【技術(shù)·火星航天】世界火星探測導(dǎo)航與通信技術(shù)簡介
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致知計劃致知計劃之科技自立季火星及其周圍空間是人類在行星空間探測活動最活躍、最頻繁的區(qū)域之一。眾多火星任務(wù)的飛行導(dǎo)航與通信手段，主要還是通過無線電微波鏈路在國際電信聯(lián)盟（
International Telecommunication Union，ITU）劃定頻段內(nèi)開展和實現(xiàn)。微波手段幾十年來已經(jīng)從單一的星地鏈路方式發(fā)展出了星地開環(huán)、地-星-火中繼，以及僅僅依賴星間鏈路的ELECTRA（軟件定義無線電自主可重構(gòu)深空通信導(dǎo)航定位授時一體化模組包）導(dǎo)航通信技術(shù)。1990年代以來的火星探測任務(wù)中ELECTRA扮演了導(dǎo)航通信的關(guān)鍵角色。
01星地微波鏈路導(dǎo)航與通信
地火空間通信導(dǎo)航的經(jīng)典電磁波段是微波頻段，主要在ITU規(guī)定的UHF、S、X、Ka波段通過閉環(huán)或開環(huán)鏈路方式實現(xiàn)。其中使用比較多的是統(tǒng)一S波段通信測控體制（Unified S-Band，USB）和統(tǒng)一X波段通信測控體制（Unified X-Band，UXB），借助地球全球覆蓋的地面深空站，單獨或聯(lián)合在S、X頻段開展對火星探測器的測量、通信和飛行控制。其特點是技術(shù)成熟度高、可靠性高、成本可控、容易實現(xiàn)。在地面站使用原子鐘支持下，可以借助地-星-地之間閉環(huán)雙程或者開環(huán)三程鏈路，高精度地測量探測器與地面站之間的視線方向上的運動速度和距離。
在考慮應(yīng)急測控通信導(dǎo)航時，探測器使用UHF或者S波段全向通信模式，信號空間傳輸衰減慢，在較低精度下借助窄通信信道，實現(xiàn)應(yīng)急業(yè)務(wù)。而Ka波段的使用，可以把對地的下行通信帶寬從兆比特每秒提升到數(shù)百兆比特每秒。
針對包括火星探測在內(nèi)的深空探測需求，目前國際上穩(wěn)定運行著美國、歐洲和中國的完備的深空測控地面站系統(tǒng)。另外，俄羅斯、日本、印度等國還建有各自的深空測控地面站系統(tǒng)，可以在前三者的合作支持下實現(xiàn)全天覆蓋的對深空探測器的飛行控制和導(dǎo)航通信業(yè)務(wù)。美國的空間探測活動由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的空間通信與導(dǎo)航（SCaN）網(wǎng)絡(luò)提供通信導(dǎo)航支持，SCaN 網(wǎng)絡(luò)由三個網(wǎng)絡(luò)組成：深空網(wǎng)（DSN）、空間網(wǎng)（SN）和近地網(wǎng)（NEN），用戶一般根據(jù)任務(wù)需求選擇一個或多個網(wǎng)絡(luò)提供所需服務(wù)。深空網(wǎng)由全球分布的大口徑天線地面站組成，為地球同步軌道到太陽系邊緣用戶任務(wù)平臺提供連續(xù)通信覆蓋。深空網(wǎng)重點關(guān)注從自然天體噪聲中檢測和分辨微弱信號，針對近地域之外的深空量級距離捕獲數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。我國深空測控地面站的地面數(shù)據(jù)接收站主要采用USB和UXB模式，個別站配置了Ka波段的測量與通信接收裝備。
美、俄以及日本等在早期的火星探測中發(fā)現(xiàn)，僅僅依賴星-地鏈路徑向測量對于火星距離上的飛控導(dǎo)航而言，對軌道的測量控制精度非常差，極大可能導(dǎo)致探測器飛抵火星時會撞擊到火星上或者飛掠離去不知所蹤。導(dǎo)致這種情況的主要原因是：約束三維飛行彈道的測量數(shù)據(jù)僅僅來自視線方向一維，對垂直與徑向兩個正交的橫向方向約束極弱，導(dǎo)致彈道積分預(yù)報大幅度偏離預(yù)期。
