柴 霖1，許秀玲

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.西南電子設備研究所，成都 610036)

1 引 言

深空探測集中體現(xiàn)了一個國家的科技水平和綜合國力，不僅具有科學和經(jīng)濟價值，而且還具有很強的軍事和政治意義。從各航天大國近年來推出的深空探測發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃[1]可以清晰地看出，深空探測是21世紀航天領(lǐng)域的發(fā)展重點。

深空測控通信(以下簡稱深空測控)與傳統(tǒng)航天測控相比，顯示出極大的特殊性，其技術(shù)要求更苛刻。未來20年深空測控的發(fā)展應在整個航天測控體系框架內(nèi)進行規(guī)劃，并根據(jù)未來深空任務所應具備的能力，制定出技術(shù)發(fā)展重點。

文獻[2,3]總結(jié)了深空測控的主要關(guān)鍵技術(shù)，文獻[4]對深空探測通信星際互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進行了初步設想。本文在同行研究的基礎(chǔ)上，對未來20年深空測控體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進行闡述和分析。

2 深空測控概念辨析

隨著人們對深空研究、認識的深入，國際上相關(guān)標準的陸續(xù)推出，深空測控的一些概念正在悄然變化。這些變化體現(xiàn)在概念的內(nèi)涵和外延上，在一定程度上也昭示了技術(shù)的發(fā)展方向。

2.1 深空概念

國際上早期將“月球及以遠”稱為深空，我國官方文件中一直在延用這種概念，例如2006年國務院發(fā)布的《2006年中國的航天》白皮書，就將探月工程列入深空探測范圍[5，6]。但在1988年世界無線電大會上，ITU(國際電信聯(lián)盟)規(guī)定“深空是指距離地球大于或等于200萬公里的空間”。CCSDS標準中也明確了200萬公里以下為A類航天任務，200萬公里及以上為B類任務。也就是說，“200萬公里作為深空與近地空間的分界”這個概念已為國際所公認。

但從技術(shù)體制上看，探月和深空測控相通之處甚多，國內(nèi)外都經(jīng)常將月球與深空測控放在一起討論。因此，出于討論技術(shù)問題的方便，本文的深空概念是包含月球的。

2.2 測控通信概念

從2006年美國《2005～2030年NASA空間通信與導航體系結(jié)構(gòu)建議》報告中可以看到，國際上正將傳統(tǒng)的“測控通信”(TT&C and Communication)概念向“通信導航”(Communication and Navigation)概念轉(zhuǎn)變[7]，房鴻瑞等國內(nèi)專家已注意到這一趨勢[6]。新概念中“導航”包括傳統(tǒng)的外測跟蹤(Tracking)和GPS定位內(nèi)容，而“通信”將遙測、遙控、話音、低速數(shù)傳、高速數(shù)傳都囊括其中。顯然，傳統(tǒng)的“測控通信”已成為“通信導航”的子集。

2.3 深空測控體制概念

傳統(tǒng)的深空測控體制主要是信號的調(diào)制體制，例如文獻[8]所述“所謂測控體制是指深空站與深空探測器間上行/下行信道傳送測距、遙控、遙測和探測信息等基帶信號時，如何利用載波以及基帶信號改變(調(diào)制)副載波、載波參數(shù)的方式和從被改變參數(shù)的載波、副載波中提取(解調(diào))基帶信號的方式”。

本文認為，上述可以是測控體制的狹義定義，廣義的深空測控體制應包括信號調(diào)制體制、測量體制、深空網(wǎng)絡體制三方面。

3 深空測控的難點

深空測控與近地空間測控最根本的區(qū)別就是一個“遠”字，其它所有種種深空問題實際上都是由“遠”這個特點而衍生的。歸納起來，從任務需求角度深空測控需面對以下4方面主要問題。

(1)信噪比低，動態(tài)大

月球距地最遠40.55×104km，是同步軌道距離(3.6×104km)的11.26倍，鏈路損耗比同步軌道大21.03 dB；火星距地最遠4.013×108km，是同步軌道距離的1 114.72倍，鏈路損耗比同步軌道大60.943 dB。因此，深空站接收的信號非常微弱，這也限制了深空數(shù)據(jù)傳輸速率。

深空探測器飛行已超過第二宇宙速度(11.2 km/s)，再加上需采用高頻段測控，所以多普勒和多普勒變化率比近地衛(wèi)星要大得多。國外文獻給出，Ka頻段多普勒變化范圍為±1 100 kHz，多普勒變化率為110 kHz/s。

