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中国深空测控网光通信技术途径分析与发展展望(特约)

李海涛

李海涛. 中国深空测控网光通信技术途径分析与发展展望(特约)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20201003. doi: 10.3788/IRLA20201003
引用本文: 李海涛. 中国深空测控网光通信技术途径分析与发展展望(特约)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20201003. doi: 10.3788/IRLA20201003
Li Haitao. Technical approach analysis and development prospects of optical communication technology in China Deep Space TT&C Network(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(5): 20201003. doi: 10.3788/IRLA20201003
Citation: Li Haitao. Technical approach analysis and development prospects of optical communication technology in China Deep Space TT&C Network(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(5): 20201003. doi: 10.3788/IRLA20201003

中国深空测控网光通信技术途径分析与发展展望(特约)

doi: 10.3788/IRLA20201003
基金项目: 国家中长期科技发展规划重大专项(探月工程)
详细信息
    作者简介:

    李海涛(1973-),男,我国探月工程嫦娥四号任务测控系统总设计师、我国首次火星探测任务测控系统总设计师,硕士,主要从事深空测控技术研究和总体设计方面的研究工作。Email:lihaitao@bittt.cn

  • 中图分类号: TN929.13

Technical approach analysis and development prospects of optical communication technology in China Deep Space TT&C Network(Invited)

  • 摘要: 深空光通信是满足未来深空探测高速数据传输的主要技术途径,也是未来中国深空测控网发展的主要技术方向。特别是伴随着智能化、网络化空间通信系统的发展,射频和光通信相结合的智能空间通信网络将成为支持未来深空探测任务的核心设施。文中结合中国未来月球和深空探测发展规划,以中国现有深空测控网的任务支持能力为基础,梳理了未来深空测控光通信的需求。在充分借鉴国内外最新研究成果的基础上,全面分析了建设深空光通信系统地球终端的技术途径。结合中国国情的实际,提出了分步进行系统建设、分阶段开展工程应用,构建天地基相结合的混合深空光通信地面系统,并最终形成中国完全自主的深空光通信认知网络的发展思路。
  • 图  1  NASA深空网对不同轨道高度航天器测控覆盖示意图 [4]

    Figure  1.  Coverage of spacecraft at different orbital altitudes by NASA's Deep Space Network[4]

    图  2  中国深空测控网10°仰角测控覆盖示意[6]

    Figure  2.  Coverage of China Deep Space TT&C Network at 10° elevation[6]

    图  3  中国喀什深空站4×35 m天线组阵示意图[6]

    Figure  3.  Schematic diagram of 4×35 m antenna array of China Kashi deep space station[6]

    图  4  未来深空探测任务中对数据传输速率的需求[13]

    Figure  4.  Required for data transmission rate in deep space exploration missions[13]

    图  5  NASA深空通信能力的发展历程[16](在木星距离上)

    Figure  5.  Profile of NASA deep space communications capability[16](At Jupiter)

    图  6  NASA深空网未来所采用的提高深空通信数据接收速率的技术途径和数据传输能力提高的预期效果[17]

    Figure  6.  Technical approaches adopted by NASA DSN in the future to improve the data reception rate and the expected effect of improved data transmission capacity[17]

    图  7  从火星发射到地球的射频波束和光束扩散对比[18]

    Figure  7.  Comparison of radio frequency beam and RF beam divergence from Mars toward Earth[18]

    图  8  深空激光通信链路组成框图[21]

    Figure  8.  Block diagram of the deep space laser communication link[21]

    图  9  Aqua卫星在2002年至2015年期间每日测量的全球平均下午云层覆盖图[22]

    Figure  9.  Average global afternoon cloud cover measured daily by the Aqua satellite between 2002 and 2015[22]

    图  10  全球热带沙漠气候区域分布

    Figure  10.  Regional distribution of global tropical desert climate

    图  11  为减少天气影响导致通信中断而设计的光学地面站网实例[21]

    Figure  11.  Example of multi-site optical network designed for mitigation of weather-induced outages[21]

    图  12  单台直径为12 m的分段主望远镜概念设计与一组直径为2.2 m的等效有效直径望远镜的比较[19]

    Figure  12.  Comparison of a single 12 m diameter segmented primary telescope conceptual design (right) and an array of 2.2 m diameter telescopes for an equivalent effective diameter[19]

    图  13  DSN 34 m天线RF/光学混合孔径概念示意[23-24]

    Figure  13.  RF/ optical hybrid aperture concepts of DSN 34 m antenna[23-24]

    图  14  NASA“综合”地球同步轨道中继概念[26]

    Figure  14.  NASA "integrated" GEO relay concept[26]

    图  15  NASA超地球同步静止轨道中继概念[27]

    Figure  15.  NASA super-geosynchronous geostationary relay concept[27]

