劉適 黃曉峰 喬旭君

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

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火星探測(cè)進(jìn)入、下降、著陸過程通信方案

劉適 黃曉峰 喬旭君

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

基于火星探測(cè)任務(wù)進(jìn)入、下降、著陸過程(Entry，Descent and Landing，EDL)的特點(diǎn)，從信號(hào)微弱、高多普勒動(dòng)態(tài)和黑障通信等3方面提出了該過程中通信的主要技術(shù)難點(diǎn)；簡(jiǎn)述了國(guó)外成功完成火星表面軟著陸探測(cè)任務(wù)——海盜號(hào)、“火星探路者”、“火星探測(cè)巡視器”、鳳凰號(hào)、“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”EDL過程采用的通信方案，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了歸納總結(jié)；詳細(xì)介紹了EDL過程所采用的直接對(duì)地通信、中繼通信方案組成、通信能力和關(guān)鍵單機(jī)等；論述了中繼通信、信號(hào)調(diào)制、信道編碼以及黑障分析、防護(hù)與減輕等通信關(guān)鍵技術(shù)及其工程現(xiàn)狀。最后給出了對(duì)我國(guó)火星探測(cè)EDL過程通信技術(shù)方案設(shè)計(jì)的一些建議。

火星探測(cè)；軟著陸；進(jìn)入、下降、著陸；通信

1 引言

火星進(jìn)入、下降、著陸(EDL)過程是火星軟著陸探測(cè)任務(wù)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，而EDL過程中的通信是地面了解探測(cè)器工作狀態(tài)和健康情況的主要渠道，也是火星軟著陸任務(wù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)之一，愈發(fā)得到國(guó)際航天機(jī)構(gòu)的重視。以1999年的NASA“火星極地著陸器”(Mars Polar Lander，MPL)任務(wù)為例，其在EDL過程中不具備通信能力，導(dǎo)致任務(wù)在EDL過程失敗后，基本上沒有數(shù)據(jù)用于診斷任務(wù)失敗的原因。同樣的情況還出現(xiàn)在歐洲航天局(ESA)2003年的火星著陸器獵兔犬2號(hào)(Beagle-2)任務(wù)中。在“火星極地著陸器”任務(wù)失敗后， NASA要求其火星著陸任務(wù)均要具備EDL過程通信能力[1]。

本文旨在針對(duì)EDL過程通信難點(diǎn)，在總結(jié)國(guó)外成功火星軟著陸任務(wù)EDL通信方案的基礎(chǔ)上，對(duì)EDL過程通信關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，為我國(guó)未來火星表面探測(cè)任務(wù)提供參考。

2 EDL過程通信技術(shù)難點(diǎn)

EDL過程作為整個(gè)軟著陸任務(wù)的重要環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵事件、關(guān)鍵遙測(cè)必須保證實(shí)時(shí)下傳。但EDL過程信道較為惡劣，存在地面接收信號(hào)微弱、多普勒動(dòng)態(tài)高和黑障現(xiàn)象等一系列問題，將直接影響信號(hào)的正常接收與解調(diào)。

1)信號(hào)微弱問題

火星軟著陸探測(cè)器對(duì)地直接通信面臨著巨大的空間損耗，導(dǎo)致地面接收到的信號(hào)十分微弱，約束了探測(cè)器下行信息傳輸能力。同時(shí)，由于EDL過程中嚴(yán)苛的氣動(dòng)環(huán)境和熱環(huán)境，以及可能存在的探測(cè)器大角度姿態(tài)變化，探測(cè)器只能采用寬波束低增益天線，通過降低天線增益來提高波束寬度，保證對(duì)地覆蓋性。這對(duì)EDL過程中通信實(shí)現(xiàn)提出了更高要求和新的技術(shù)難題。