信噪比低和目標動態(tài)大這兩個因素，使得深空測控接收機的設計難度大大提高。

(2)通信時延巨大

近地空間測控雙向時延最多0.24 s，而月球雙向時延達2.72 s，火星為44.6 min，海王星為521.56 min。巨大的空間時延使得深空測控不能沿襲傳統(tǒng)測控的捕獲流程，而且要求遙控指令正確性更高。由于傳輸已是非實時，所以可以采用譯碼時間長但編碼增益很高的Turbo碼，并采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。

(3)連續(xù)測控覆蓋問題

深空探測器飛行時間很長(到達火星要近1年時間)，對探測器的連續(xù)跟蹤測量十分必要。但由于地球自轉(zhuǎn)，單個地面站只能連續(xù)跟蹤測量8～10.5 h[9]，所以必須多個地面站接力連續(xù)測量。這引起兩個問題，其一，多個深空站國際聯(lián)網(wǎng)，其技術(shù)體制、協(xié)議、接口要兼容；其二，在兩站交接班(Hand-over)的一段時間內(nèi)要做三向(Three Way)測距、測速[10]，這又要求距離遙遠的兩深空站的時間頻率達到高度同步。

(4)測量精度高，多種跟蹤定軌體制聯(lián)合應用

近地衛(wèi)星使用的各種高精度導航手段(如GPS、慣導)中，除了傳統(tǒng)的多普勒測速和距離測量外，其它手段都難以在深空測控中使用(或僅能部分使用)。

最明顯的問題是測角，深空目標距離遙遠而且波束又窄，角度測量“失之毫厘謬以千里”。用傳統(tǒng)的單脈沖比幅測角法，測角精度最多達到0.001°，即3.6″(17 476 nrad)(20世紀80年代，日本64 m天線和德國30 m天線將天線座的測角精度提高到0.001°，基本上達到物理極限)。若觀測目標的視夾角小于天線的3 dB波束寬度時，單脈沖方式測角已不能滿足目標的定位要求。因此，對于深空遠距離目標，傳統(tǒng)A、E、R測量體制已不適用，需轉(zhuǎn)而采用干涉儀體制用比較相位來測角。

干涉儀測角之所以能提高測角精度，一是因為它是依靠測距來換算出角度的，而測距能夠達到很高的精度，并且測距誤差與被測量距離的長短無關(guān)；二是因為干涉儀的基線越長，測角精度越高，因而可用增加基線長度的方法來換取測角精度。目前，甚長基線干涉儀(VLBI)已成為深空測角的主要手段，其各種改進方法(ΔVLBI、CEI、SBI等)也都受到各航天大國的密切關(guān)注和研究。

4 深空測控體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

4.1 構(gòu)建空間通信導航新體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)定義為一個系統(tǒng)的各組成單元及其相互作用，以及將用來控制為了提供某一能力而作的開發(fā)的方針和原則[7]。

NASA在《2005～2030年NASA空間通信與導航體系結(jié)構(gòu)建議》報告中，對未來空間探測任務的通信與導航體系結(jié)構(gòu)進行了規(guī)劃。深空探測是其中的主要部分，如圖1所示。

圖1 NASA由單元和橫向結(jié)構(gòu)組成的通信與導航體系結(jié)構(gòu)

這一新的空間通信與導航體系結(jié)構(gòu)由地基單元、近地中繼單元、月球中繼單元、火星中繼單元4個物理單元部分和相互交迭的網(wǎng)絡、安全、射頻頻譜、導航結(jié)構(gòu)組成。其導航結(jié)構(gòu)前面已提到過，相當于將自主導航(主要是GPS衛(wèi)星導航)和外測均包含在內(nèi)。頻譜結(jié)構(gòu)實際上就是反映了深空測控向Ka頻段和毫米波頻段發(fā)展的趨勢。安全結(jié)構(gòu)是為需要數(shù)據(jù)安全的用戶提供若干可供選擇的數(shù)據(jù)保護業(yè)務，包括加密和認證。

筆者認為這個新體系結(jié)構(gòu)中意義重大、影響最深遠的應該是“網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)”。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是測控通信的信息傳輸由傳統(tǒng)的點對點專線方式轉(zhuǎn)向基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡化方式，構(gòu)建空間因特網(wǎng)。4個物理單元通過一體化的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)緊密連接在一起，充分利用了目前地面所使用的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將其擴展到整個太陽系，每個航天器都是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，使空間用戶可以順利地從一個單元無縫過渡到另一個單元。