    图  16  NASA SCaN未来增强的深空任务支持[28]

    Figure  16.  NASA SCaN enhanced deep space domain capabilities[28]

    图  17  NASA空间通信认知网络示意图[29]

    Figure  17.  Schematic diagram of NASA space communications cognitive network[29]

    图  18  依托35 m深空测控天线构建射频/光学混合系统示意图[6]

    Figure  18.  Schematic diagram of 35 m deep space RF/optical hybrid system[6]

    图  19  潜在深空光通信可选地面站址的分布示意图

    Figure  19.  Distribution of potential deep space optical communication ground sites

    表  1  深空测控频段划分

    Table  1.   Frequency band allocation for deep space TT&C

    Frequency bandUplink / MHzDownlink /MHz
    S-band2 025-2 1202 200-2 300
    X-band7 145-7 2358 400-8 500
    Ka-band34 200-34 70031 800-32 300
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-02
  • 修回日期:  2020-02-26
  • 网络出版日期:  2020-04-29
  • 刊出日期:  2020-05-27

中国深空测控网光通信技术途径分析与发展展望(特约)

doi: 10.3788/IRLA20201003
    作者简介:

    李海涛(1973-),男,我国探月工程嫦娥四号任务测控系统总设计师、我国首次火星探测任务测控系统总设计师,硕士,主要从事深空测控技术研究和总体设计方面的研究工作。Email:lihaitao@bittt.cn

基金项目:  国家中长期科技发展规划重大专项(探月工程)
  • 中图分类号: TN929.13

摘要: 深空光通信是满足未来深空探测高速数据传输的主要技术途径,也是未来中国深空测控网发展的主要技术方向。特别是伴随着智能化、网络化空间通信系统的发展,射频和光通信相结合的智能空间通信网络将成为支持未来深空探测任务的核心设施。文中结合中国未来月球和深空探测发展规划,以中国现有深空测控网的任务支持能力为基础,梳理了未来深空测控光通信的需求。在充分借鉴国内外最新研究成果的基础上,全面分析了建设深空光通信系统地球终端的技术途径。结合中国国情的实际,提出了分步进行系统建设、分阶段开展工程应用,构建天地基相结合的混合深空光通信地面系统,并最终形成中国完全自主的深空光通信认知网络的发展思路。

English Abstract

    • 深空探测是指脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的探测活动。关于深空探测的定义,一种是国际电信联盟(ITU)在《无线电规则》第1.77款中关于深空的规定为距离地球大于或等于2.0×106 km的空间,这一规定从1990年3月16日起生效[1],国际空间数据咨询委员会(CCSDS)在其建议标准书中也将距离地球2.0×106 km以远的航天活动定义为B类任务(即深空任务);另一种定义为对月球及以远的天体或空间开展的探测活动[2]。中国采用了第二种定义,将月球探测作为了深空探测的起点。

      深空测控系统是用于深空探测任务航天器跟踪测量、监视控制和信息交换的专用系统,其在深空探测任务中具有不可替代的重要地位和作用 [3]。通常,将地面的多个深空测控站组成的测控网称为深空网或深空测控网,特指专门用于深空航天器测控和数据传输的专用测控网。其特点是配有大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度接收系统、信号处理系统以及高精度高稳定度时间频率系统,能完成对距离地球200万km以远深空航天器的测控任务[3]

      为了克服地球自转影响,实现对深空航天器的连续测控覆盖,深空测控网的布局通常是在全球范围内经度上间隔约120°布站,这样就可以确保对距离地球表面距离在3万km以上的航天器进行连续测控,图1所示为NASA深空网布局对不同轨道高度航天器的测控覆盖示意[4]。综合考虑跟踪弧段和天线性能等因素。综合考虑跟踪弧段和天线性能等因素,深空站的站址纬度通常选择在南北纬30~40°之间[5]。目前, 美国、欧州航天局(ESA)、中国等已经建立了深空测控网。俄罗斯、日本、印度、意大利、德国等国家也建设了自己的深空测控设备[6]

      图  1  NASA深空网对不同轨道高度航天器测控覆盖示意图 [4]

      Figure 1.  Coverage of spacecraft at different orbital altitudes by NASA's Deep Space Network[4]

      我国深空测控网是伴随着探月工程“绕、落、回”三步走的战略步伐,历经了探月工程二期建设了国内两个深空站,初步具备了独立实施深空探测任务测控支持的能力;探月工程三期建设了位于南美洲的第三个深空站,从而形成了全球布局功能体系完备的深空测控网。北京航天飞行控制中心是我国月球与深空探测任务的操作控制中心[6]