為了抑制火星探測導(dǎo)航中的彈道橫向測量偏差、進而改進軌道預(yù)報精度，在僅僅使用地面手段的時代，使用測量差分技術(shù)獲取探測器高精度橫向位置的手段應(yīng)運而生。美國深空測控站網(wǎng)的專家們針對這一發(fā)展需求，研制研發(fā)了差分單向測速、差分單向測距、差分雙-三向測速、差分雙-三向測距技術(shù)，并且在早期借助使用通信載波、副載波、測距調(diào)制音信號的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來專用的甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）用下行人工信號調(diào)制體制。在星上使用鎖相轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)生一體機技術(shù)，靈活地實現(xiàn)了統(tǒng)一S或X波段測控通信體制下的火星探測器導(dǎo)航技術(shù)。
然而在導(dǎo)航測量性能反面，側(cè)音頻帶窄測距精度低、寬帶偽碼透明轉(zhuǎn)發(fā)信號弱不易鎖住難以實現(xiàn)測距。近年來，伴隨著軟件無線技術(shù)的飛速發(fā)展，制約深空探測閉環(huán)測距精度提升的一個問題也得到了解決。工程師融合了閉環(huán)鏈路不失鎖、偽碼測距精度高的優(yōu)勢，提出并實現(xiàn)了再生偽碼寬帶測距技術(shù)，用于深空探測導(dǎo)航，實現(xiàn)了分米精度的地火導(dǎo)航測距。上述融合了USB、UXB、VLBI和再生偽碼測距的體制，已經(jīng)以國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）綠皮書形式發(fā)布，形成了國際上建議使用的行業(yè)規(guī)范。這種融合的手段，強化了火星探測微波導(dǎo)航與通信的以地基技術(shù)為主的基本策略。
由于地面測控臺站數(shù)量整體有限、大型設(shè)備更在少數(shù)，為此美國工程師們甚至實現(xiàn)了幾種更經(jīng)濟的導(dǎo)航通信策略，值得借鑒的兩種包括：(1)巡航飛行階段經(jīng)濟導(dǎo)航通信模式，即在衛(wèi)星向地面發(fā)射基于高穩(wěn)定時鐘的微弱載波組合、地面使用小天線裝備接收這些載波并積分提高信噪比，獲取衛(wèi)星狀態(tài)信息、速度信息、橫向速度和距離差分信息，僅當信號組合顯示高級別的緊急狀態(tài)時，呼叫地面大型天線和業(yè)務(wù)團隊跟蹤應(yīng)對；(2)針對火星周圍和表面多目標同時或同期導(dǎo)航、通信測控需求，地面臺站采用同波束通頻帶對多目標同步同時接收測量、通信，分時上行測控、通信。在采用相同體制前提下，這兩種策略可以數(shù)倍地提高的地面平臺對火星探測器的管控、導(dǎo)航與通信效率。
承擔我國月球與深空探測飛控任務(wù)的專家們充分認識到了上述技術(shù)需求，從一開始就把USB、UXB和VLBI融合納入我國的深空測控體制，在"嫦娥"月球探測工程和火星、小行星探測任務(wù)中使用了這種綜合的深空導(dǎo)航策略，避免了技術(shù)上的彎路、降低了測控風(fēng)險，并且在“天問一號”探測器飛控任務(wù)中增加使用了天線組陣地面接收技術(shù)，走出了一條充滿智慧的發(fā)展道路。
02火星探測中繼導(dǎo)航與通信
在著陸器或巡視器降落火星表面最后階段，可以采用光學(xué)手段進行影像匹配導(dǎo)航，規(guī)避預(yù)設(shè)路徑區(qū)域的凹凸地形、巖塊、坑洞，選擇平坦區(qū)域著陸。在巡視器正常工作時，選擇使用照相方式規(guī)劃行進路線，實現(xiàn)任務(wù)導(dǎo)航。