2)高多普勒動(dòng)態(tài)問題

EDL過程動(dòng)作將導(dǎo)致在探測(cè)器發(fā)射信號(hào)上疊加較高的多普勒動(dòng)態(tài)，包括較大的多普勒變化范圍、較高多普勒變化率和多普勒加速度。由于在信號(hào)解調(diào)過程中需要保持跟蹤狀態(tài)，EDL過程中的高多普勒動(dòng)態(tài)極易導(dǎo)致環(huán)路失鎖，造成接收端數(shù)據(jù)丟失。尤其在低信噪比時(shí)，高動(dòng)態(tài)與高靈敏度是無法在單機(jī)層面同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，所以需要在通信方案設(shè)計(jì)過程中，從系統(tǒng)級(jí)層面尋找解決措施，確保EDL過程中正常通信。

3)黑障現(xiàn)象

火星探測(cè)器以高超聲速進(jìn)入火星大氣層后，要在短時(shí)間內(nèi)急劇減速，由于大氣阻力的作用，使得高速飛行探測(cè)器的動(dòng)能大量轉(zhuǎn)換為熱能，當(dāng)探測(cè)器周圍的溫度達(dá)到或超過火星大氣電離的閥值溫度時(shí)，大氣分子和部分燒蝕材料便發(fā)生電離，在探測(cè)器周圍形成等離子鞘套。等離子鞘套會(huì)嚴(yán)重吸收和散射電磁波，從而產(chǎn)生通信“黑障”現(xiàn)象。黑障現(xiàn)象的產(chǎn)生與探測(cè)器的形狀、速度、飛行攻角、放熱材料和大氣密度等因素有關(guān)[2]。鑒于黑障現(xiàn)象對(duì)火星EDL過程通信的影響，需要在通信方案設(shè)計(jì)過程中充分考慮、量化分析黑障現(xiàn)象的影響，并開展黑障現(xiàn)象防護(hù)和減輕等技術(shù)研究。

針對(duì)上述通信難點(diǎn)，國(guó)外航天機(jī)構(gòu)開展了一系列理論研究與工程實(shí)踐工作，并積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)。后文將對(duì)國(guó)外成功火星表面軟著陸探測(cè)任務(wù)EDL過程通信方案進(jìn)行歸納與總結(jié)。

3 EDL過程典型通信方案

3.1 概述

目前，人類共進(jìn)行過15次火星表面軟著陸探測(cè)，完全成功7次，均由美國(guó)完成，分別為海盜-1(Viking-1)、海盜-2(Viking-2)、“火星探路者”(Mars Pathfinder，MPF)、勇氣號(hào)(Spirit)、機(jī)遇號(hào)(Opportunity)、鳳凰號(hào)(Phoenix，PHX)、“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(Mars Science Laboratory，MSL)。其中，勇氣號(hào)(Spirit)、機(jī)遇號(hào)(Opportunity)同屬于火星探測(cè)巡視器(Mars Exploration Rover，MER)任務(wù)。

1976年的海盜-1和海盜-2都由1個(gè)軌道器和1個(gè)著陸器組成，軌道器與著陸器組合體抵近火星后進(jìn)入環(huán)火軌道。兩器分離后，著陸器經(jīng)歷EDL過程著陸火星表面。EDL過程中，著陸器通過軌道器中繼轉(zhuǎn)發(fā)探測(cè)器狀態(tài)信息。器間通信鏈路為著陸器至軌道器的單向UHF頻段鏈路，碼速率為4 kbit/s。軌道器將接收到的返向信號(hào)通過自身S頻段下行鏈路轉(zhuǎn)發(fā)地面[3]。

