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火星及其周围空间是人类在行星空间探测活动最活跃、最频繁的区域之一。众多火星任务的飞行导航与通信手段，主要还是通过无线电微波链路在国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）划定频段内开展和实现。微波手段几十年来已经从单一的星地链路方式发展出了星地开环、地-星-火中继，以及仅仅依赖星间链路的ELECTRA（软件定义无线电自主可重构深空通信导航定位授时一体化模组包）导航通信技术。1990年代以来的火星探测任务中ELECTRA扮演了导航通信的关键角色。 01星地微波链路导航与通信地火空间通信导航的经典电磁波段是微波频段，主要在ITU规定的UHF、S、X、Ka波段通过闭环或开环链路方式实现。其中使用比较多的是统一S波段通信测控体制（Unified S-Band，USB）和统一X波段通信测控体制（Unified X-Band，UXB），借助地球全球覆盖的地面深空站，单独或联合在S、X频段开展对火星探测器的测量、通信和飞行控制。其特点是技术成熟度高、可靠性高、成本可控、容易实现。在地面站使用原子钟支持下，可以借助地-星-地之间闭环双程或者开环三程链路，高精度地测量探测器与地面站之间的视线方向上的运动速度和距离。 在考虑应急测控通信导航时，探测器使用UHF或者S波段全向通信模式，信号空间传输衰减慢，在较低精度下借助窄通信信道，实现应急业务。而Ka波段的使用，可以把对地的下行通信带宽从兆比特每秒提升到数百兆比特每秒。 针对包括火星探测在内的深空探测需求，目前国际上稳定运行着美国、欧洲和中国的完备的深空测控地面站系统。另外，俄罗斯、日本、印度等国还建有各自的深空测控地面站系统，可以在前三者的合作支持下实现全天覆盖的对深空探测器的飞行控制和导航通信业务。美国的空间探测活动由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的空间通信与导航（SCaN）网络提供通信导航支持，SCaN 网络由三个网络组成：深空网（DSN）、空间网（SN）和近地网（NEN），用户一般根据任务需求选择一个或多个网络提供所需服务。深空网由全球分布的大口径天线地面站组成，为地球同步轨道到太阳系边缘用户任务平台提供连续通信覆盖。深空网重点关注从自然天体噪声中检测和分辨微弱信号，针对近地域之外的深空量级距离捕获数据进行优化。我国深空测控地面站的地面数据接收站主要采用USB和UXB模式，个别站配置了Ka波段的测量与通信接收装备。 美、俄以及日本等在早期的火星探测中发现，仅仅依赖星-地链路径向测量对于火星距离上的飞控导航而言，对轨道的测量控制精度非常差，极大可能导致探测器飞抵火星时会撞击到火星上或者飞掠离去不知所踪。导致这种情况的主要原因是：约束三维飞行弹道的测量数据仅仅来自视线方向一维，对垂直与径向两个正交的横向方向约束极弱，导致弹道积分预报大幅度偏离预期。 为了抑制火星探测导航中的弹道横向测量偏差、进而改进轨道预报精度，在仅仅使用地面手段的时代，使用测量差分技术获取探测器高精度横向位置的手段应运而生。美国深空测控站网的专家们针对这一发展需求，研制研发了差分单向测速、差分单向测距、差分双-三向测速、差分双-三向测距技术，并且在早期借助使用通信载波、副载波、测距调制音信号的基础上，发展起来专用的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）用下行人工信号调制体制。在星上使用锁相转发和发生一体机技术，灵活地实现了统一S或X波段测控通信体制下的火星探测器导航技术。 然而在导航测量性能反面，侧音频带窄测距精度低、宽带伪码透明转发信号弱不易锁住难以实现测距。近年来，伴随着软件无线技术的飞速发展，制约深空探测闭环测距精度提升的一个问题也得到了解决。工程师融合了闭环链路不失锁、伪码测距精度高的优势，提出并实现了再生伪码宽带测距技术，用于深空探测导航，实现了分米精度的地火导航测距。上述融合了USB、UXB、VLBI和再生伪码测距的体制，已经以国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）绿皮书形式发布，形成了国际上建议使用的行业规范。这种融合的手段，强化了火星探测微波导航与通信的以地基技术为主的基本策略。 