多數(shù)情況下，由于火星周邊探測器飛行幾何構(gòu)型、星地鏈路可視條件的遮擋干擾或破壞，會限制導(dǎo)航和通信的實施。在火星及其周邊區(qū)域，對成規(guī)模通信和導(dǎo)航定位跟蹤精度與可靠性要求越來越高，依賴傳統(tǒng)技術(shù)進行的通信、導(dǎo)航與跟蹤定位已不能滿足需要，于是對多源導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展提出了需求。
其中最為簡單的方式是借助火星長壽命軌道器[如火星全球探測器（The Mars Global Surveyor，MGS）、“奧德賽號”（Odyssey）火星軌道器和“火星快車號”（Mars Express）軌道器搭載了第一代UHF 波段中繼ELECTRA]的火星探測器對低軌道和著陸器、巡視器，開展的中繼導(dǎo)航通信。深空測控、導(dǎo)航與通信的中繼技術(shù)概念和方案，來源于美國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay SatelliteSystem，TDRSS）。TDRSS是一種位于同步軌道的中繼星座及相關(guān)地面系統(tǒng)，利用空間段和地面段為低軌用戶任務(wù)提供跟蹤和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，支持低延遲需求任務(wù)，適合持續(xù)、高數(shù)據(jù)率通信。用于火星任務(wù)時，以我國繞、落、巡一體化的“天問”火星探測為例，當火星探測器進入“落火”階段后，環(huán)繞器會和著陸巡視器分離，由著陸巡視器單獨下落。此時地面要想了解著陸巡視器在下落過程中的遙測數(shù)據(jù)，就需要依靠進入艙與環(huán)繞器間的UHF頻段雙向通信鏈路。我國的“天問”火星探測任務(wù)，選用了UHF頻段收發(fā)信機和X頻段深空應(yīng)答機實現(xiàn)這類中繼的通信測控任務(wù)。在我國的“嫦娥四號”火星探測任務(wù)中，還追加繼承使用了著陸器平臺的X波段深空應(yīng)答機與飛行在拉格朗日L2點的“鵲橋號”，實現(xiàn)中繼的通信與測量。
實際上，實現(xiàn)降落火星的美國探測器也選用了微波VHF/UHF頻段，用于火星軌道器、著陸器、巡視器之間鏈路的通信與導(dǎo)航、授時。軌道器S或X頻段應(yīng)答轉(zhuǎn)發(fā)器機與地面站建立通信導(dǎo)航鏈路，巡視器或火星車上的VHF/UHF頻段收發(fā)信機建立與軌道器之間鏈路，通過軌道器建立與地面的中繼通信、實現(xiàn)測控導(dǎo)航。
未來，預(yù)期在火星表面或附近運行的航天器將通過SCaN 體制下開發(fā)和運行的火星中繼資源接收通信、導(dǎo)航以及定位服務(wù)?；鹦侵欣^資源架構(gòu)將合并入SCaN 網(wǎng)絡(luò)，并繼續(xù)使用軌道器上的中繼通信有效載荷或?qū)Ｓ弥欣^衛(wèi)星。火星在軌中繼將支持DTN 存儲、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、無人員調(diào)度或干預(yù)下的按需訪問能力。
火星中繼架構(gòu)將具有可伸縮性，易于演進到支持載人探索以及使用高數(shù)據(jù)率設(shè)備?；谠缙趯崿F(xiàn)的航天器設(shè)計，近期射頻返向數(shù)據(jù)率可達到6 Mbit/s，通過使用功能更強的發(fā)射機和組陣天線，遠期可達到150 Mbit/s，地火距離最近時的火星與地球之間的光主干線路數(shù)據(jù)率至少可達到600 Mbit/s。
SCaN 集成網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)將形成一個能向未來空間任務(wù)提供所需通信服務(wù)的NASA 基礎(chǔ)設(shè)施。該集成網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)通過標準化、通用性和技術(shù)引入，提升SCaN 網(wǎng)絡(luò)的運行效率和互操作性。通過對該體系及相關(guān)技術(shù)的研究，可為未來空間通信系統(tǒng)的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的探索提供支持。
