實(shí)現(xiàn)發(fā)射方和接收方的角色互換，其余機(jī)制同全雙工模式相同。

相較于全雙工和半雙工模式，單工模式簡(jiǎn)單且穩(wěn)定，是當(dāng)前深空通信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的工作方式，對(duì)多變的深空信道環(huán)境也有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在協(xié)議通信單工模式中，指定的發(fā)送方或接收方只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，且由于沒有返回鏈路，所以不用發(fā)送信令信息，在固定的信道就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

高收發(fā)隔離小型化設(shè)計(jì)方法

火星探測(cè)任務(wù)中，達(dá)到其入軌的燃料消耗遠(yuǎn)大于一般的低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛(wèi)星，因此對(duì)產(chǎn)品的重量提出了極為嚴(yán)苛的要求。為了從系統(tǒng)上降低重量，要求收發(fā)共用天線，結(jié)合探測(cè)器的高靈敏度，從而對(duì)收發(fā)隔離的指標(biāo)要求極高。為了從產(chǎn)品本身降低重量，衍生出單機(jī)產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)，而這些都需要在高可靠的前提下進(jìn)行，難度與復(fù)雜度極大。

針對(duì)火星探測(cè)任務(wù)中對(duì)輕小型化極為嚴(yán)苛的要求，“祝融”火星車UHF頻段收發(fā)信機(jī)提出了一種高收發(fā)隔離小型化設(shè)計(jì)技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)以功能維度分割單機(jī)的設(shè)計(jì)方法，基于統(tǒng)一架構(gòu)，將電源、數(shù)字處理、收發(fā)通道、頻綜、固放和微波無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高集成化設(shè)計(jì)，并通過發(fā)射通道濾波設(shè)計(jì)、接收通道濾波設(shè)計(jì)和微波無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)了高收發(fā)隔離，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)及單機(jī)級(jí)極限優(yōu)化，將一個(gè)子系統(tǒng)集成為一臺(tái)單機(jī)。

由于CCSDS Proximity-1采用UHF頻段，收發(fā)頻率最近間隔只有20MHz。固態(tài)放大器的輸出功率約為42dBm，接收靈敏度達(dá)到-140dBm，接收與發(fā)射信號(hào)的功率差值在180dB以上?？紤]到頻率間距小、收發(fā)功率差極大，因此為實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用天線的設(shè)計(jì)，最核心的問題便是收發(fā)隔離的設(shè)計(jì)。收發(fā)隔離設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是接收濾波器和發(fā)射濾波器的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)最終采用小型化介質(zhì)雙工器的方案，在重量、體積盡量小的約束下，實(shí)現(xiàn)上述雙工指標(biāo)。

5 發(fā)展展望

“嫦娥”系列任務(wù)和天問一號(hào)任務(wù)的圓滿成功使我國(guó)成為繼美國(guó)之后在月球和火星全面驗(yàn)證與應(yīng)用原位通信技術(shù)的國(guó)家，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)原位通信系統(tǒng)從試驗(yàn)驗(yàn)證到裝備應(yīng)用的重大跨越，積累了豐富的在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)，為我國(guó)后續(xù)載人登月、火星采樣返回等重大工程提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和豐富的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)。該項(xiàng)技術(shù)的突破和產(chǎn)品的成功應(yīng)用，提升了我國(guó)在深空通信領(lǐng)域的自主可控能力及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著人類深空探測(cè)的進(jìn)一步推進(jìn)，火星以及其他目標(biāo)星體周邊的探測(cè)器數(shù)量會(huì)越來越多，國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)正在起草CCSDS Proximity-1協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層部分，基于CCSDS Proximity-1的通信將逐漸從航天器之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信演變?yōu)槟繕?biāo)星體周邊的原位通信網(wǎng)絡(luò)。