1997年的MPF任務(wù)攜帶1個(gè)著陸器和1個(gè)巡視器降落火星表面。MPF未進(jìn)入環(huán)火軌道，而是采用直接火星大氣進(jìn)入方式。EDL過程中，探測(cè)器持續(xù)向地面站發(fā)送X頻段載波信號(hào)，通過 “旗語”信號(hào)在EDL序列中關(guān)鍵時(shí)刻，表明主要事件的執(zhí)行情況。在著陸前“旗語”信號(hào)是在載波信號(hào)上疊加副載波，并且副載波在兩個(gè)不同頻率之間切換。一旦著陸，“旗語”信號(hào)僅是簡(jiǎn)單的開關(guān)下行載波[4]。

2003年的MER任務(wù)為火星表面巡視探測(cè)任務(wù)，其EDL采用X頻段鏈路實(shí)現(xiàn)全過程對(duì)地通信，并在EDL末期增加UHF頻段通信[5]。MER向地面站發(fā)送X頻段載波和“旗語”信號(hào)，但不同于MPF任務(wù)的少量“旗語”，MER采用了256個(gè)“旗語”，該方法被稱為多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)。后殼分離后，MER通過UHF頻段器間通信鏈路向“火星全球勘測(cè)者”(Mars Global Surveyor，MGS)發(fā)送8 kbit/s返向數(shù)據(jù)，并通過MGS對(duì)地信道轉(zhuǎn)發(fā)地面。

2007年的鳳凰號(hào)是一次火星表面原位探測(cè)任務(wù)。鳳凰號(hào)EDL過程中無直接對(duì)地通信鏈路，其利用奧德賽(Odyssey，ODY)、“火星勘測(cè)軌道器”(Mars Reconnaissance Orbiter，MRO)和“火星快車”(Mars Express，MEX)提供UHF頻段器間通信返向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)支持。鳳凰號(hào)從進(jìn)入前2分鐘開始發(fā)送8 kbit/s返向數(shù)據(jù)。降落傘打開后，返向碼速率提高到32 kbit/s[6]。

2011年的MSL任務(wù)借鑒了MER和鳳凰號(hào)EDL過程通信的成功經(jīng)驗(yàn)，在EDL過程中采用X頻段直接對(duì)地通信和UHF頻段中繼通信相結(jié)合的方案。其中，對(duì)地通信鏈路采用了與MER相同的MFSK方案。中繼通信鏈路利用UHF頻段器間通信鏈路，在巡航級(jí)分離后開始向ODY、MRO和MEX軌道器發(fā)送8 kbit/s返向數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)地面[1]。

綜上所述，火星軟著陸器EDL過程通信實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑有兩種，分別為直接對(duì)地通信和軌道器中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信。其中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信鏈路是由軌道器與軟著陸探測(cè)器間的器間通信鏈路和軌道器對(duì)地通信鏈路組成的。兩方案各有優(yōu)劣，前者系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，后者通信速率相對(duì)較高。直接對(duì)地通信典型工程案例包括MER、MSL任務(wù)，中繼轉(zhuǎn)發(fā)通信典型工程案例包括PHX和MSL任務(wù)。

3.2 直接對(duì)地通信方案

1)MER直接對(duì)地通信方案

MER任務(wù)包括勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)，其通信系統(tǒng)組成相同，由X頻段和UHF頻段子系統(tǒng)構(gòu)成，其中，X頻段子系統(tǒng)用于支持與NASA的深空網(wǎng)之間通信，UHF頻段子系統(tǒng)用于支持后殼分離后與火星軌道器之間通信。EDL全過程中無上行或前向鏈路[5，7-8]。MER的X頻段子系統(tǒng)組成見圖1[5]。

X頻段子系統(tǒng)的核心單機(jī)是小型深空應(yīng)答機(jī)(SDST)，見圖2。1998年發(fā)射的深空-1(Deep Space-1)首次搭載了SDST。之后，SDST成為NASA無人深空探測(cè)任務(wù)主要選用的應(yīng)答機(jī)產(chǎn)品。在EDL過程中，SDST處于多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)工作模式。該工作模式中，應(yīng)答機(jī)發(fā)送載波和未調(diào)制數(shù)據(jù)的副載波，其信息速率由不同頻率副載波的數(shù)目和副載波頻率變化的速率決定。MER任務(wù)中采用了256個(gè)不同頻率的副載波信號(hào)，在同一時(shí)刻，僅將其中一個(gè)調(diào)制在載波信號(hào)上。在超音速進(jìn)入期間，副載波頻率每10 s切換一次。開傘后，延長(zhǎng)至每20 s切換一次，以便在信噪比快速變化期間信號(hào)更易被檢測(cè)到[8]。