      随着深空探测任务的不断深入和探测技术水平的不断提高,深空探测任务返回的数据量需求也随之不断增大。深空测控通信的射频频率也已经最初的L频段逐步发展到了Ka频段。迄今为止,国际上深空测控通信领域的研究已经认识到,通过将工作频率迁移到明显更高的光学频率,可以实现深空通信容量扩展的下一次重大飞跃。随着我国后续月球与深空探测任务的实施[7-10],利用光通信技术提高深空数据返回能力也逐渐提上了日程。

    • 目前,我国深空测控网由西部喀什地区35 m深空站、东部佳木斯地区66 m深空站和位于阿根廷西部内乌肯省萨帕拉地区的35 m深空站组成,可以实现对深空航天器接近90%的测控通信覆盖率,如图2所示。具备支持各类月球和深空探测任务的多频段遥测、遥控、数据接收和跟踪测量等功能,是目前世界上功能完备全球布局的三大深空测控网之一。

      图  2  中国深空测控网10°仰角测控覆盖示意[6]

      Figure 2.  Coverage of China Deep Space TT&C Network at 10° elevation[6]

      我国深空测控网采用了国际标准的S、X和Ka三频段,频率范围覆盖NASA和ESA深空站的频率范围,符合国际电联和CCSDS的相关建议,如表1所示。目前S和X频段上下行链路均可用,Ka频段主要用于下行接收。我国深空测控系统在功能和性能上与美国、欧空局等所属的深空站处于同一水平[6]

      表 1  深空测控频段划分

      Table 1.  Frequency band allocation for deep space TT&C

      Frequency bandUplink / MHzDownlink /MHz
      S-band2 025-2 1202 200-2 300
      X-band7 145-7 2358 400-8 500
      Ka-band34 200-34 70031 800-32 300

      在2018年5月21日发射的嫦娥四号“鹊桥”中继星任务中,我国深空测控网首次全网执行测控任务。国内喀什35 m、佳木斯66 m和阿根廷35 m深空测控设备共同为鹊桥提供了S频段测控支持;2018年12月8日,嫦娥四号探测器成功发射,深空测控网的全部三个深空站为探测器任务提供了全程X频段测控通信支持。

      即将在2020年实施的首次火星探测任务中,我国深空测控网的测控通信支持距离将进一步延伸到4亿 km远。为了提高深空测控网的数据接收能力,我国正在喀什深空站建设3个35 m口径新天线,与原有的1个35 m天线组成天线阵系统,通过天线组阵接收技术,使得喀什深空站在X频段深空任务测控数据接收能力达到与佳木斯深空站66 m深空测控设备相当的水平,如图3所示。未来还计划在阿根廷深空站构建类似的天线阵系统,从而实现全网更强更远的测控通信能力。按照NASA“新视野号”探测器的配置开展太阳系边际探测,我国深空测控网在100 AU(1 AU≈1.496亿 km)距离上可以支持的数传码速率最大为130 bps,佳木斯深空站上行配置50 kW发射机(目前国内已经研制出样机)[11],100 AU距离上行遥控码速率最大约为160 bps,100 AU距离上行12码速率最大约为160 bps[12]

      图  3  中国喀什深空站4×35 m天线组阵示意图[6]

      Figure 3.  Schematic diagram of 4×35 m antenna array of China Kashi deep space station[6]

    • 以“嫦娥四号”任务圆满成功为标志,中国探月工程四期和深空探测工程全面拉开序幕。在完成计划2020年底实施的“嫦娥五号”任务之后,还将实施“嫦娥六号”、“嫦娥七号”和“嫦娥八号”三次月球探测任务。“嫦娥六号”计划在月球南极进行采样返回;“嫦娥七号”是在月球南极一次综合探测,包括对月球的地形地貌、物质成分、空间环境等进行一次综合探测;“嫦娥八号”除了继续进行科学探测试验以外,还要进行一些关键技术的月面试验。中国未来深空探测工程将实施四次重大任务:2020年发射首个火星探测器,一次实现火星环绕和着陆巡视探测;2024年前后进行一次小行星探测;2028年前后实施第二次火星探测任务,进行火星表面采样返回,开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析与研究;2036年前后开展木星系及行星际穿越探测。探测距离也从太阳系内行星的火星,逐步延伸到外行星的木星和更深远的行星际空间[6]

      深空探测的通信数据通常分为两类:一类是现场感知数据,主要是探测器拍摄的现场照片和视频信息;一类是科学探测数据,主要包括探测图像、合成孔径雷达和多频谱&混合谱成像探测仪获取的数据[13]。随着载人深空探测提上议事日程(美国计划2024年将首位女宇航员送上月球南极、2033年实现载人登陆火星),未来深空探测的现场感知数据也会从现在的图像,向视频乃至高清晰度数字电视(HDTV)发展,数据传输速率需求将达到百兆量级,如图4所示。