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)最大的特點就是引入信息交換協(xié)議[11]，使得測控通信網(wǎng)絡支持分組交換，可以進行配置，以克服現(xiàn)有的點對點通信的不足。在點對點通信中，每個通信路徑比較固定，缺乏靈活性。分組交換支持的可配置性概念，使得通信變得非常靈活和容易實現(xiàn)容錯保護。

值得注意的是，地面Internet采用的基于傳統(tǒng)的確認/重傳過程的TCP協(xié)議不適合應用于深空通信中[4]。TCP協(xié)議假定傳輸延遲很小，上下信道對稱，重傳效率低，系統(tǒng)吞吐量隨著往返延遲、信息丟失率增加而降低，這些特點都不適用于深空通信的操作環(huán)境。當然，經(jīng)過改造(TCP欺騙技術(shù)、TCP劃分、Web緩存、增大初識窗口等)后的TCP協(xié)議也并非完全不能用。一般認為，目前CCSDS中的CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)協(xié)議和集束協(xié)議更符合深空測控通信的特點[4]。

關(guān)于空間Internet傳輸協(xié)議是一個需求旺盛、很有潛力的的研究課題，研究的最終目標并不是建立深空網(wǎng)或航天測控網(wǎng)專用協(xié)議即可，而是想把空間Internet與地面Internet相兼容。建立一種既滿足航天測控通信傳輸時延大、信號電平弱、信道噪聲大、多普勒頻移大、空-地通信中斷頻繁等特殊要求，又充分發(fā)揮Internet端到端能力強、高層協(xié)議功能完善和標準化等優(yōu)勢的天地一體化網(wǎng)絡[6]。

4.2 深空測控標準的制定和發(fā)展

國內(nèi)尚沒有專門的深空測控標準，某些相關(guān)內(nèi)容分散在國軍標(GJB)航天測控各標準中。在國外，有ISO(國際標準化組織)、CCSDS(空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會)、ECSS(歐洲空間標準化合作組織)、NASA(美國國家航空航天局)等組織對深空測控制定了不同程度和范圍的標準。文獻[6]對以上各國外標準的分類、涵蓋內(nèi)容進行了歸納。

總體來看，關(guān)于深空測控的標準，ISO和NASA系列都不全面，而且NASA主要還是參照CCSDS，ECSS系列，影響力較小。從完善性、可靠性、權(quán)威性上看，CCSDS系列最優(yōu)。因此，我國深空測控通信標準的建設，還是應以CCSDS為主要參考。

5 深空測控技術(shù)及技術(shù)體制的發(fā)展

要想提出深空測控未來的技術(shù)發(fā)展重點，必須認清未來深空任務所應具備的能力，需拓展哪些新能力，需提高哪些已有能力。筆者認為需具備以下6項能力：

(1)高數(shù)傳速率：不斷提高的數(shù)傳速率是驅(qū)動深空測控技術(shù)發(fā)展的重要動力，因為它的發(fā)展能滿足空間探索和航天任務的各種需求；

(2)低接收信噪比：隨著科學探測向深空領(lǐng)域的不斷深入，如何接收越來越低信噪比的信號是另一個永恒的主題；

(3)高測量精度：測量精度的不斷提高，可以支撐和推動航天器向深空的不斷探索；

(4)降低成本：成本決定了深空探測的開展規(guī)模和持續(xù)時間，超高成本的科學探索項目不可能永無止境地被資助；

(5)提高靈活性：深空測控系統(tǒng)的容錯能力、可重組能力、可維修能力也需列入未來深空網(wǎng)建設議事日程；

(6)自主導航能力：自主導航對任何一種航天器都有極大的吸引力，GPS和INS不適用于深空航天器，并不意味著我們在深空自主導航領(lǐng)域可以停滯不前，仍需積極研究新的適合于深空的自主導航技術(shù)。

圍繞以上6項能力，本文建議深空測控未來20年，應對以下10個技術(shù)領(lǐng)域進行重點研究。

5.1 拉格朗日點深空測控

根據(jù)天體力學研究成果，在地月系統(tǒng)和地球太陽系統(tǒng)中各存在5個拉格朗日平衡點L1～L5。拉格朗日點是兩個大天體所組成的運動系統(tǒng)中的受力平衡點，位于該點的物體受萬有引力和軌道運動的共同作用而處于平衡狀態(tài)。天文學又稱這5個點為“秤動點”，形成一條弱穩(wěn)定區(qū)走廊。