由于地面测控台站数量整体有限、大型设备更在少数，为此美国工程师们甚至实现了几种更经济的导航通信策略，值得借鉴的两种包括：(1)巡航飞行阶段经济导航通信模式，即在卫星向地面发射基于高稳定时钟的微弱载波组合、地面使用小天线装备接收这些载波并积分提高信噪比，获取卫星状态信息、速度信息、横向速度和距离差分信息，仅当信号组合显示高级别的紧急状态时，呼叫地面大型天线和业务团队跟踪应对；(2)针对火星周围和表面多目标同时或同期导航、通信测控需求，地面台站采用同波束通频带对多目标同步同时接收测量、通信，分时上行测控、通信。在采用相同体制前提下，这两种策略可以数倍地提高的地面平台对火星探测器的管控、导航与通信效率。 承担我国月球与深空探测飞控任务的专家们充分认识到了上述技术需求，从一开始就把USB、UXB和VLBI融合纳入我国的深空测控体制，在"嫦娥"月球探测工程和火星、小行星探测任务中使用了这种综合的深空导航策略，避免了技术上的弯路、降低了测控风险，并且在“天问一号”探测器飞控任务中增加使用了天线组阵地面接收技术，走出了一条充满智慧的发展道路。  02火星探测中继导航与通信在着陆器或巡视器降落火星表面最后阶段，可以采用光学手段进行影像匹配导航，规避预设路径区域的凹凸地形、岩块、坑洞，选择平坦区域着陆。在巡视器正常工作时，选择使用照相方式规划行进路线，实现任务导航。 多数情况下，由于火星周边探测器飞行几何构型、星地链路可视条件的遮挡干扰或破坏，会限制导航和通信的实施。在火星及其周边区域，对成规模通信和导航定位跟踪精度与可靠性要求越来越高，依赖传统技术进行的通信、导航与跟踪定位已不能满足需要，于是对多源导航定位技术的发展提出了需求。 其中最为简单的方式是借助火星长寿命轨道器[如火星全球探测器（The Mars Global Surveyor，MGS）、“奥德赛号”（Odyssey）火星轨道器和“火星快车号”（Mars Express）轨道器搭载了第一代UHF 波段中继ELECTRA]的火星探测器对低轨道和着陆器、巡视器，开展的中继导航通信。深空测控、导航与通信的中继技术概念和方案，来源于美国跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay SatelliteSystem，TDRSS）。TDRSS是一种位于同步轨道的中继星座及相关地面系统，利用空间段和地面段为低轨用户任务提供跟踪和数据中继服务，支持低延迟需求任务，适合持续、高数据率通信。用于火星任务时，以我国绕、落、巡一体化的“天问”火星探测为例，当火星探测器进入“落火”阶段后，环绕器会和着陆巡视器分离，由着陆巡视器单独下落。此时地面要想了解着陆巡视器在下落过程中的遥测数据，就需要依靠进入舱与环绕器间的UHF频段双向通信链路。我国的“天问”火星探测任务，选用了UHF频段收发信机和X频段深空应答机实现这类中继的通信测控任务。在我国的“嫦娥四号”火星探测任务中，还追加继承使用了着陆器平台的X波段深空应答机与飞行在拉格朗日L2点的“鹊桥号”，实现中继的通信与测量。 实际上，实现降落火星的美国探测器也选用了微波VHF/UHF频段，用于火星轨道器、着陆器、巡视器之间链路的通信与导航、授时。轨道器S或X频段应答转发器机与地面站建立通信导航链路，巡视器或火星车上的VHF/UHF频段收发信机建立与轨道器之间链路，通过轨道器建立与地面的中继通信、实现测控导航。 未来，预期在火星表面或附近运行的航天器将通过SCaN 体制下开发和运行的火星中继资源接收通信、导航以及定位服务。火星中继资源架构将合并入SCaN 网络，并继续使用轨道器上的中继通信有效载荷或专用中继卫星。火星在轨中继将支持DTN 存储、转发网络服务、无人员调度或干预下的按需访问能力。 火星中继架构将具有可伸缩性，易于演进到支持载人探索以及使用高数据率设备。基于早期实现的航天器设计，近期射频返向数据率可达到6 Mbit/s，通过使用功能更强的发射机和组阵天线，远期可达到150 Mbit/s，地火距离最近时的火星与地球之间的光主干线路数据率至少可达到600 Mbit/s。 SCaN 集成网络体系架构将形成一个能向未来空间任务提供所需通信服务的NASA 基础设施。该集成网络体系架构通过标准化、通用性和技术引入，提升SCaN 网络的运行效率和互操作性。通过对该体系及相关技术的研究，可为未来空间通信系统的发展及相关技术领域的探索提供支持。 03星间微波链路导航天文导航是行星探测可以使用的一种绝佳的备用导航手段，它使用探测器携带的光学敏感器件、参考探测器平台与地面同步了的时钟、借助行星历表和空间星表，及时地确定探测器的空间姿态和探测目标如火星与自身平台的相对空间位置，进而规划调制飞行策略。