      图  4  未来深空探测任务中对数据传输速率的需求[13]

      Figure 4.  Required for data transmission rate in deep space exploration missions[13]

      到20世纪90年代中期,NASA已经基本上完成了对太阳系的初步勘察,太阳系内所有行星去过至少一次,剩下的就是要回到这些目的地,对它们进行更详细地勘察研究。要获得高保真度的多光谱图像、合成孔径雷达观测和准实时视频,所需要的数据速率比太阳系初步勘察阶段的数据速率增加一个数量级以上。而且,为了能够像今天对地球进行遥感那样,以同样的精度对其他行星进行遥感,所需要的数据率比1990年代初期的数据率要高三个数量级以上[14]

      我国的后续月球探测任务和深空探测任务都将需要开展对目标天体的详细勘察已经表面巡视探测和采样返回等任务,这些都对大数据量返回提出了更高的要求。即将于2020年7月实施的首次火星探测任务也是受限于天地通信链路性能而无法实现高分辨率成像数据的全部回传。特别是探测火星、木星系这些具有大气活动变化天体的探测任务需求尤为突出。

      由于无线电信号按传播距离的平方衰减,深空探测任务遥远距离所带来巨大的信号路径损耗,意味着同样强度的发射信号,接收方得到的信号更加微弱,可传输的有效信息将急剧下降,或为保证一定的信息量传输花费更大的代价。为了弥补深空测控通信巨大的信号空间衰减,通常采用增大天线口径、增大射频发射功率、降低接收系统噪声温度、提高工作频率、信道编译码技术、降低传输码速率、通过数据压缩降低信息传输数据量等措施。

      从历史上看,提高测控通信工作频率,获得更有效的传输能力是一个有效的技术途径。NASA深空网及其所支持的航天器向更高频率的迁移就是其深空通信能力稳定增长的最重要因素。在20世纪60年代使用L频段(900 MHz)和S频段(深空分配的2.29~2.30 MHz)的频率。在1977年,X频段(8.4 GHz)用于两个旅行者号探测器的主用下行链路。在20世纪90年代,NASA致力于发射搭载有针对性科学载荷更小的航天器实施深空探测,将天地通信频率扩展到了Ka频段(32 GHz)。NASA在节省了航天器质量和功耗的同时,实现了与X频段相同的数据返回量。NASA期望使用光学频率来实现进一步节省质量和功耗的目标[15]图5所示为NASA深空网的测控通信能力发展历程[16]图6给出了NASA深空网未来所采用的提高深空通信数据接收速率的技术途径和数据传输能力提高的预期效果[17]。美国在2013年9月发射的“月球大气与粉尘环境探测器”,对月地激光通信技术进行了演示验证,实现了月地间下行622 Mb/s和上行20 Mb/s的通信速率。

      图  5  NASA深空通信能力的发展历程[16](在木星距离上)

      Figure 5.  Profile of NASA deep space communications capability[16](At Jupiter)

      图  6  NASA深空网未来所采用的提高深空通信数据接收速率的技术途径和数据传输能力提高的预期效果[17]

      Figure 6.  Technical approaches adopted by NASA DSN in the future to improve the data reception rate and the expected effect of improved data transmission capacity[17]

      同射频(RF)通信链路相比,光通信工作频率(约为200~300 THz)要比Ka频段的32 GHz载频更高。这意味着衍射损失更小,传递信号能量的效率更高,使得光学链路在更低发射功率和更小孔径尺寸下,仍能达到很高的传输速率。图7所示为火星距离上的航天器所发射的RF波束和光束的扩散情况对比。当射频波束从火星到达地球时,衍射使得信号扩散到100个地球直径宽的面积上,而激光束的尺寸仅为0.1个地球直径宽,这表示水平和垂直方向上的接收能量集中程度高1 000倍,相当于功率密度提高106[18]。这种相对X频段的波长平方增益约为90 dB,由于光通信中的量子效应和实际实施问题,目前将其实际的增益限制在约60 dB左右。所以说,光通信系统的核心优势就源自于其窄光束发散角,可以用更小尺寸、更小质量和更低功耗的飞行系统提供射频10~100倍高的数据速率。而且还拥有射频频段几个数量级带宽扩展的不受限制的可用频谱(在光频上是几十太赫兹,而在射频上是几百兆赫)[19]

      图  7  从火星发射到地球的射频波束和光束扩散对比[18]

      Figure 7.  Comparison of radio frequency beam and RF beam divergence from Mars toward Earth[18]

