（哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所）

面向火星探測(cè)的中繼通信星座設(shè)計(jì)

唐力群 楊明川 肖靖 劉曉鋒 張中兆（哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所）

在深空通信中，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)囊蟆榻o目標(biāo)探測(cè)器提供更長(zhǎng)時(shí)間的中繼通信，針對(duì)火星目標(biāo)探測(cè)器正常和應(yīng)急特殊工作這2種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，分別設(shè)計(jì)了均勻覆蓋和連續(xù)覆蓋的火星中繼星座。中繼星座方案由1個(gè)軌道面內(nèi)的3顆中繼衛(wèi)星組成，2個(gè)星座采用了不同的衛(wèi)星相位間隔。利用衛(wèi)星工具包（STK）軟件在直達(dá)和中繼2種通信方式下，對(duì)火星探測(cè)器和地面站的鏈路可見(jiàn)性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，相比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，中繼星座的通信鏈路可見(jiàn)時(shí)間增加了7h。這2種中繼星座方案可以在探測(cè)器不同的工作場(chǎng)景時(shí)，給火星探測(cè)器提供更好的通信性能。

印度“曼加里安”火星探測(cè)器

1 引言

宇宙和星體的起源、地球以外是否存在生命以及生命的由來(lái)、宇宙未來(lái)如何演變等許多問(wèn)題，都需要不斷地深空探索來(lái)解答，而未來(lái)25年內(nèi)，最終探索目標(biāo)將一直是火星。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著“火星奧德賽”（Mars Odyssey）、“火星快車(chē)”（Mars Express）、勇氣號(hào)（Spirit）和機(jī)遇號(hào)（Opportunity）、“火星勘察軌道器”（MRO）、“鳳凰”（Phoenix）等探測(cè)器或火星中繼衛(wèi)星相繼成功探索火星，火星探測(cè)逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。2012年8月6日，好奇號(hào)成功降落在火星表面；2013年11月，印度將“曼加里安”（Mangalyaan）火星探測(cè)器發(fā)射升空，表明各國(guó)相繼在火星探測(cè)上展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

在深空探測(cè)活動(dòng)過(guò)程中，需要向地球返回大量科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。隨著人類(lèi)向外太空探索的腳步走的越來(lái)越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離、高速率、大量的數(shù)據(jù)傳輸成為外太空探測(cè)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。如果要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，就要求目標(biāo)探測(cè)器和地面站建立通信連接?；鹦悄繕?biāo)探測(cè)器與地面站主要有2種通信方式：一種是目標(biāo)探測(cè)器－地面站（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式），另一種是目標(biāo)探測(cè)器－中繼衛(wèi)星－地面站（中繼通信方式）。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳統(tǒng)通信方式已經(jīng)很難保證像高清圖像和視頻這樣的大量探測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，因此利用中繼通信的方式傳輸各項(xiàng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，達(dá)到增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行詫⑹且粋€(gè)非常有利的選擇。例如美國(guó)航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）全力建設(shè)火星探測(cè)中繼通信網(wǎng)，用以對(duì)各項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行通信服務(wù)和支持。從勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)開(kāi)始，到2007年發(fā)射的“鳳凰”探測(cè)器，再到2012年著陸的好奇號(hào)，都采用了中繼通信，并且將成為今后火星探測(cè)著陸器通信的一種趨勢(shì)。

因此，為了給火星目標(biāo)探測(cè)器提供更長(zhǎng)的通信時(shí)間，針對(duì)目標(biāo)探測(cè)器正常工作和應(yīng)急特殊工作這2種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了2種基于火星探測(cè)的中繼星座方案。

2 面向火星探測(cè)的中繼通信星座設(shè)計(jì)

為了增加目標(biāo)探測(cè)器的可見(jiàn)時(shí)間和傳輸速率，針對(duì)目標(biāo)探測(cè)器正常和應(yīng)急特殊工作這2種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了均勻覆蓋和連續(xù)覆蓋2種不同的中繼通信星座方案，以及針對(duì)特殊關(guān)鍵階段，如進(jìn)入、下降和著陸（EDL）階段的應(yīng)急方案。2種火星中繼通信星座方案都是由1個(gè)軌道面的3顆衛(wèi)星組成，為了針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，3顆衛(wèi)星的相位間隔不一樣。

均勻覆蓋的中繼通信星座方案

該星座由1個(gè)軌道面的3顆均勻分布的衛(wèi)星組成，軌道傾角為115.567°，軌道高度為3590km，相位間隔120°，這種分布方式與目標(biāo)探測(cè)器的通信機(jī)會(huì)均等，利于周期性的工作計(jì)劃。