03星間微波鏈路導(dǎo)航
天文導(dǎo)航是行星探測可以使用的一種絕佳的備用導(dǎo)航手段，它使用探測器攜帶的光學(xué)敏感器件、參考探測器平臺與地面同步了的時鐘、借助行星歷表和空間星表，及時地確定探測器的空間姿態(tài)和探測目標如火星與自身平臺的相對空間位置，進而規(guī)劃調(diào)制飛行策略。這種技術(shù)手段在“嫦娥二號”探測器飛抵圖塔提斯（Toutatis）小行星附近時開展過初步探索，這次在“天問”火星探測任務(wù)中得到了實證檢驗。
火星探測器的飛行控制、通信導(dǎo)航是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從“天問”探測任務(wù)成功實施后的宣傳就可見一斑。在“天問一號”探測器之前，歐洲、印度都有獨自發(fā)射火星探測器的經(jīng)歷，其中的成功者對飛行測控的宣傳非常低調(diào)。這并非是他們的業(yè)務(wù)駕輕就熟，而是實際上除了天文導(dǎo)航這種經(jīng)典的手段方法，美國長期的火星探測歷史上，已經(jīng)發(fā)展出一種更可靠、精確、穩(wěn)定的火星周邊導(dǎo)航與通信技術(shù)——火星周邊可重構(gòu)通信導(dǎo)航定位授時一體化通用的ELECTRA導(dǎo)航與通信技術(shù)。這項技術(shù)是SCaN 網(wǎng)絡(luò)中深空網(wǎng)DSN和空間網(wǎng)SN的有機交叉融合。印度、歐洲在自己的火星探測任務(wù)中，購買使用了美國的ELECTRA技術(shù)設(shè)備和技術(shù)服務(wù)。在布局地球GPS導(dǎo)航衛(wèi)星體系同時，美國NASA經(jīng)歷了20多年，已經(jīng)在火星周邊維持了一個半自主運行的基于星間鏈路定位、導(dǎo)航、授時和通信衛(wèi)星星座體制架構(gòu)，用來提供支持各種火星探索計劃的深空遙遠通訊中繼和導(dǎo)航任務(wù)能力。
這個領(lǐng)域中，可以毫不夸張地說可重構(gòu)自適應(yīng)深空測控體制的星載ELECTRA技術(shù)是美國深空網(wǎng)PNT的“靈魂”。依托快速發(fā)展的軟件無線電技術(shù)和芯片技術(shù)，實現(xiàn)同類技術(shù)，結(jié)合中繼導(dǎo)航通信，可以對月球和火星探測的快速發(fā)展形成強有力的技術(shù)支撐。星載ELECTRA技術(shù)實現(xiàn)了支持火星探測不斷增長的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求，支持各種別有創(chuàng)意的火星空間小型探索項目的高效能通訊導(dǎo)航、將其信號通過中繼信道和全向天線把信息送到附近一個中繼通訊軌道器去，支持發(fā)生在苛刻任務(wù)事件的遙測數(shù)據(jù)的可靠捕獲和導(dǎo)航授時，還大幅度提升了火星探測任務(wù)入軌飛控的成功率。
目前ELECTRA技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第三代，實現(xiàn)了高性能、微小型化、模塊化配置。印度和歐洲的火星探測任務(wù)，選購了不同時代的ELECTRA功能模塊，借助美國的火星PNTC網(wǎng)絡(luò)便捷地實現(xiàn)了火星抵近和安全入軌。
ELECTRA的導(dǎo)航功能構(gòu)型圖