圖1 MER任務(wù)X頻段通信子系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of MER X band telecommunication subsystem[5]

圖2 MER搭載小型深空應(yīng)答機(jī)Fig.2 MER small deep space transponder

X頻段子系統(tǒng)由6副天線組成，在EDL過程中使用到其中2副天線，分別為后殼低增益天線和巡視器低增益天線。后殼低增益天線和巡視器低增益天線采用共用波導(dǎo)的設(shè)計(jì)思路，繼承自“火星探路者”任務(wù)，后殼分離前采用后殼低增益天線對(duì)地通信，后殼分離后使用巡視器低增益天線[5]。

2)MSL直接對(duì)地通信方案

“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”通信系統(tǒng)由X頻段子系統(tǒng)和UHF頻段子系統(tǒng)組成。與MER與鳳凰號(hào)EDL過程通信系統(tǒng)方案基本一致，“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”通過X頻段子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與地面站之間通信，通過UHF頻段子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與火星軌道器間通信[1]?！盎鹦强茖W(xué)實(shí)驗(yàn)室”X頻段通信子系統(tǒng)組成如圖3所示[1]。

圖3 MSL X頻段通信系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of MSL X band telecommunication system

在EDL過程中，X頻段子系統(tǒng)主要通過降落級(jí)上的小型深空應(yīng)答機(jī)和輸出功率100 W的行波管放大器發(fā)送MFSK，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地通信功能，MSL采用256個(gè)不同頻率副載波，副載波切換時(shí)間為10 s。X頻段子系統(tǒng)先后使用了降落傘低增益天線、斜裝低增益天線和降落級(jí)低增益天線[1]。降落傘低增益天線和斜裝低增益天線采用相同設(shè)計(jì)，均安裝在降落傘艙上，兩者安裝方向不同，以滿足EDL過程中不同階段天線增益方向圖對(duì)地面站的覆蓋性。降落傘艙分離后，MSL通過降落級(jí)低增益天線實(shí)現(xiàn)對(duì)地通信功能。

3.3 中繼通信方案

1)PHX中繼通信方案

鳳凰號(hào)通信系統(tǒng)由X頻段測(cè)控子系統(tǒng)和UHF頻段子系統(tǒng)組成，其中X頻段測(cè)控子系統(tǒng)安裝在巡航級(jí)上，當(dāng)巡航級(jí)與著陸器分離后，鳳凰號(hào)通過UHF頻段子系統(tǒng)完成與ODY、MRO和MEX軌道器間的中繼通信，滿足EDL過程通信需求[6,9]。鳳凰號(hào)UHF頻段通信子系統(tǒng)組成見圖4[9]。

鳳凰號(hào)UHF頻段通信系統(tǒng)核心單機(jī)是UHF頻段收發(fā)信機(jī)，型號(hào)為C/TT-505，MER搭載的也是這一型號(hào)的產(chǎn)品[10]，見圖5。在EDL過程中，ODY、MRO和MEX被用于鳳凰號(hào)UHF頻段返向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)支持。鳳凰號(hào)在巡航級(jí)分離后通過后殼天線發(fā)送返向信號(hào)載波，進(jìn)入前2 min在返向載波上調(diào)制8 kbit/s數(shù)據(jù)。降落傘打開后，返向碼速率提高到32 kbit/s，直至降著陸1分鐘后停止。鳳凰號(hào)器間通信基于CCSDS組織的鄰近空間鏈路協(xié)議(Proximity-1 Space Link Protocol)，但由于EDL過程中使用單向傳輸模式，通信雙方無需根據(jù)協(xié)議進(jìn)行“握手”[6]。