      NASA已完成的一项研究比较了光通信和射频通信的能力。以离地球的距离为变量,距离地球越远,光通信比射频通信越有利。对于20 AU(天王星)距离10 Mbit/s数传速率,4 AU(木星)距离100 Mbit/s速率,以及约2.67 AU(火星最大距离)距离1 Gbit/s速率,光通信很有利。低于这些距离和数传速率,光和射频通信的质量大致相当,但光通信的功耗较小,而射频通信所需的额外功率带来的质量增加不多,仅0.011 kg/W[20]

      对于深空探测任务而言,光通信的主要优点包括:更快、更轻。

      (1)更快:更高的数据速率使任务数据能够在更短的通信时间内完成下传,从而减少航天器电源的使用,同时还减少了支持任务所需的中继终端和地面站点数量;

      (2)更轻:光通信飞行终端比传统的射频通信设备更小、更轻、所需要的能源更少,星载通信系统体积、重量和功耗的减小可以使主任务增加的科学仪器或降低成本。

    • 深空光通信技术是指以激光或空间自由光为载体,通过望远镜进行深空通信的技术。深空激光通信链路通常由深空航天器上的激光通信飞行终端、光学信道、一个或多个地球终端组成,如图8所示[21]。激光通信飞行终端从航天器接收下行数据流,并将接收到的上行数据传送至航天器,同时由载体航天器为其提供功率、控制、星历表、瞄准信息和粗略姿态控制。地球终端接收来自飞行激光通信终端的光学下行链路信号、发射光学上行链路通信信号或为航天器上飞行终端瞄准捕获与跟踪发送所需的地球引导信标信号。

      图  8  深空激光通信链路组成框图[21]

      Figure 8.  Block diagram of the deep space laser communication link[21]

      从深空测控网的视角来看,有效实现深空光通信的技术途径主要集中在如何实现地球终端高效的数据接收能力。目前,主要的技术途径包括布设地面大口径光学地面站、射频光学一体化技术、天基中继(光-射频中继和光-光中继)技术以及基于认知的组网技术等。

    • 从覆盖性能来看,与传统的深空测控网类似,为了确保不受地球自转的影响,需要全球布站,从而实现对深空航天器的连续覆盖。通常,考虑在全球设置若干地面望远镜。地面光学望远镜网络的主要参数包括:数据传输能力和误码率,空间覆盖连续性,地面望远镜站的合理位置。

      地面光学望远镜网络的站址选择应尽量满足以下条件:

      (1)纬度接近赤道,以便更好地跟踪位于太阳系黄道面上的深空航天器。可考虑±40°的纬度范围内;

      (2)经度上尽可能均匀分布,相邻站点之间最小共同观测时间为4 h,以实现平稳交接;

      (3)海外站点不受地缘政治的影响;

      (4)一年内云层覆盖持续时间较短,天气比较稳定,且可预报;

      (5)海拔高,以获得高大气透过率和低天空辐射度;

      (6)大气湍流影响小。

      选择光通信地面终端站址十分关键,因而地面终端站的位置需要认真选择,使有云覆盖的天气最少。所选站址能维持与航天器联通时间百分比取决于站址和季节。某些站址的云层覆盖还存在昼夜的变化。

      图9显示的是美国Aqua卫星在2002~2015年期间每日测量的全球平均下午云层覆盖情况[22]。笔者可以看到北美的美国西南部和墨西哥西部,南美的智利北部和阿根廷西部,非洲北部和南部非洲的西南,亚洲西南部,澳大利亚西部平均云覆盖较少。从气候分布来看,这些区域基本上都处在热带沙漠气候带内,耦合性相当强,如图10所示。国内几乎没有较好的区域可选,只是青藏高原和塔克拉玛干沙漠相对较好。即使在美国西南部最好的站上,单站的天气可用性通常也低于70%。此外,如果在部分多云天气里需要很多次重新捕获,则单站可用性可能会进一步降低。

      图  9  Aqua卫星在2002年至2015年期间每日测量的全球平均下午云层覆盖图[22]

      Figure 9.  Average global afternoon cloud cover measured daily by the Aqua satellite between 2002 and 2015[22]

      图  10  全球热带沙漠气候区域分布

      Figure 10.  Regional distribution of global tropical desert climate

      要达到高天气可用度可以采用多个地面终端站的站间分集。如果N个站位于不相关的气象单元中,且都能看到航天器,每个站点的天气可用度为p,则站网的可用性就是至少一个站能看到航天器的概率1-(1-p)N,当地面终端站的数量很多时多,就可以达到需要的站网可用性。图11所示为一个全球布站的实例,有9个光学地面站,每个地面站的可用度为67%,则整个地面光学站网就能够达到96%的可用度[21]

      图  11  为减少天气影响导致通信中断而设计的光学地面站网实例[21]

      Figure 11.  Example of multi-site optical network designed for mitigation of weather-induced outages[21]