連續(xù)覆蓋的中繼星座方案

連續(xù)覆蓋的中繼通信星座方案也是由1個(gè)軌道面的3顆衛(wèi)星組成，但是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)覆蓋，衛(wèi)星在軌道面內(nèi)不是均勻分布的，為了對(duì)目標(biāo)探測(cè)器的覆蓋時(shí)間首尾相連，需要更小的相位間隔，3顆衛(wèi)星之間的相位差為76°，小于均勻覆蓋的120°，在1個(gè)軌道平面內(nèi)的間隔比較近，位置靠的更緊湊，因此可以在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)覆蓋。其他的衛(wèi)星軌道參數(shù)與均勻覆蓋的中繼星座的軌道參數(shù)一致。

對(duì)比均勻覆蓋和連續(xù)覆蓋的火星中繼通信星座三維視圖可知，連續(xù)覆蓋的3顆火星衛(wèi)星不是均勻分布，在該星座方案下，3顆衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋時(shí)間首尾相連，相比之下，其中連續(xù)可見(jiàn)的一段時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)需要進(jìn)行特殊情況下的中繼通信時(shí)，比如應(yīng)急通信，可以通過(guò)快速機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多顆中繼通信衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域的同時(shí)覆蓋。

3 中繼通信星座的鏈路可見(jiàn)性仿真與分析

均勻覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星軌道參數(shù)

連續(xù)覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星軌道參數(shù)

均勻覆蓋的中繼通信星座三維視圖>

連續(xù)覆蓋的中繼通信星座三維視圖

利用衛(wèi)星工具包對(duì)無(wú)中繼的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信的鏈路，以及對(duì)2個(gè)中繼星座的鏈路可見(jiàn)性進(jìn)行了仿真，得到了探測(cè)器與地面站、探測(cè)器與中繼衛(wèi)星以及中繼衛(wèi)星與地面站的可見(jiàn)性。

探測(cè)器與地面站無(wú)中繼直接鏈路可見(jiàn)性仿真

首先選擇通信的對(duì)象。假設(shè)火星的目標(biāo)探測(cè)器降落在蓋爾隕坑附近，具體位置為火星的5.45°（S）、137.8°（E），地球地面站分別位于我國(guó)國(guó)土東西兩端的喀什和佳木斯。仿真起始時(shí)間為2013年6月1日，為了簡(jiǎn)化仿真過(guò)程，假設(shè)探測(cè)器在仿真時(shí)間范圍內(nèi)位置保持不變。

由仿真結(jié)果可知，無(wú)中繼時(shí)，探測(cè)器與佳木斯地面站可見(jiàn)時(shí)間為9.3h，與喀什地面站可見(jiàn)時(shí)間為5.4h，理論上探測(cè)器每天可以與國(guó)內(nèi)地面站最長(zhǎng)的可通信時(shí)間為9.3h。

喀什、佳木斯地面站和目標(biāo)探測(cè)器的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果

目標(biāo)探測(cè)器與均勻覆蓋的中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果

佳木斯、喀什地面站與均勻覆蓋的中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果

中繼通信星座鏈路可見(jiàn)性仿真

選擇與無(wú)中繼通信時(shí)相同的仿真條件，即探測(cè)器和地面站的位置與上述情況一致，在衛(wèi)星中繼的情況下，仿真分析了喀什、佳木斯地面站與探測(cè)器的可見(jiàn)性。

由探測(cè)器與均勻覆蓋的中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果可知，探測(cè)器與均勻覆蓋的中繼通信衛(wèi)星1天之內(nèi)可見(jiàn)時(shí)間為7.6h。其中，每天的可見(jiàn)時(shí)間段的間隔較大，且每段可見(jiàn)時(shí)間大致相等，說(shuō)明在這種中繼通信方式下，中繼通信衛(wèi)星與目標(biāo)探測(cè)器的通信機(jī)會(huì)均等，有利于周期性的計(jì)劃。

由佳木斯、喀什地面站與均勻覆蓋的中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果可知，均勻覆蓋的中繼通信衛(wèi)星與佳木斯地面站總的可見(jiàn)時(shí)間為13.4h，與喀什地面站總的可見(jiàn)時(shí)間為12.5h，中繼衛(wèi)星與國(guó)內(nèi)地面站的最長(zhǎng)可見(jiàn)時(shí)間為16.4h。其中，每顆衛(wèi)星與地面的可見(jiàn)時(shí)長(zhǎng)都相差無(wú)幾，這是由于軌道平面選取較佳，沒(méi)有被火星遮擋的緣故，可見(jiàn)時(shí)長(zhǎng)約為總時(shí)長(zhǎng)的68.3%。因?yàn)橹欣^衛(wèi)星能接收、存儲(chǔ)目標(biāo)探測(cè)器發(fā)送的信息，且目標(biāo)探測(cè)器與中繼衛(wèi)星之間的通信速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接與地面站的通信速率，從而可以認(rèn)為這種情況下的可見(jiàn)性時(shí)長(zhǎng)占總時(shí)長(zhǎng)的68.3%。