圖4 鳳凰號(hào)UHF頻段通信系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of Phoenix UHF band telecommunication system

圖5 鳳凰號(hào)搭載UHF頻段收發(fā)信機(jī)Fig.5 PHX UHF transceiver

不同于MER任務(wù)，鳳凰號(hào)為保證巡航級(jí)分離后全過程器間通信，在后殼上安裝了一副后殼天線，后殼天線采用貼片組陣形式，安裝在后殼上，形成近全空間覆蓋增益方向圖，見圖6。當(dāng)后殼與著陸器分離后，鳳凰號(hào)使用UHF螺旋天線[6]。

圖6 鳳凰號(hào)后殼天線Fig.6 PHX wrapaound antenna

2)MSL中繼通信方案

MSL通過UHF頻段通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與火星軌道器間通信，其UHF頻段通信子系統(tǒng)組成框圖分別見圖7[1]。

在巡航級(jí)分離后直至觸地后幾分鐘，MSL的UHF頻段子系統(tǒng)向ODY、MRO和MEX軌道器發(fā)送8 kbit/s返向數(shù)據(jù)，包括健康和狀態(tài)遙測(cè)。UHF頻段子系統(tǒng)由兩臺(tái)UHF頻段收發(fā)信機(jī)和3副低增益天線組成。在EDL過程中先后使用了3副UHF頻段低增益天線，包括降落傘UHF天線、降落級(jí)UHF天線和巡視器UHF天線。其中，降落傘UHF天線采用與PHX任務(wù)后殼天線相同的設(shè)計(jì)思路，滿足EDL初期中繼通信需求[1]。

圖7 MSL UHF頻段通信系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of MSL UHF band telecommunication system

MSL搭載的UHF頻段收發(fā)信機(jī)型號(hào)為Electra-Lite，與MRO上搭載的UHF頻段收發(fā)信機(jī)Electra相比，進(jìn)行了功能上裁剪，以降低對(duì)質(zhì)量、功耗方面的需求。Electra-Lite支持鄰近空間鏈路協(xié)議。相對(duì)于C/TT-505等早期UHF頻段收發(fā)信機(jī)型號(hào)，Electra和Electra-Lite主要有3方面的改進(jìn)[12]：

(1)Electra和Electra-Lite收發(fā)信機(jī)支持最高2048 kbit/s編碼后碼速率，而MER搭載的C/TT-505收發(fā)信機(jī)最高支持256 kbit/s，MEX搭載的Melacom收發(fā)信機(jī)最高支持128 kbit/s。

(2)Electra和Electra-Lite的前向載波頻率在435～450 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，返向載波頻率在390～405 MHz范圍內(nèi)可調(diào)。C/TT-505和Melacom僅能在固定頻率上工作。

(3)Electra和Electra-Lite支持碼速率自適應(yīng)模式(adaptive data rate mode，ADR)，即收發(fā)信機(jī)可以根據(jù)實(shí)時(shí)信噪比特性，自發(fā)調(diào)整返向鏈路碼速率。而C/TT-505和Melacom在某一弧段內(nèi)只能采用固定碼速率進(jìn)行傳輸。但MSL在EDL過程中未采用ADR模式。

4 EDL過程通信關(guān)鍵技術(shù)及工程現(xiàn)狀

4.1 中繼通信技術(shù)