      由于地面不同高度上的天空辐射度和大气透过率值不同。需要在孔径尺寸和站址高度之间进行折衷。当然,配置小孔径望远镜的好处是成本低。不过,由于缺少高度较高的合适山峰,因此在较低的地方设置深空光通信所需要的大孔径望远镜(10 m)要更容易一些。NASA的相关研究表明在海拔高度较低地面上更大孔径的望远镜可能满足需求(即较低大气透过率和更强背景辐射轻度)。特别是在最差的大气条件下(雾天),10 m孔径望远镜置于1.2 km高度上,可使链路裕量接近6 dB。反之,置于1.9 km高度上5 m孔径望远镜就能在雾天满足链路需求。而在2 km左右高度上,接近悬浮边界层的尾部,雾天和晴天的性能基本相同[21]

      满足深空地面接收所需的有效孔径约为10~12 m,可通过单个大型望远镜或一组小型望远镜实现[19]。在图12中,标记单元的矩形灰色轮廓表示一个阵列单元,该阵列单元可以实现一个单个大孔径,就是N个直径相等的单元将提供一个N/2倍大的有效直径。采用多个小望远镜组成的阵列,加上高速数字信号处理技术,进行深空光学信号的地面接收,是接收深空光学信号的大孔径望远镜的一种可行的替代方案[9]。大孔径望远镜的建造和运行成本都很高,并且一旦某一部件出现失效,会导致单点故障,从而丢失宝贵的数据。设计合理的阵列中,某一单元件失效,即使不进行更换,性能的降低很小;但一旦出现故障时,阵列也能切换到备份望远镜,且不会显著增加成本。

      图  12  单台直径为12 m的分段主望远镜概念设计与一组直径为2.2 m的等效有效直径望远镜的比较[19]

      Figure 12.  Comparison of a single 12 m diameter segmented primary telescope conceptual design (right) and an array of 2.2 m diameter telescopes for an equivalent effective diameter[19]

    • 未来,由于科学与探测仪器更加先进,以及人类最终进入到其他行星系,深空任务产生的平均数据将显著增长,将呈数量级增加所需传输的数据率。根据喷气推进实验室(JPL)为NASA所做的下一代空间通信体系结构研究结果表明,对于未来支持载人火星任务所需的光通信链路,地面需要口径在8~12 m的大口径望远镜。建造和操作这种口径望远镜在技术上是没有问题的。尽管比同类口径的天文望远镜成本低,但其投资仍然很大。NASA从2010年12月起就开始研究将射频和光学系统结合在同一天线结构上的概念,就是在现有或未来的DSN射频天线上增加光学反射镜。这是一种可能的低成本解决方案。最近的实验和工程研究已经使得这种混合射频/光学天线成为NASA当前推进深空光学通信应用的主要途径[23]

      为了研发深空任务使用的这种混合天线,NASA希望将8 m的光学孔径集成到深空网34 m波束波导天线中,用主球面镜及适当的校正光学设备及接收机元件替换RF副反射面后的RF面板。这种混合天线已进行了研究,预期有足够的稳定性和指向能力,天线RF性能仅有一小部分损失。图13所示为34 m RF天线内带有8 m光收集区的完整64单元4支撑杆的RF/光学混合孔径,34 m波束波导天线上的包括了射线路径的RF/光学概念的侧视图。

      图  13  DSN 34 m天线RF/光学混合孔径概念示意[23-24]

      Figure 13.  RF/ optical hybrid aperture concepts of DSN 34 m antenna[23-24]

      这一方案首先是应用了已有站点上的射频大口径天线系统,从而大大降低了选址建站和望远镜大型结构建设投入。既具备RF通信又具备光通信能力的深空探测任务,可以在站点无云层阻挡视线条件下使用光提供最高速率;在站点有云层覆盖时,使用数据率较低的RF频段发送最高优先级数据。这种方案既降低了应用光通信技术初期的地面系统建设的投入,又带来了任务使用的灵活性。

      当然,这种方案对于期望以光通信为主任务系统不是最优选择,其光通信的使用效率必然会受到天气因素的影响,因为目前各个航天机构的深空站选址都是以射频通信为基本保障需求确定的站址,只有个别深空站的站址位置能够同时兼具射频和光通信支持能力,如NASA在美国加州的戈尔德斯通的深空站和ESA在澳大利亚西部新诺舍的深空站。

    • 由于云层覆盖、大气湍流、天空背景和强风都会影响到地面接收机链路的光学可用性和质量,而海洋和地缘政治又限制了光通信地面站的布设位置,故天基接收机为光通信单台接收机提供了最优的可用性,布设在地球轨道的接收机和深空探测器之间的光学星间链路提供了一个可用性很高的高带宽链路。