MAVEN火星探測任務(wù)中使用的ELECETRA載荷（NASA網(wǎng)絡(luò)公開）針對地月空間導(dǎo)航需求，并伴隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，需要發(fā)展一種新的自主和半自主的星間鏈路測控通信架構(gòu)，用來提供支持各種近地空間活動或探索計劃的通訊中繼和導(dǎo)航，這類星間可重構(gòu)通信導(dǎo)航定位授時一體化通用模塊技術(shù)具備以下功能：(1)自適應(yīng)地識別接收進來的信號之特性；(2)重構(gòu)“自己”去接收已被識別的信號；(3)避免要求從地球傳來明確的指示(有關(guān)信號的特性等)；(4)重復(fù)地結(jié)合多個接收機的參數(shù)估值，以提高其接收性能；(5) 探測器之間的時間服務(wù)功能；(6)探測器之間或中繼導(dǎo)航定位功能。在較小規(guī)模的月球和火星探測任務(wù)中，低成本高效能的星間微波自主導(dǎo)航授時和測控通信一體化技術(shù)，是僅次于地面和中繼技術(shù)的不二選擇。
該類技術(shù)設(shè)備工作在UHF、L、S、X、Ku、Ka等頻段，使用全向或中等增益天線，以及共用高增益天線，功能完全可重構(gòu)。設(shè)備載荷滿足多數(shù)碼率、開環(huán)采樣率工作設(shè)置，可以使用多種通用的調(diào)制模式以及通用的編碼模式，由濾波/開關(guān)單元、收發(fā)機/調(diào)制器、基帶處理單元和電力放大器/電力供應(yīng)單元四塊疊起的基本模塊組成。設(shè)備具備頻率捕獲、波跟蹤、載波導(dǎo)航、碼元計時恢復(fù)、維比特結(jié)點同步、碼元信噪比提取功能及其它有關(guān)子功能，皆基于可重構(gòu)編程的FPGA 芯片實現(xiàn)，工作內(nèi)容可根據(jù)需要而改變，使其成為一臺真正的可重構(gòu)軟件接收機。其重構(gòu)功能表現(xiàn)在可以自適應(yīng)地識別接收進來的信號的特性，進而重構(gòu)“自己”去接收已被識別的信號，還可以重復(fù)地結(jié)合多個接收機的參數(shù)估值，以提高其接收性能。增強版設(shè)備可以實現(xiàn)探測器間時間同步，進行相對測距測速。
它不單是為火星探索而設(shè)計，對于與月球附近的空間計劃也有很廣泛的應(yīng)用機會，作為繞月軌道器與月面漫游器、月面工作站等各種各樣設(shè)備的中繼通訊站，提供與地面通訊的間接通道。在月球衛(wèi)星和探測器上搭載ELECTRA軟件定義的無線電收發(fā)中繼設(shè)備，類似于火星探測中使用的ELECTRA自主中繼導(dǎo)航授時，服務(wù)于規(guī)模有限的載人月球探測實現(xiàn)自主的中繼導(dǎo)航授時和通信。按照星間鏈路的通信、時頻同步、測速與測距一體化方案，融合ELECTRA、導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路技術(shù)，在統(tǒng)一的框架下基于軟件無線電技術(shù)，開展這類技術(shù)的發(fā)展完善和應(yīng)用。
作者：平勁松
簡介：中國科學(xué)院國家天文臺天體無線電科學(xué)研究團組首席研究員；中國科學(xué)院百人計劃研究員，海外引進杰出人才
1996年完成學(xué)位論文“太陽系人造天體甚長基線干涉測量方法研究”，獲得理學(xué)博士學(xué)位；之后在北京師范大學(xué)天文學(xué)系從事天體測量和射電天文學(xué)教學(xué)研究工作。
1999—2005年加入日本“月女神”繞月探測計劃水澤團隊，從事月球與固體行星形狀、重力、構(gòu)造與演化的探測技術(shù)與科學(xué)研究。
2004年回國繼續(xù)從事月球行星物理、動力學(xué)和行星無線電科學(xué)探測研究，從事深空探測微波測量與時頻技術(shù)研發(fā)應(yīng)用工作。
為“螢火一號”火星探測任務(wù)提出并研發(fā)了微波單向開環(huán)測定軌技術(shù)；使用“嫦娥三號”著陸器實現(xiàn)了地月微波相位測距空間測量技術(shù)；為我國行星無線電科學(xué)實驗探測培養(yǎng)了聯(lián)合研究團隊。
文章來源：深空探測 原文名稱：【深空前沿】火星探測導(dǎo)航與通信技術(shù)。