受限于器地通信距離較遠(yuǎn)等因素，EDL過程中探測(cè)器直接對(duì)地傳輸?shù)男畔⑺俾瘦^低，不足以支撐EDL過程產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。以MER和MSL任務(wù)所采用的MFSK方案為例，若采用10 s時(shí)間完成1個(gè)狀態(tài)遙測(cè)的傳送，信息量為8 bit，信息速率為0.8 bit/s。而中繼通信具備軟著陸與軌道器通信距離近，軌道器直接對(duì)地通信能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以NASA以往火星軟著陸探測(cè)器為例，其EDL過程返向器間通信碼速率為4～32 kbit/s，遠(yuǎn)高于軟著陸探測(cè)器對(duì)地通信碼速率。在碼速率方面，中繼通信占有明顯優(yōu)勢(shì)。

即使在著陸后，探測(cè)器具備高增益天線對(duì)地通信能力，受限于體積、質(zhì)量、功耗等方面限制，其對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力也極為有限，需要依靠中繼通信完成主要傳輸任務(wù)。截至2004年2月17日，機(jī)遇號(hào)返向數(shù)據(jù)的79%是通過中繼通信鏈路傳輸，直接對(duì)地通信鏈路僅完成21%，機(jī)遇號(hào)中繼通信鏈路返回?cái)?shù)據(jù)量占比達(dá)到了85%[5]。為充分挖掘中繼通信鏈路潛力，MSL任務(wù)中器間通信返向鏈路采用ADR技術(shù)，將碼速率峰值從MER任務(wù)的256 kbit/s提高到2 Mbit/s[12]。

火星探測(cè)任務(wù)中繼通信大致可分為三個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段以海盜號(hào)任務(wù)為代表，軌道器僅接收特定著陸器發(fā)送的返向信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)地面。第二階段以MPL任務(wù)為代表，其采用火星氣球轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Mars Balloon Relay Protocol)，該協(xié)議沒有數(shù)據(jù)鏈路層，前向鏈路用于發(fā)送兩種單音，用于支持與表面探測(cè)器完成返向數(shù)據(jù)傳輸。第三個(gè)階段，以MER、PHX和MSL任務(wù)為代表，其采用CCSDS組織的鄰近空間鏈路協(xié)議，該協(xié)議由數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，可以實(shí)現(xiàn)表面探測(cè)器上行遙控、數(shù)據(jù)注入以及下行遙測(cè)、載荷數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)由于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的存在，可以保證器間通信數(shù)據(jù)按序、正確接收。

4.2 信號(hào)調(diào)制技術(shù)

針對(duì)EDL過程中器地信道內(nèi)高動(dòng)態(tài)、低信噪比特征，選用合適的信號(hào)調(diào)制技術(shù)降低地面站解調(diào)難度，對(duì)保證EDL過程正常通信具有重要意義。受到火星探路者任務(wù)啟發(fā)，MER引入MFSK方法完成EDL過程通信。MFSK方法通過載波調(diào)制不同的副載波表征了探測(cè)器不同的健康和工作狀態(tài)。MFSK信號(hào)解調(diào)可以通過開環(huán)接收機(jī)快速完成[11]。MFSK信號(hào)的解調(diào)不同于深空通信中常采用的BPSK、QPSK等調(diào)制方式，地面進(jìn)行解調(diào)時(shí)無需進(jìn)行碼元解調(diào)，而僅需進(jìn)行載波和副載波的捕獲，將副載波頻率通過一定映射關(guān)系即可了解遙測(cè)信息內(nèi)容。此外，EDL過程中某些關(guān)鍵事件會(huì)導(dǎo)致下行載波頻率瞬時(shí)較大變化，如降落傘開傘，此時(shí)MFSK信號(hào)快速捕獲的優(yōu)勢(shì)相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)制方式將更加明顯。由于MFSK方式的優(yōu)勢(shì)，其在MSL任務(wù)EDL過程和朱諾號(hào)(Juno)任務(wù)中也得到應(yīng)用[12]。

4.3 信道編碼技術(shù)