      目前的研究提出了包括近地轨道、地球同步静止轨道、超同步静止轨道和日地拉格朗日L4/L5点在内的多种方案。这些方案大都是选择了通过天基中继平台的对地射频和光学混合通信链路完成数据最终的传递,即在满足光通信条件下采用光通信手段,不满足则采用射频降速率传输。

      天基中继的方案在技术上是可行性的,比如最为关键的大孔径空间光学镜面方面,根据目前在激光通信领域已经取得的技术突破(每比特只需要少量光子),直径2~3 m的太空望远镜孔径足以支持来自火星的Mbps数据速率[25]。而NASA研发中的詹姆斯韦伯空间望远镜的孔径则已经达到了6.5 m,完全可以满足未来载人火星任务的需求。

      NASA在21世纪初就曾提出过“综合”地球同步静止轨道中继的概念,可以支持从近地轨道到月球以及更远的深空任务。中继星的设计理念是类似目前NASA TDRS的增强:包括了一个用于深空激光通信的2 m孔径望远镜和一个较小的30 cm望远镜用于近地轨道高速激光通信并可支持距离地球约100万mile的日地平动点L1和L2任务。其设计概念如图14所示[26]

      图  14  NASA“综合”地球同步轨道中继概念[26]

      Figure 14.  NASA "integrated" GEO relay concept[26]

      最新的NASA下一代空间通信导航增强体系研究的成果中还提出了超同步静止轨道卫星架构以最大限度地提高“地月空间”、“火星”和深空任务的通信导航性能。超同步静止轨道卫星(轨道高度约60 700 km,周期48 h,倾角45°)由下列有效载荷组成。每颗卫星配备了两个单址(SAs)天线,支持S频段和Ka频段,并通过一个扩展范围的跟踪架提供了对月球的覆盖。每颗卫星配有两个Risley棱镜激光望远镜,用于支持月球范围内的激光通信和导航。有一个带星载处理器火星阵列式激光通信终端,可以支持再生式激光通信链路,这个终端带有一个可以360°转动的跟踪架,能够实现支持火星和其他深空任务激光通信的切换。图15给出了超同步静止轨道卫星设计概念[27]

      此外,为了确保载人火星探测任务不间断通信需求,还提出了在日地平动点L4/L5点布设地火激光通信中继节点,从而建立从火星轨道到地球同步静止轨道或地面的不间断通信链路。

      图  15  NASA超地球同步静止轨道中继概念[27]

      Figure 15.  NASA super-geosynchronous geostationary relay concept[27]

      但这种空间配置的光通信系统成本十分昂贵,并且极易发生单点故障,从而导致系统失效或系统可用度急剧降低。因此,只有类似载人火星探测这种需要长期支持的任务或者存在长期多深空任务支持需求的航天机构,构建高可靠、多节点的天基光通信中继系统采更有实际意义。从目前NASA在执行的《空间通信与导航网络(SCaN)体系架构定义文件(ADD),第1卷:执行摘要》[28]所给出的2025年空间通信与导航网络体系架构中,就包含了月球轨道和火星轨道以及深空探测器到地球轨道和地面的光通信链路,见图16

      图  16  NASA SCaN未来增强的深空任务支持[28]

      Figure 16.  NASA SCaN enhanced deep space domain capabilities[28]

    • 空间通信领域的认知网络概念是近几年兴起的一个新的技术方向。主要是面向未来空间通信所呈现的同时多任务流和网络化的发展趋势,认知系统可以优化整个空间通信网络的性能,改善任务航天器和空间通信基础设施之间的交互。随着系统自主性的增强,任务航天器可以根据当前的数据传输需求协商访问通信服务。通过将人工智能和认知无线电技术集成到空间通信网络中,将提高空间通信系统的效率、自主性和可靠性。

      自适应无线电软件可以规避空间天气的有害影响,增加科学和探索数据的返回。认知无线电网络也可以建议与地面通信的备用数据路径。这些过程可以同时通过多条路径对数据进行优先排序和路由,以避免干扰。认知无线电的人工智能也可以提前几个小时分配地面站下行链路,而不是几周,从而提高调度效率。此外,认知无线电还可以通过减少对人工干预的需求来提高通信网络的运行效率。认知网络的概念如图17所示,其所涉及的相关技术包括网络感知:(1)综合的地面天气传感器;(2)基于预测性能的动态链路切换;(3)地面数据通信的自动化路由选择和融合。其他认知技术还包括:(1)自适应编码调制;(2)实现自配置的链路;(3)基于可靠性的设施分配;(4)认知安全综合[29]

      图  17  NASA空间通信认知网络示意图[29]

      Figure 17.  Schematic diagram of NASA space communications cognitive network[29]