以地月系統(tǒng)為例，在L1～L5點上的航天器只要達到一定速度就能克服地月引力和轉(zhuǎn)動坐標系影響，留在走廊里，既不會脫離地月系統(tǒng)，也不會被地球、月球捕獲。提供小的速度增量，航天器可以在弱穩(wěn)定區(qū)內(nèi)巡回。如果提供高的速度增量，航天器可飛出弱穩(wěn)定區(qū)，脫離地月系統(tǒng)進入深空[4，13]。

利用拉格朗日點放置中繼星、天文望遠鏡，或進行交會對接、建立星際航行基地，都是非常好的、有技術(shù)可行性的深空探測方案。

5.2 新測量體制的發(fā)展

如前所述，基于深空測控的特殊性，各國一直在發(fā)展一些新的測量體制，主要是集中在干涉儀測量領(lǐng)域，從最早的VLBI，發(fā)展到ΔVLBI(包括ΔDOR、ΔDOD)、CEI、SBI技術(shù)。VLBI和ΔVLBI技術(shù)已在我國工程上成功應用，CEI和SBI也正在演示試驗中。下一步更具誘惑力的是空間VLBI技術(shù)，即在月球或空間拉格朗日點建一個VLBI端站，與地球的VLBI端站構(gòu)成大尺度的VLBI系統(tǒng)，利用天地長基線達到高精度測量目的，測角精度有望達到0.01 nrad。

5.3 上行天線組陣

小口徑接收天線組陣已成為未來深空下行鏈路的發(fā)展方向，NASA建立了不同規(guī)模的下行天線陣，在執(zhí)行深空任務中取得了成效[14]。天線陣靈活、可靠，規(guī)模可變、可擴展，這種概念對上行鏈路和下行鏈路都有效。上行發(fā)射陣列的主要需求在于提供高的EIRP值來支持更高的上行數(shù)據(jù)率，以及提供控制指令到增益非常低的天線，這種低增益天線的情況經(jīng)常出現(xiàn)在飛行器緊急情況。上行發(fā)射陣列的優(yōu)勢首先在于可以較小的成本提供需要的EIRP，并且可以支持同時多任務；其次是安全性較高，因為大天線大功率發(fā)射，在一定范圍內(nèi)的通量密度可能會超過人體和飛船可以承受的極限。

上行天線組陣與一般的相控陣發(fā)射系統(tǒng)在原理上是類似的，基本概念是將從各個不同的天線發(fā)射的信號延遲適當?shù)叵辔缓蜁r間，使得在目標處的信號得到加強。但上行天線組陣在工程的實現(xiàn)上要求較高，目前研究的熱點在于該技術(shù)在深空應用的可行性以及相位校準方法。

用于近地的上行鏈路組陣技術(shù)在國外已得到驗證[7]，但在深空任務中實現(xiàn)要困難得多。深空目標距離遙遠，陣列中各天線上空的氣象狀態(tài)也不同。所以，要想調(diào)整各天線信號延時和相位，使發(fā)射信號在深空目標處準確對齊到毫米級精度，其難度是非常大的。

5.4 深空測控高功放技術(shù)

無論飛行器還是地面站，深空測控高功放技術(shù)都有巨大的發(fā)展?jié)摿?。其中重點將集中在Ka頻段，希望能研制出飛行器載百瓦級、地面10 kW級Ka頻段發(fā)射機，這將使數(shù)傳速率獲得百倍以上的提高。

5.5 空間大型天線技術(shù)

飛行器載輕型可展開式大天線技術(shù)，如網(wǎng)狀和可膨脹天線，是極大提高數(shù)傳速率的又一途徑。國外已有口徑12 m的可展開網(wǎng)面天線用于商業(yè)航天，但頻段較低。未來將研制Ka頻段網(wǎng)面天線，而可膨脹天線作為更前沿的技術(shù)也將得到重視和發(fā)展。

5.6 深空激光統(tǒng)一測控技術(shù)

激光載波統(tǒng)一系統(tǒng)是指利用激光作為信息載體，實現(xiàn)飛行器軌跡測量、地面站與飛行器之間上行控制信息、下行遙測信息與有效載荷測量信息傳輸?shù)臏y量通信一體化系統(tǒng)。