信道編碼是保證信息正確傳輸?shù)闹匾侄?，是深空通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以通過較小的實(shí)現(xiàn)代價(jià)達(dá)到與提高發(fā)射功率、增加天線口徑相同的效果。目前，深空探測(cè)通信使用的信道編碼方式包括卷積碼、RS碼、RS與卷積級(jí)聯(lián)編碼、Turbo碼、LDPC碼等。其中，LDPC碼在編碼增益以及誤碼平臺(tái)等方面相對(duì)于其他編碼方式具有明顯優(yōu)勢(shì)。2013年NASA發(fā)射的“火星大氣與揮發(fā)物演化探測(cè)器”(MAVEN)便對(duì)中繼返向鏈路提供編碼效率為0.5的LDPC碼譯碼支持。分析與測(cè)試結(jié)果顯示，MAVEN所采用LDPC碼相對(duì)于目前深空領(lǐng)域廣泛采用的卷積(7,1/2)碼可以提供額外3 dB的編碼增益[11]。也就是說，在相同射頻設(shè)備的基礎(chǔ)上，可以降低約一半的發(fā)射功率。對(duì)器載資源嚴(yán)重受限的深空任務(wù)而言，信道編碼技術(shù)具有重要的意義。

4.4 黑障分析、防護(hù)及減輕技術(shù)

在載人航天領(lǐng)域，工程人員很早就開始認(rèn)識(shí)到再入地球通信黑障問題，并給予高度重視，獲得了一些可喜的研究成果。但由于理論模型的驗(yàn)證和進(jìn)行可信地面試驗(yàn)等方面工作難度較大，到目前為止還未獲得具有普遍意義的工程實(shí)用解[13]。在我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域，針對(duì)火星大氣進(jìn)入的研究工作和火星大氣環(huán)境數(shù)據(jù)積累相對(duì)較少，這無疑對(duì)火星探測(cè)EDL過程黑障分析工作造成了相當(dāng)大的困難。

針對(duì)黑障現(xiàn)象的防護(hù)及減輕技術(shù)，參考文獻(xiàn)[2]對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論研究、工程實(shí)踐進(jìn)行歸納總結(jié)，提出3類技術(shù)措施，包括改進(jìn)探測(cè)器自身設(shè)計(jì)、降低天線附近自由電子密度和外加強(qiáng)磁場(chǎng)等，同時(shí)也指出每一項(xiàng)技術(shù)都有其自身的不足和局限性，并不能單獨(dú)、完全地解決問題。在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮目標(biāo)性能，合理選擇方式方法，多種技術(shù)措施結(jié)合使用，才能最大限度地提高通信質(zhì)量。

5 啟示與建議

火星表面探測(cè)是當(dāng)前航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一， NASA、ESA、俄羅斯聯(lián)邦航天局均已對(duì)外公布了其即將開展的火星表面軟著陸探測(cè)[14]。在我國(guó)未來的火星探測(cè)任務(wù)規(guī)劃中，也可能對(duì)火星開展軟著陸探測(cè)。以往火星探測(cè)的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)未來火星任務(wù)的開展具有重要的參考價(jià)值。通過對(duì)以往EDL過程通信方案研究、分析，可以得到以下啟示：

(1)EDL過程通信類型主要包括直接對(duì)地和中繼通信兩類。由于器地通信距離遠(yuǎn)大于器間通信距離，一般器間通信速率高于器地通信碼速率2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。器地通信鏈路可以完成關(guān)鍵事件完成情況等小數(shù)據(jù)量信息的傳輸，中繼通信鏈路可用于傳輸探測(cè)器健康、工作狀態(tài)遙測(cè)等大數(shù)據(jù)量信息。兩類鏈路若同時(shí)采用可以形成異構(gòu)備份，提高通信系統(tǒng)可靠性。但根據(jù)“火星探路者”和鳳凰號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，僅采用直接對(duì)地通信鏈路或中繼鏈路也可不同程度的實(shí)現(xiàn)EDL過程通信功能。