      NASA SCaN正在组织进行的认知通信技术研究就明确提出其目标就是通过增加链接、网络和服务调度的自主性来减轻任务用户日益增加的通信复杂性;通过自动化技术,包括人工智能和机器学习的最新成果、认知算法和相关方法可以增加任务的科学数据返回量,提高空间通信网络的资源利用率,以及在不可预测或意外环境中的灵活性[30]

      对于深空光通信的应用而言,通过认知网络可以实现深空航天器对地通信的过程中,优化传输路径,实现最优的数据传输效率,即在码速率、调制方式、射频/光学路径选择等方面实现基于智能的最优化选择,从而最大化实现深空光通信的优势,降低其应用的风险。

    • 我国深空测控网的光通信技术应用应该是非常有前景的,随着我国月球和深空探测工程的不断推进,载人月球探测任务也逐步提上议事日程,对于高速数据通信的需求也越来越迫切。

      从我国航天工程的实践经验来看,特别是我国深空测控网的建设发展历程来看,深空光通信应用的最佳技术路线应该是一个循序渐进的过程,即先开展技术验证、再分步进行系统建设、分阶段开展工程应用,最后进入全面应用阶段。

    • 我国探月工程四期已经计划开展地月激光通信技术验证试验。在这个阶段,通常依托国内现有的地面光学系统,比如中国科学院系统所属的光学望远镜,经过适应性改造后,使其具备光学通信的能力。该阶段的主要任务是验证星上光通信终端所涉及的核心关键技术,在地月空间开展工程应用可行性的验证。

      由于该阶段只是技术验证,其试验时间是可以根据任务实施的具体情况和地面系统所处的额地理位置来合理安排的,没有严格的任务约束和可靠性要求。因此,该阶段地面不存在大规模地面系统建设。

    • 从前面的技术途径分析不难看出,从地缘和外交视角,我国无法建设全球布局的高可用度深空光通信地面系统。那么未来我国的深空光通信系统应该是一个地基和天基相结合的混合系统。

      这个系统在布局上,首先应考虑尽量利用全球可用的地理位置,主要包括墨西哥西部的下加州半岛、智利北部、非洲西南部(南非和纳米比亚)、非洲西北部(加那利群岛、摩洛哥、阿尔及利亚等)、西亚阿拉伯半岛和巴基斯坦等地区,建设5套左右的地基10 m左右孔径光学系统。此外,还可以考虑在国内的青藏高原和云贵高原选址建设2套地基10 m左右孔径光学系统,来扩大覆盖范围(尽管这些地区的条件并非最优)。而处于国内站址和美洲站址之间的无覆盖区域只能考虑由天基系统来弥补。

      同时可综合利用喀什深空站和阿根廷深空站的35 m口径测控天线构建等效光学孔径6~8 m的射频/光学混合系统,如图18所示。并通过多天线进行组阵进一步增大地面的等效光学孔径达到12~16 m,以弥补气象因素的影响。这两个深空站的混合系统从建设难度和投资强度上看,更适合于初期地面系统的建设,也可以与专用的10 m孔径光学地面站互为气象备份,从而提升全系统的可用度。

      图  18  依托35 m深空测控天线构建射频/光学混合系统示意图[6]

      Figure 18.  Schematic diagram of 35 m deep space RF/optical hybrid system[6]

      设想的未来我国深空光通信地面站系统(包括射频/光学混合系统站)总体布局如图19所示。

      图  19  潜在深空光通信可选地面站址的分布示意图

      Figure 19.  Distribution of potential deep space optical communication ground sites

    • 我国天基深空光通信系统的构建应与未来的第三代或第四代地球轨道数据中继卫星相结合,布设在太平洋上空的同步静止轨道上,系统配置宜采用1~2 m孔径的光学系统对深空通信目标,且具有星间光通信链路,至少应具备支持月球和火星任务光通信的能力。这样来自深空的光通信数据经过太平洋上空的中继卫星星间光学链路就可以传送到定点在我国大陆上空的中继卫星,再转换成Ka频段射频链路传送到地面。

      未来还可以结合载人月球和火星探测任务的需求,逐步补充具备支持深空光通信能力的中继卫星数量,最终建成可实现连续覆盖的天基深空光通信系统。通过将人工智能技术和认知技术应用到链路性能优化、路由优化选择和资源自动调配等方面,最终形成我国完全自主的深空光通信认知网络,能够克服不利气象条件影响,以最优的性能支持我国月球和深空探测任务。

    • 深空光通信技术具有独特的技术优势,能够满足以载人月球和深空探测任务为代表深空高速数据传输需求。天地基相结合的智能网络化光通信系统的可用度高、运用灵活,是未来我国建设深空光通信系统可行的途径。考虑到这种系统的复杂性和建设代价,应该从顶层做好我国的空间通信网络体系规划,将深空光通信系统融入其中,发挥最大效能。

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