激光和射頻信號均為電磁波，但激光比射頻頻率高4～5個數(shù)量級。常用于通信的激光頻率為1.9×1014～5.6×1014Hz，對應波長為536～1 579 nm，這使得以激光作為載波信號的測控通信系統(tǒng)具有測量精度高、信息傳輸速率高(國外星間激光通信實現(xiàn)了5.5 Gbit/s速率)、不占用無線電頻譜資源、抗干擾能力強、保密性好和設備體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)勢，具有廣闊的技術(shù)發(fā)展前景。

但激光測控易受氣象條件、天光地影影響，難以做到全天時、全天候工作。另一個主要技術(shù)難點是光束發(fā)散角極小，對飛行器和地面角度捕獲跟蹤帶來困難。但采取相應技術(shù)措施后，一旦突破這些技術(shù)難題，激光測控必將帶來測控技術(shù)發(fā)展的一次飛躍。

5.7 深空X射線自主導航

航天器自主導航具有極其重要的工程實用價值和軍事戰(zhàn)略意義。一方面，航天器自主導航將大大減輕地面測控系統(tǒng)的工作負擔，減少測控站的布設數(shù)量，降低航天器(星座)的運行管理和維持費用；另一方面，在敵對環(huán)境條件下，自主導航的航天器減少了對地面測控系統(tǒng)的依賴，可增強其自主生存能力。

脈沖星是高度穩(wěn)定的X射線天體源，將這些信源用作自然導航信標，有足夠的可重復性和可預見性[15]，因此可用來產(chǎn)生航天器位置、速度和時間的完整導航解，從而實現(xiàn)深空航天器自主軌道控制和運行管理。

5.8 高頻段天線標校測試技術(shù)

高頻段天線系統(tǒng)遠場條件十分苛刻，建設相應的標校塔經(jīng)常是不現(xiàn)實的。利用射電源標校對天線口徑又有嚴格限制，對于較小口徑的高頻段天線，射電源流量密度無法滿足天線標校要求。我國高頻段衛(wèi)星資源十分缺乏，所以利用衛(wèi)星標校也很困難，必須盡快尋找有效的高頻段天線標校測試手段。

5.9 在軌可編程用戶終端技術(shù)

深空探測任務的長期性，對實現(xiàn)深空測控飛行器用戶終端在軌可編程、可配置提出了要求。在同一任務過程中需要根據(jù)不同任務剖面實現(xiàn)不同的功能，也需要實現(xiàn)對用戶終端的在軌可編程。

5.10 高效編譯碼技術(shù)

構(gòu)造出符合深空測控特點、編譯碼復雜性低、逼近香農(nóng)極限的信道編譯碼是深空測控通信的重要研究內(nèi)容，而且信道編譯碼技術(shù)與傳輸協(xié)議息息相關(guān)。對傳輸速率要求的不斷提高，大大增加了編譯碼實現(xiàn)的難度，也使CCSDS推薦的Turbo碼受到挑戰(zhàn)，因為其譯碼復雜度高、占用資源大。

噴泉碼是一種很有前景的適合深空的編碼方式[16]，因其具有不需要反饋信道、只需前向鏈路的特性，能夠簡化或省略通信協(xié)議中的握手過程，縮短文件傳輸?shù)臅r延。深空通信的距離遙遠和誤碼率大的特點，使得傳輸中的誤碼超出傳統(tǒng)前向糾錯(Forward Error Correction, FEC)的能力，以及深空鏈路易中斷的特點，都會造成接收端丟包率很大。而噴泉編碼只要接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)N與源文件K個數(shù)據(jù)包滿足一定關(guān)系，就能夠恢復出整個文件，這決定了它不需要頻繁的重傳和確認過程，因而能夠提高傳輸效率。另外，它具有的能夠以任意概率逼近香農(nóng)極限的特點，有利于降低接收系統(tǒng)對于信噪比的要求。深空信道的長、變時延、信道非對稱、誤碼率高、鏈路易中斷的特點完全符合噴泉編碼提出的研究背景[4]。

6 結(jié)束語

深空測控通信是航天測控領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向，集中了多項高精尖技術(shù)，不僅是測控通信領(lǐng)域的前沿，而且很多技術(shù)也是信息領(lǐng)域的前沿，所以完全可以說深空測控代表了人類向茫茫宇宙挑戰(zhàn)的決心和成果。未來20年是深空測控大發(fā)展的時代，認識其特點和難題，建立體系框架，理清發(fā)展思路，是航天測控從業(yè)人員必須履行的責任。

本文是筆者的粗識拙見，愿拋磚引玉，與同行專家們商榷，共同為我國深空測控事業(yè)貢獻力量。

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