这种技术手段在“嫦娥二号”探测器飞抵图塔提斯（Toutatis）小行星附近时开展过初步探索，这次在“天问”火星探测任务中得到了实证检验。 火星探测器的飞行控制、通信导航是一个非常复杂的系统工程，从“天问”探测任务成功实施后的宣传就可见一斑。在“天问一号”探测器之前，欧洲、印度都有独自发射火星探测器的经历，其中的成功者对飞行测控的宣传非常低调。这并非是他们的业务驾轻就熟，而是实际上除了天文导航这种经典的手段方法，美国长期的火星探测历史上，已经发展出一种更可靠、精确、稳定的火星周边导航与通信技术——火星周边可重构通信导航定位授时一体化通用的ELECTRA导航与通信技术。这项技术是SCaN 网络中深空网DSN和空间网SN的有机交叉融合。印度、欧洲在自己的火星探测任务中，购买使用了美国的ELECTRA技术设备和技术服务。在布局地球GPS导航卫星体系同时，美国NASA经历了20多年，已经在火星周边维持了一个半自主运行的基于星间链路定位、导航、授时和通信卫星星座体制架构，用来提供支持各种火星探索计划的深空遥远通讯中继和导航任务能力。 这个领域中，可以毫不夸张地说可重构自适应深空测控体制的星载ELECTRA技术是美国深空网PNT的“灵魂”。依托快速发展的软件无线电技术和芯片技术，实现同类技术，结合中继导航通信，可以对月球和火星探测的快速发展形成强有力的技术支撑。星载ELECTRA技术实现了支持火星探测不断增长的科学数据传输带宽的需求，支持各种别有创意的火星空间小型探索项目的高效能通讯导航、将其信号通过中继信道和全向天线把信息送到附近一个中继通讯轨道器去，支持发生在苛刻任务事件的遥测数据的可靠捕获和导航授时，还大幅度提升了火星探测任务入轨飞控的成功率。 目前ELECTRA技术已经发展到了第三代，实现了高性能、微小型化、模块化配置。印度和欧洲的火星探测任务，选购了不同时代的ELECTRA功能模块，借助美国的火星PNTC网络便捷地实现了火星抵近和安全入轨。   针对地月空间导航需求，并伴随着软件无线电技术的发展，需要发展一种新的自主和半自主的星间链路测控通信架构，用来提供支持各种近地空间活动或探索计划的通讯中继和导航，这类星间可重构通信导航定位授时一体化通用模块技术具备以下功能：(1)自适应地识别接收进来的信号之特性；(2)重构“自己”去接收已被识别的信号；(3)避免要求从地球传来明确的指示(有关信号的特性等)；(4)重复地结合多个接收机的参数估值，以提高其接收性能；(5) 探测器之间的时间服务功能；(6)探测器之间或中继导航定位功能。在较小规模的月球和火星探测任务中，低成本高效能的星间微波自主导航授时和测控通信一体化技术，是仅次于地面和中继技术的不二选择。 该类技术设备工作在UHF、L、S、X、Ku、Ka等频段，使用全向或中等增益天线，以及共用高增益天线，功能完全可重构。设备载荷满足多数码率、开环采样率工作设置，可以使用多种通用的调制模式以及通用的编码模式，由滤波/开关单元、收发机/调制器、基带处理单元和电力放大器/电力供应单元四块叠起的基本模块组成。设备具备频率捕获、波跟踪、载波导航、码元计时恢复、维比特结点同步、码元信噪比提取功能及其它有关子功能，皆基于可重构编程的FPGA 芯片实现，工作内容可根据需要而改变，使其成为一台真正的可重构软件接收机。其重构功能表现在可以自适应地识别接收进来的信号的特性，进而重构“自己”去接收已被识别的信号，还可以重复地结合多个接收机的参数估值，以提高其接收性能。增强版设备可以实现探测器间时间同步，进行相对测距测速。 它不单是为火星探索而设计，对于与月球附近的空间计划也有很广泛的应用机会，作为绕月轨道器与月面漫游器、月面工作站等各种各样设备的中继通讯站，提供与地面通讯的间接通道。在月球卫星和探测器上搭载ELECTRA软件定义的无线电收发中继设备，类似于火星探测中使用的ELECTRA自主中继导航授时，服务于规模有限的载人月球探测实现自主的中继导航授时和通信。按照星间链路的通信、时频同步、测速与测距一体化方案，融合ELECTRA、导航卫星星间链路技术，在统一的框架下基于软件无线电技术，开展这类技术的发展完善和应用。 作者：平劲松 简介：中国科学院国家天文台天体无线电科学研究团组首席研究员；中国科学院百人计划研究员，海外引进杰出人才
文章来源：深空探测 原文名称：【深空前沿】火星探测导航与通信技术。 |
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