(2)EDL過程采用單向通信工作模式，火星軟著陸探測(cè)器僅作為發(fā)送方向地面站或火星軌道器發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)，無需采用上行或前向鏈路。首先，器地雙向通信時(shí)延和地面人員診斷、發(fā)送指令時(shí)間遠(yuǎn)大于EDL過程持續(xù)時(shí)間，通過地面對(duì)探測(cè)器實(shí)施控制并不可行。其次，火星EDL過程中存在信號(hào)功率、頻率等大范圍波動(dòng)情況，如高速進(jìn)入過程中的黑障、降落傘展開、開傘后探測(cè)器擺動(dòng)等，如果要求探測(cè)器重傳丟失遙測(cè)，將可能導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)遙測(cè)在有限的時(shí)間內(nèi)無法傳回。

(3)EDL全過程通信支持。EDL過程作為火星軟著陸任務(wù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)提供全過程支持。EDL全過程通信作用主要有三：首先，跟蹤探測(cè)器工作狀態(tài)，提高任務(wù)展示度。其次，利用如信號(hào)強(qiáng)度、多普勒頻移等無線電信號(hào)特性反演EDL過程相關(guān)數(shù)據(jù)為后續(xù)工程任務(wù)提供參考。再次，可作為任務(wù)失敗后原因分析的重要數(shù)據(jù)。針對(duì)可能導(dǎo)致通信中斷的環(huán)節(jié)，如黑障、開傘引發(fā)的高動(dòng)態(tài)多普勒等問題，需要進(jìn)行充分分析，并采取相應(yīng)措施，使其工程影響降至最低。

(4)EDL通信天線一般選擇寬波束低增益天線。為適應(yīng)EDL過程中軟著陸探測(cè)器較大的姿態(tài)變化范圍，保證通信雙方的可視性，提高可靠性，需要通信天線具有寬波束特性。但寬波束天線增益較低，將對(duì)鏈路性能造成一定損失，所以在確定天線波束時(shí)要從天線波束覆蓋范圍和鏈路性能兩方面進(jìn)行考慮，選取平衡點(diǎn)。

(5)為保證EDL通信方案順利實(shí)施，在方案設(shè)計(jì)過程中還要重視以下內(nèi)容。首先，通信弧度是EDL過程通信的重要前提，需要保證器地間或探測(cè)器間幾何可見。這就對(duì)任務(wù)總體設(shè)計(jì)層面提出了約束，如探測(cè)器火星大氣進(jìn)入時(shí)機(jī)、進(jìn)入方式，以及EDL過程中軌道器位置等。其次，通信方案應(yīng)針對(duì)火星軟著陸探測(cè)任務(wù)實(shí)際開展設(shè)計(jì)，通信實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑應(yīng)緊密結(jié)合EDL過程時(shí)序，功能、性能設(shè)計(jì)與設(shè)備配置要圍繞全過程通信鏈路的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性開展。

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(編輯：張小琳)

Telecommunication System Scheme for Mars Probe During EDL

LIU Shi HUANG Xiaofeng QIAO Xujun

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China)

Based on the characteristics of telecommunication for Mars EDL mission, the paper proposes technical challenges which include weak signal strength, highly dynamic Doppler shift, and blackout. The direct-to-earth and relay telecommunication scheme successfully used in the Mars soft-landing exploration, such as Viking, Mars Pathfinder, Mars Exploration Rover, Phoenix and Mars Science Laboratory are reviewed in terms of subsystem composition, communication ability and key equipment. Key techniques are introduced, such as relay communication, modulation, coding and blackout. Finally, some enlightenment for EDL telecommunication system scheme are proposed.

Mars exploration; soft landing; EDL; telecommunication

2015-06-23；

2015-07-07

劉適，男，碩士，工程師，從事深空探測(cè)器總體設(shè)計(jì)工作。Email：liushi19841984@sohu.com。

V443.1

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.016