由探測(cè)器與連續(xù)覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果可知，探測(cè)器與連續(xù)覆蓋的中繼通信衛(wèi)星1天之內(nèi)可見(jiàn)時(shí)間為8.2h。1天之中，每段可見(jiàn)時(shí)間段幾乎首尾相連，與均勻覆蓋的中繼通信星座相比，持續(xù)可見(jiàn)時(shí)間更長(zhǎng)，可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)覆蓋，適用于緊急情況下的中繼通信。

無(wú)中繼和2種中繼通信星座的鏈路可見(jiàn)性能

目標(biāo)探測(cè)器與連續(xù)覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果

喀什、佳木斯地面站與連續(xù)覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果

對(duì)比喀什、佳木斯地面站與均勻覆蓋和連續(xù)覆蓋的中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段可知，由于中繼通信衛(wèi)星與地面站之間的距離十分遙遠(yuǎn)的緣故，在地面站與中繼通信衛(wèi)星之間的鏈路可見(jiàn)性方面，兩者性能一致。這種方式下，國(guó)內(nèi)地面站與中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間也為16.4h，占總時(shí)長(zhǎng)的68.3%。

由探測(cè)器與連續(xù)覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果可知，探測(cè)器與連續(xù)覆蓋的中繼通信衛(wèi)星1天之內(nèi)可見(jiàn)時(shí)間為8.2h。1天之中，每段可見(jiàn)時(shí)間段幾乎首尾相連，可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)覆蓋。

對(duì)比佳木斯、喀什地面站與均勻覆蓋和連續(xù)覆蓋的中繼通信星座衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間段仿真結(jié)果可知，在地面站與中繼通信衛(wèi)星之間的鏈路可見(jiàn)性方面，兩者性能一致。這種方式下國(guó)內(nèi)地面站與中繼通信衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間也為16.4h，占總時(shí)長(zhǎng)的68.3%。

通信鏈路可見(jiàn)性仿真結(jié)果對(duì)比與結(jié)論

通過(guò)對(duì)無(wú)中繼和以火星衛(wèi)星為中繼的2種通信方式的鏈路可見(jiàn)性仿真結(jié)果分析可知，連續(xù)和均勻覆蓋中繼通信星座這2種中繼方案在與地面站建立通信時(shí)幾乎沒(méi)有差異，然而在與火星探測(cè)器到地面站通信時(shí)卻各具特點(diǎn)。

無(wú)中繼時(shí)，1天之中火星探測(cè)器與地面站的可見(jiàn)時(shí)間為9.3h。通過(guò)設(shè)計(jì)覆蓋火星的中繼星座，可以將與地面站的通信時(shí)間增加到16.4h，大大增加了傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。雖然中繼通信衛(wèi)星與火星探測(cè)器的可見(jiàn)時(shí)間有所減少，但是火星中繼通信衛(wèi)星能存儲(chǔ)目標(biāo)探測(cè)器發(fā)送的信息，且目標(biāo)探測(cè)器與火星中繼通信衛(wèi)星間的通信速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接與地球的通信速率，因此增加了中繼通信衛(wèi)星與地面站的通信時(shí)間，可以大大提高探測(cè)器的通信性能。

3 結(jié)論

在此，本文介紹了均勻覆蓋和連續(xù)覆蓋2種面向火星探測(cè)的中繼通信星座設(shè)計(jì)方案。均勻覆蓋星座具有最長(zhǎng)的覆蓋時(shí)間，通信機(jī)會(huì)均等，利于周期性計(jì)劃；連續(xù)覆蓋星座覆蓋時(shí)間首尾相連適用于應(yīng)急情況。仿真結(jié)果表明，相比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信方式，利用中繼星座進(jìn)行通信的方式，使通信鏈路的可見(jiàn)時(shí)間增加了7h左右。這2種中繼星座方案在不同的應(yīng)用場(chǎng)景工作的基礎(chǔ)上，提高了火星探測(cè)器與地面站的通信時(shí)間，可以給登陸火星的探測(cè)器提供更好的中繼性能。